Два типа солнечных установок

Существует два подхода к созданию солнечных станций, работающих по термодинамическому циклу. Первый - использование небольших централизованных станций для отдаленных, районов. Второй - создание крупных солнечных энергетических установок мощностью в несколько десятков МВт, рассчитанных на работу в центральной электросети . В установках на несколько десятков МВт использовать устройство для промежуточного прогрева пара невыгодно, поскольку его стоимость не окупается приростом мощности. Здесь предлагается использовать два типа двигателей. Длz солнечных станций, включенных в энергосеть, наиболее подходящими являются турбины, хотя их диапазон рабочих режимов довольно узок и сложны конструкции.

Для автоматических станций с переменной нагрузкой могут оказаться более эффективными поршневые двигатели, область рабочих режимов которых более широка.

Тип цикла и природа рабочего тела определяются областью рабочих температур теплового двигателя. Это предполагает в первую очередь взаимосвязь между характеристиками системы концентрации, аккумулятора и параметрами цикла. Идеальным рабочим телом с этой точки зрения является вода, но для работы с ней температура горячего источника должна быть 200-500° С.

Чтобы добиться таких температур, необходимо на приемнике получить 500-кратную концентрацию солнечной радиации, а с учетом потерь на излучение и конвекцию требуется концентрация вдвое больше. Такие значения практически невозможно обеспечить с помощью линейных концентраторов, поэтому разрабатываются концентрирующие устройства, фокусирующие радиацию в точку приемника.

Указанные выше трудности разрешаются, если вместо 10-20 тыс. приемников сделать один, аналогичный по своим параметрам и размерам паровому котлу обычного типа, и поднять его над поверхностью Земли.

В случае гелиостанции башенного типа все параболоиды заменяются практически плоскими отражателями тех же размеров. Каждый гелиостат отражает" солнце " на элемент поверхности центрального приемника, т.е. энергия передается к приемнику оптическим способом вместо транспортной сети паропроводов, требуемой в случае применения системы с рассредоточенными коллекторами.

Преимущество станций башенного типа заключается в том, что не нужно осуществлять транспортировку рабочей жидкости на большие расстояния от приемника до турбины, однако в них система сбора солнечной радиации оказывается дорогой и недостаточно эффективной. Из-за погрешностей в слежении, возможных при наличии большого количества гелиостатов, действительный коэффициент концентрации у термоэлектрогенератора часто составляет 1/3 расчетного.

Как показывает опыт, более перспективными оказываются станции с распределенным приемником энергии. В этих станциях концентраторы, представляющие собой параболоцилиндрические отражатели, вращаются вокруг одной оси и имеют трубчатые приемники, совмещенные с фокальной линией . Вращение по одной оси позволяет существенно уменьшить стоимость концентратора при уменьшении количества получаемой энергии всего на 5% по сравнению с системой слежения, использующей вращение вокруг двух осей.

Первой станцией данного типа, стоимость электроэнергии которой сравнима со стоимостью тепловых станций, стала станция, построенная американской фирмой "Луз", основанной в 1979 г. В 1985 г. этой фирмой построена солнечная электростанция в калифорнийской пустыне Мохаве, которая занимает 340 га. Еще на рассвете компьютерная система начинает ориентировать 540 тысяч параболоцилиндрических зеркал, чтобы они могли улавливать свет. Расположенные рядом зеркала поворачиваются за солнцем с восхода до заката. Они фокусируют солнечные лучи и направляют их на тонкую трубу из нержавеющей стали с черным покрытием. По трубе протекает синтетическое масло, которое нагревается до 390° С. Перегретое масло поступает в теплообменники, где отдает свое тепло воде, превращая ее в пар, который приводит в действие турбогенератор, обычного типа, вырабатывающий электроэнергию.

Фотоэлектрическое преобразование солнечного излучения (ФЭП)

Фотоэлектрический (или фотовольтаический) метод преобразования солнечной энергии в электрическую является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Впервые на перспективу его использования в крупномасштабной энергетике обратил внимание еще в 30-е годы один из основателей советской физической школы академик А. Ф. Иоффе. Однако в то время КПД солнечных элементов не превышал 1%. В последующие десятилетия благодаря значительному объему исследований в области физики и технологии этот показатель увеличился до 20-25%.

Явление фотоэффекта основано на преобразовании световой энергии (энергии электромагнитного излучения) в электрическую. Различают три вида фотоэффекта:

1) внешний – вырывание электронов из поверхности тел под действием света;

2) внутренний – изменение электропроводимости полупроводников и диэлектриков под действием света;

3) запирающегося слоя - возбуждение элекродвижущей силы на границе между проводником и светочувствительным полупроводником.

Для целей преобразования энергии электромагнитного излучения практически может быть применен только фотоэффект запирающегося слоя (фотоэффект на р-n переходе). Элекронно-дырочная переход или р-n переход представляет собой некоторую область между двумя частями вещества с разным типом проводимости. В изолированном от внешних воздействий (света и теплоты) образце в этой переходной зоне возникает взаимная диффузия избыточных носителей тока, приводящая к образованию двойного электрического слоя объемных зарядов - контактного электрического поля, напряженность которого направлена от области n-типа к области р-типа.

Поток основных носителей заряда через р-n переход представляет собой диффузионный ток 1д , поток неосновных носителей - дрейфовый ток L. При равновесии токи 1Д и I* по абсолютной величине равны и результирующий ток через р-n переход равен нулю.

Приложение к р-n переходу положительного потенциала (U>0, прямое смещение) приводит к изменению взаимного расположения уровней Ферми (27,6), уменьшению потенциального барьера, росту диффузионного тока (дрейфрвый ток остается неизменным). Результирующий ток через р-n переход носит название прямого тока. Если U<0 (обратное смещение), то барьер увеличивается (27,в), диффузионный ток уменьшается, дрейфовый ток остается неизменным. Результирующий ток называется обратным током. Уравнение вольт-амперной характеристики (ВАХ) р-n перехода в этом случае имеет вид:

Оптимальными материалами для солнечных ФЭП являются соединения AmBv и в первую очередь арсенид галлия (GaAS). Разработка высокоэффективных ФЭП на основе материалов с широким диапазоном изменения АЕ0 позволит на практике перейти к использованию сочетаний различных типов ФЭП и реализации идей сложных, например гетерогенных и каскадных, фотоэлектрических устройств, позволяющих использовать весь спектр солнечного излучения.

Предельный КПД солнечного элемента логарифмически растет при увеличении интенсивности освещения, что определяется соответствующим ростом фотоэдс Это определяет интерес к использованию для ФЭП солнечного излучения, концентрированного более чем в 1000 раз. Однако при этом возникает проблема, обусловленная резким возрастанием токов в ФЭП и соответствующим возрастанием потерь мощности на внутреннем сопротивлении.

Внедрение солнечных ФЭП с концентраторами в практику во многом зависит от разработки дешевых и простых систем слежения за Солнцем, а также от разработки недорогих концентраторов, стабильных при длительной эксплуатации в неблагоприятных климатических условиях, что является сложной технической задачей.