William B. Stine, Michael Geyer
Продолжение
Начало читайте здесь:
Часть 1. Системы преобразования солнечной энергии
Часть 2. Солнечные коллекторы
1.4 Необходимость в аккумулировании энергии
Солнечная электростанция, как и любая другая, должна удовлетворять требованиям энергетического рынка. В пиковые периоды спроса на электроэнергию цена киловатт-часа высока и стимулирует получать прибыль от продажи электроэнергии. Солнечная установка зависит от суточных, сезонных и погодных изменений, связанных с уровнем инсоляции. Для того чтобы справиться с этими колебаниями, солнечная станция может быть подстрахована за счет электростанции на ископаемом топливе, или изменения солнечной активности могут быть уменьшены путем буферизации системы аккумулирования энергии. Выбор зависит от требований, типа системы и местных условий. Зависимость между емкостью системы аккумулирования и площадью коллектора обсуждается в главе 10.
В тепловых солнечных электростанциях система хранения тепла и/или резервный источник электроэнергии на твердом топливе выступают в качестве:
- инструмента управления выработкой энергии, способного продлить работу после заката и сдвинуть продажу энергии от низкодоходного времени малого потребления к высокодоходному времени в час-пик, гарантировав, таким образом, непрерывность выработки энергии;
- внутреннего буфера электростанции для сглаживания колебаний инсоляции, отвечающего за стабилизацию рабочего цикла и внутренних эксплуатационных требований, таких как производство пара, систем предварительного нагрева и защиты от обмерзания.
Фотоэлектрические станции не нуждаются во внутренней буферной системе, и оптимизация выработки электроэнергии может быть достигнута с помощью электрохимических батареей, накопительной ГЭС, или с помощью резервного дизель-генератора. Значение аккумулирования энергии рассматривается в главе 10.
 |
|
| Рисунок 1.11 | Сохраненная солнечная энергия обеспечивает производство энергии до полуночи, только после этого используется электроэнергия, полученная от резервного источника на твердом топливе. |
|
Надписи на рисунке |
|
|
To Storage |
Для аккумулирования |
|
Firm Capacity Line |
Линия генерируемой мощности |
|
Fossil Backup |
Резервное твердое топливо |
|
Solar Direct |
Прямая солнечная энергия |
|
From storage |
От системы аккумулирования |
|
Time Of Day |
Время суток |
1.5 Интеграция циклов производства энергии
Из-за своей тепловой природы, все солнечные технологии могут быть объединены с традиционными энергетическими системами. Объединение очень важно для повышения значимости солнечных тепловых технологий из-за их доступности и управляемости, снижения стоимости энергии (за счет более эффективного использования энергетического оборудования), и уменьшения технологических рисков при использовании обычных видов топлива, когда это необходимо.
Хотя объединения полей солнечных тепловых коллекторов и систем хранения тепла может быть достаточно для обеспечения высокой температуры у потребителя тепловой энергии, в процессе проектирования должны быть предусмотрены и подсистемы генерации энергии, если результатом работы этой системы являются механическая работа или электрическая энергия. Глава 11 рассматривает технологии производства энергии с особым акцентом на энергоблоки, подходящие для взаимодействия с подсистемой солнечной тепловой энергетики. Введение системы выработки электроэнергии в конструкцию солнечной тепловой электростанции представляет собой проблему в части выбора соответствующих параметров проекта. Эффективность производства электроэнергии обычно увеличивается с повышением рабочей температуры цикла, в то же самое время, повышение КПД солнечных коллекторов связано с уменьшением температуры. Необходимо найти компромиссное решение, чтобы при разработке системы определить лучший вариант.
 |
|
| Рисунок 1.12 | Один из циклов выработки энергии – производство пара в солнечной энергетической системе Kramer Junction. (Фото предоставлено DOE/NREL, Warren Gretz) |
1.6 Классификация мест размещения
Технологии производства электроэнергии, основанные на концентрации солнечной энергии, требуют достаточного потока прямого солнечного света, который излучается Солнцем и проходит через атмосферу без отклонений и преломления. Следовательно, соответствующие места расположения солнечных объектов, как правило, находятся в засушливых или полузасушливых регионах. Ресурсы солнечной энергии в таких регионах очень высоки. Производство солнечного электричества по приемлемым ценам обычно выгодно там, где уровень инсоляции превышает 1700 кВтч/м² в год, что соответствует уровню солнечной радиации во многих областях, показанных на рисунке 1.4. Такими регионами являются юго-запад Соединенных Штатов, север Мексики, пустыни Северной Африки, Аравийский полуостров, основная часть Индии, Центральная и Западная Австралия, высокогорное плато Анд и северо-восток Бразилии. Наиболее перспективными местами размещения электростанций в Европе являются юг Испании и ряд островов Средиземного моря.
