Все действующие на сегодня башенные станции, так же как и станций модульного типа, разрабатывались как эксперимен­тальные и предназначались для отработки различных техноло­гий и схем выработки электроэнергии, накопления опыта эксплуатации, анализа неполадок, т. е. комплекса проблем, ко­торый потребуется для проектирования и строительства про­мышленных станций значительно большей мощности.

Одной из главных целей является измерение параметров, определяющих работу станции в целом и ее подсистем — тех, от которых зависит энергетический баланс и выработка элект­роэнергии. В подсистеме приемника эго — входящая солнечная, радиация; потери радиации (отраженная часть, собственное инфракрасное излучение и конвективные потери), собранная до­ля тепла, температура поверхности, температурные напряжения; входные и выходные параметры рабочей среды (температура, Давление, скорость потока).

Характеристики подсистемы аккумулирования: входные и вы — • ходные параметры (давление, температура, скорость потока); параметры аккумулирующих баков (давление, уровень напол­нения, температурное распределение). В подсистеме выработки Мощности необходимо знание следующих параметров: входные Данные турбины (давление, температура, скорость потока); выходные данные турбины, т. е. характеристики конденсации (вакуум, температура конденсируемого пара, температура и скорость потока охлаждающей жидкости); расход энергии иа собственные нужды (насосы и вспомогательное оборудование); генерирование электрической мощности. Важность этой измери­тельной части проектов можно продемонстрировать на примере станции Solar -1. Распределение и общее количество датчиков в ней таково: измерение температуры — 632 точки, давления — 212, перепадов давления — 38, скорости потока — 58, положе­ния — 339, размещения — 11, производительности насосов — 31 электрических измерений — 135, химических измерений — 21, сбора метеорологических данных — 65, теплового потока — 75, системы определения характеристик лучистого потока — 16, механических напряжений — 128, вибраций — 12, уровней жид­кости — 69, нагрузки — 126, остальных типов — 10.

Таким образом, всего было установлено 197 8 датчиков, из них для метеорологических измерений — 68, на гелиостат­ном поле — 172, в подсистеме приемника — 536, в теплоакку­Муляторе — 431, в подсистеме выработки электроэнергии — 69І, во вспомогательных системах — 80.

Опыт эксплуатации первых СЭС показал необходимость об­ратить самое пристальное внимание на такие вопросы, как ра­бота станции при неустановившихся режимах и при пониженной инсоляции, циклические термонапряжения, время и технология запуска, надежность оборудования, эффективность аккумулиро­вания и др. ‘

Неустановившиеся режимы. Специальные эксперименты, проведенные на станции ЕигеНон, показали, что в пароводя­ных приемниках (в частности, прямоточного типа) возникают скачкообразные тепловые напряжения, приводящие к скачкам нагрузки, а также ‘плавание’ мест фазовых переходов как между водой и паром, так и между насыщенным и перегретым паром. Эти фазовые изменения сопровождаются скачками в значениях коэффициента теплопередачи, достигающих целого порядка: от 4000 в доне перегретого пара до 50 000 Вт/

/(м^ • К) в зоне влажного пара. Это перегружает систему ре­гулирования, что создает чрезмерно высокие температурные напряжения в металлических конструкциях, а иногда приводит к их разрушению. На работу приемника влияет как уровень, так и скорость изменений прихода солнечной радиации. Эти изменения, могут достигать 2% в секунду при уровне от 100 до.

800 Вт/м2 и вызывать как значительные изменения попоже — ния зоны испарения, так и длительно продолжающийся осцил­лирующий тепловой режим. Все это создает достаточные слож­ности в регулировке, которая в большинстве своем осуществля­ется еще в ручном режиме, требует введения специальных кпа-

панов и развернутой измерительной системы (89 термопар и 38 измерителей потока).

Циклические термонапряжения. Механические напряжения, связанные с воздействием периодических тепловых нагрузок, вызывали на станции Eurelios трещины и протечки в котле.

Дця их устранения пришлось изъять аварийные секции и улуч­шить крепление котельных труб, сделав’ его "мягким" для обес­печения подвижности при тепловом расширении. На станции Solar -1 эти) проблемы были еще более жестки. Температур­ные напряжения также привели к протечке фланцевых соедине­ний и к пригоранню изоляции на контуре паровой турбины, что заставило остановить станцию в середине июля 1982 г. почти на месяц. В дальнейшем для ряда сосудов и клапанов пришлось применить эпектрообогрев, что снижало термические скачки и в то же время сокращало период запуска. Термические напря­жения во всей системе должны были уменьшиться после запуо — ка на полную мощность контура теплового аккумулирования, что позволяло поддерживать систему в подогретом состоянии в ночное время.