 |
|
| Рисунок 1.13 | Kuraymat (Египет), место для размещения солнечной тепловой электростанции в египетской пустыне с охлаждением водой из Нила и подключением к национальной сети высокого напряжения. |
Затраты на сооружение проектируемой солнечной электростанции, да и вообще осуществимость проекта сильно зависят от выбора ее месторасположения. Оно должно иметь высокий годовой уровень инсоляции для выработки максимального количества солнечной электроэнергии. Место для строительства должно быть достаточно ровным, чтобы разместить солнечные поля без непомерно дорогих земляных работ. Оно также должно быть близко к электрической подстанции, чтобы избежать строительства дорогих линий электропередачи для транспортирования энергии. Необходимо достаточное количество воды, чтобы обеспечить охлаждение пара в цикле выработки электроэнергии. Также необходим резервный источник энергии для обеспечения выработки энергии в период отсутствия солнечного излучения. Подъездные пути должны быть пригодны для транспортировки тяжелого оборудования, например, турбин генераторов. Наличие квалифицированного персонала также немаловажный фактор для успешного строительства и эксплуатации установок. Глава 13 раскрывает критерии, методологию и примеры выбора места для солнечных электростанций.
1.7 Экономические и экологические соображения
Наиболее важными факторами при создании солнечной энергетической системы являются экономические показатели. Существуют и другие аспекты, влияющие на решение об использования солнечной энергии, такие как отсутствие загрязнения и выбросов газов, влияющих на парниковый эффект, безопасность и т.д. Но в момент принятия решения о начале проектирования исключительно преобладает фактор уровня стоимости энергии. Этот, или подобный экономический показатель, получают расчетом количества ожидаемых затрат на строительство и эксплуатацию системы и количества произведенной солнечной энергии за весь период ее работы. В следующих главах мы подробнее расскажем об этом расчете.
Коммерчески обоснованные энергетические системы от нескольких киловатт до сотен мегаватт достаточно жизнеспособны, электростанции мощностью 354 МВт эксплуатируются в Калифорнии с 1980 года. Объекты солнечной энергетики могут функционировать, как подключенными к общей сети, так и в распределенных, автономных сетях. Они подходят для гибридного производства энергии, и могут включать в себя экономически эффективные системы хранения энергии. Они могут работать во всем мире в районах с высоким уровнем инсоляции, в том числе, в большинстве районов юго-запада США, Центральной и Южной Америки, Африки, Австралии, Китая, Индии, Средиземноморского региона и Ближнего Востока. Коммерческие гелиоустановки давно достигли уровня затрат на производство энергии около 12-15 центов/кВтч, и снижение этого показателя, как ожидается, в конечном счете, приведет к самому низкому уровню в 5 центов/кВтч.
 |
|
| Рисунок 1.14 | Графики уровня стоимости электроэнергии для крупных солнечных тепловых электростанций. Текущие расходы показаны синим цветом, включая 1-2 цента/кВтч, относящиеся к "восполняемой" энергетике, показанные зеленым цветом. |
|
Надписи на рисунке |
|
|
Advanced Concentrating Solar Power |
Развитие солнечной энергетики |
|
Initial SEGS plants |
Первые солнечные электростанции |
|
Larger SEGS plants |
Крупнейшие солнечные электростанции |
|
O&M cost reduction at SEGS plants |
Снижение затрат на эксплуатацию |
|
Impact of 1-2 cent added for green power |
Увеличение на 1-2 цента для «зеленой» энергетики |
|
Conventional technology for peaking or intermediate power |
Обычные технологии для пиковых |
1.8 Заключение
Основная цель авторов состоит в иллюстрации конструкций солнечных энергетических систем, как теплового, так и фотоэлектрического типов. Для этого мы рассказали о районах солнечных ресурсов и о возможностях различных типов солнечных коллекторов эффективно их преобразовывать. Средства проектирования развиваются, они включают в себя разработку отдельно солнечных коллекторов и системы накопления энергии, а также объединение их в общую систему, которая обеспечивает потребителя либо электрической, либо тепловой энергией. Мы и впредь будем демонстрировать примеры таких солнечных систем и их компонентов.
Мы надеемся, что доступность и простота проектирования систем солнечной энергетики позволят инженерам и конструкторам создавать все новые и новые проекты, которые расширят перечень объектов солнечной энергетики во всем мире и позволят всем пользоваться этим чистым, конкурентоспособным и распространенным источником энергии.
Продолжение следует