Уменьшенная инсоляция. Работа системы приемника в усло­виях сниженного прихода излучения оказалась очень существен­ной проблемой. Снижение инсоляции приводит к уменьшению скорости потока рабочей жидкости через приемник, а этот ми­нимум не может стать недопустимо низким. В ряде случаев пришлось применить повторную и даже многократную рецирку­ляцию жидкости в теплообменных панелях приемника.

Время запуска. Желательно, чтобы время запуска станции после ночного перерыва было минимальным. Это позволяет доо — тиготь максимума выработки электроэнергии. На действующих станциях Eurelios Solar — 1 и Sunshine оно составляло ~2 ч. Желательно также, чтобы короткие перерывы в поступлении пря­мой солнечной радиации несущественно влияли на работу прием­ника. Уменьшение времени запуска достигается снижением скорости прокачки рабочей жидкости через приемник, сокраше­нием спины труб, а также введением рециркуляции рабочей жидкости. Параметры рабочего тела также очень существенны с этой точки зрения и будут играть первостепенную роль при полном сравнении работы станций с различными системами, ко­торые предполагается ввести в дальнейшем.

Эффективность теплового цикла. Достигнутый КПД нельзя рассматривать как удовлетворительный для станции промышлен­ного назначения. Более того, даже для действующих экспери­ментальных станций он невысок. На повестке дня-вопрос о его комплексном повышении с учетом работы ТАС.

Емкость системы аккумулирования. Для эксплуатационной гибкости нужна достаточна буферная емкость, однако опыт эксплуатируемых станций не дает возможности сформулировать этот критерий однозначно. Очевидно только, что слишком зани­женные емкости, такие, как у станции Eurelios (0,5 ч ра­боты на теплоаккумуляторе), явно недостаточны.

Надежность оборудования. Опыт работы станций Solar -1 и С RS показал наличие сложностей, связанных с подтеканием баков, разгерметизацией фланцевых соединений, насосов и помп Эти явления были множественными и связаны, по-видимому, с наличием тех же самых периодических тепловых напряжений и термических ударов, которые разрушительно действуют на при­емник радиации. Особое внимание приходится уделять качест­ву емкостей, находящихся под давлением.

Эффективность аккумулирования. Этот вопрос также важен с экономических позиций, особенно при использовании в качест> ве рабочего тела приемника пара высоких параметров. На Solar -1 непосредственно на приемнике генерируется пар 510 С/10, 3 МПа, а от системы аккумулирования только 273 С, 2,7 МПа. Общая эффективность термодинамического • преобразования падает при этом от 35 до 25%.

Аналогичная картина у станции CESA= 1:520 С, 10,0МПа от приемника, КПД 27,7% и’330°С, 1,53 МПа от аккумуля­тора, КПД 21%, а также и на других "пароводяных’ станци­ях: Eurelios и Sunshine. Если же для аккумулирования по­пользуется та же однофазная рабочая жидкость, что и в прием­нике, например жидкий натрий или расплав сопи, этой пробле­мы не возникает и потерь КПД на стадии аккумулирования не происходит.

Теплоносители. Используемый в настоящее время на ряде ртанций пароводяной цикл обладает хорошими характеристиками и представляет значительный практический интерес. Тем не менее для мощных промышленных станций будущего наиболее вероятными кандидатами в качестве теплоносителей солнечного приемника являются расплавы солей и жидкий натрий. Так, после ввода в эксплуатацию СЭС в Барстоу рассматривается вопрос о целесообразности использования на СЭС второго по­коления контура теплоотвода от центрального приемника соле­вым теплоносителем [8б| . По предварительным оценкам, при­менение такого теплоносителя позволит добиться значительно­го снижения капиталовложений в оборудование СЭС и понизить стоимость отпущенного киловатт-часа на 25% по сравнению с СЭС в Барстоу. Наиболее пригодным для этих целей является

супесь 60% NaN03= 40% KNO3, термически стабильная до 600 С и имеющая невысокую стоимость. Несмотря на то что при высоких температурах имеет место частичное разложение этой смеси с образованием нитритов, данный процесс не оказы­вает заметного влияния на характеристики теплоносителя. Эксперимент по коррозионной активности показал, что взаимо­действие этой смеси с большинством конструкционных мате­риалов приводит к их окислению; в ряде случаев образуется устойчивая защитная оксидная пленка, препятствующая разви­тию коррозии. Перспективным материалом для элементов соле­ного контура является сплав Incolloy 360 [801.

Отмечаются следующие преимущества расплава селитр как рабочего тела: очень высокие теплоаккумупирующие характе­ристики; относительно низкая цена, слабая химическая актив­ность при рабочих температурах (по 450°С), а отсюда и вы­сокая безопасность эксплуатации; достаточно высокий КПД по термодинамическому циклу; принципиальная возможность экстраполяции системы на станции больших мощностей (до со­тен мегаватт).

Экономический анализ СЭС башенного типа электрической мощностью 100-300 МВт с натрием в качестве теплоносите­ля первого контура показал, что при 13-часовом аккумулиро­вании СЭС данного типа могут быть конкурентоспособными со вновь создаваемым» ТЭС [80].

Применение натрия дает существенные преимущества перец водяным теплоносителем: элементы приемника и трубопроводы не работают под высоким давлением, что позволяет уменьшить толщину стенок; СЭС не надо останавливать для удаления на­кипи из трубок приемника, расположенного на большой высоте, и др. [ 99 ].

Для небольших солнечных установок (70-1000 кВт), ра­ботающих по циклу Решта при температурах 575-657 К, ре­комендуют в качестве теплоносителя толуол, который с уче­том стабильности, доступности и стоимости обеспечивает Наилучшие показатели (КПД 24%Д1187. Однако пожароопас­ность этого теплоносителя, безусловно, должна учитываться при проектировании и эксплуатации оборудования. В качестве теплоносителя первого контура предложено также использовать стабильное до 400 С Масло на кремнийоргамической основе,

SYLTHERM 800 [1Й1].

Разработчики СЭС ищут пути повышения их эффективности н в направлении совершенствования параметров термодинами— ческого цикла. Так, например, в [117] предложена и рассмот-

рена схема термодинамического преобразования солнечной энер гии, заключающаяся в использовании двух гелиосистем, первая из которых обеспечивает’4’ 40% подводимого в цикл тепла на уровне температуры испарения рабочего тела, а вторая выраба­тывает тепло более высокого потенциала для пароперегревате­лей. Эксплуатация элементов преобразования лучистого потоке на оптимальном уровне температур должна способствовать сне же шло потерь в окружающую среду и повышению эксергетичео — кого КПД. Сравнительная оценка показателей различных типов1 СЭС с циклом Пенкина позволила сделать вывод о неделе се, образности повышения температуры подвода тепла в цикл боль­ше 500 С при отсутствии топливного дублера вследствие рез­кого снижения КПД ЦП. Здесь же отмечена перспективность ва­рианте» с солевыми теплоносителем в первом крнтуре.

Каждая из тепловых схем действующих СЭС обладает свои­ми отличительными признаками и особенностями. На пяти из ; них применена одноконтурная схема с водяным паром в качест ве теплоносителя и рабочего тела. Режимы работы таких ста» ций, как и двухконтурных, будут иметь между собой много общего.

Режим работы СЭС. Возможные режимы работы СЭС с ис­пользованием в качестве теплоаккумулирующей среды расплав­ленной сопи (как наиболее перспективного, на наш взгляд, теплоносителя) проиллюстрированы на рис. 12 на примере ста» romCE’SA-l. В варианте 1 весь пар, вырабатываемый в при­емнике, направляется в турбину. В варианте 2 весь получае­мый пар используется для нагрева соли в системе аккумули­рования. В варианте 3, когда уровень инсоляции недостаточен для выработки пара в приемнике, турбина работает от пара пониженных параметров, получаемого в теплообменнике за счет отвода тепла от расплавленной соли. В варианте 4 при достаточном уровне солнечной радиации вырабатываемый пар частично подается на турбину, частично в АТ на нагрев рао — плава соли. В варианте 5 зарядки ТАС не происходит, а на турбину подается пар одновременно из солнечного парогене­ратора и из теплообменника системы аккумулирования. В ва­рианте 6 часть пара расходуется на разогрев солевого расппвг — ва, часть — подается на турбину. Одновременно с зарядкой ак­кумулирующей системы происходит ее разрядка с подачей па­ра пониженных параметров в турбину. И наконец, вариант 7 — при пониженном уровне инсоляции весь вырабатываемый пар идет на разогрев теплоаккумупируюшей "среды с одновременным разрядом аккумулятора,

42

Описанные выше возможные режимы работы будут характе­рны для любой "чисто солнечной" электростанции с системой аккумулирования. Их основные отличия будут заключаться в па раметрах рабочего тела и теплоаккумулирующей среды, а так­же во временных характеристиках процесса заряд/разряд ак­кумулятора.

Ниже кратко рассмотрены некоторые отличительные особен­ности тепловых схем действующих СЭС.

СЭС с термодинамическим циклом преобразования энергии в общем виде включает в себя следующие системы: оттиче о­кая система улавливания падающей радиации; теппоприемник для преобразования энергии солнечного излучения в тепловую, которая передается теплоносителю; система переноса теплоно­сителя от солнечного теплоприемника к аккумулятору или теп­лообменнику , в котором нагревается рабочее тело; система ак­кумулирования тепла; теплообменники, образующие горячий и холодный источники. В практике встречаются две принципиаль­ные схемы СЭС.

В первой схеме реализуется двух контурная компоновка. | В этом случае в солнечном теплообменнике происходит нагрев теплоносителя, который поступает в аккумулирующую систему, служащую источником тепла для рабочего тела, циркулирую­щего во втором контуре, Аккумулятор здесь выполняет роль буфера в системе солнечный теппоприемник — нагреватель ра­бочего тела.

Во второй одноконтурной схеме контур теплоносителя оцно — Бременно является и контуром рабочего тела. Рабочее тело нагревается в солнечном теплодриемнике и подается частично на вход тепловой машины, частично в аккумулятор. .

В первой схеме по сравнению со второй происходит в сред­нем большее снижение температурного напора в процессе аккумулирования, возврата теплоносителя и при теплообмене между теплоносителем и рабочем телом. Во второй схеме по­тери происходят лишь при аккумулировании и возврате тепло­носителя. Однако при двухконтурной схеме параметры рабочего тела на входе в тепловую машину не подвержены случайным колебаниям, что характерно для одноконтурной схемы, которая. для стабилизации параметров требует более сложную систему регулирования.

В существующих СЭС башенного типа используются следую­щие теплоносители и рабочие тела: вода (водяной пар), натрий, расплав солей, воздух и гелий. При использовании в* схеме СЭС натрия и расплава солей нужны два контура — теплоносителя и рабочего тела, в качестве которого чаше всего служит вода. При этом реализуется паросиловой цикл Ренкина. Когда же ра­бочим телом является воздух или гелий, реализуется цикл Брайтона.

Разработка СЭС с циклом Брайтона в настоящее время осу­ществляется в основном по комбинированной схеме, т. е. с по­догревом рабочего тепа (воздуха) в камере сгорания путем сжигания органического топлива. Комбинированным схемам посвящена гл. 4; здесь же будут анализироваться тепловые схемы, параметры термодинамического цикла и состав техноло­гического оборудования СЭС башенного’ типа с циклом Ренкина.

При разработке проектов первых СЭС с термодинамическим циклом преобразования проектировщики стремились максималь­но использовать стандартное тепломеханическое оборудование [115]. Так, турбоагрегаты крупных СЭС практически не тре­буют больших специальных разработок и являются типовыми и отработанными ©лементами традиционной энергетики. При кон­струировании солнечных теплоприемников и теплообменни­ков для получения рабочего тепа нужных параметров. во всех проектах по мере возможности обеспечивалось соответствие выходных параметров (давление, температура) входным параметрам турбин. Параметры рабочего тела, гене­рируемого за счет аккумулированного тепла при одноконтур — ■ н°й схеме, всегда ниже параметров, получаемых на выходе из приемника солнечного излучения. В этом случае требуется,

турбина с двумя входами: для острого пара и пара пониженных параметров, что приводит к снижению мощности станции во Ире мя разряда аккумулятора. Паровые турбины пригодны к исполь­зованию в широком диапазоне изменений размеров, конструкций и эксплуатационных условий, хотя отмеченная выше особенность несколько ограничивает выбор турбин достаточно большой мощности (200 МВт и более). Следует отметить, что и соз­дание крупных стационарных ГТУ (100 МВт и выше) связано ; с решением целого ряда важных задач. Прежде’всего, необ — ■ ходимо повысить начальную температуру газа перед турбиной, « чтобы повысить КПД цикла. Это требует создания новых жаро-4 прочных материалов, способных устойчиво и длительно работат* при максимальных температурах. Не решена также и проб — j лема повышения эффективного КШД компрессора.

Из пяти возможных теплоносителей и рабочих тел ‘(вода/пар расплавленная соль, натрий, воздух и гелий) наиболее распро­страненным и технически доступным является водяной пар. При! менение в качестве рабочего тела водяного пара в сочетании с аккумулятором тепла, хотя и не является оптимальным вари­антом, но зато может быть осуществлено без особых техни­ческих новшеств, что немаловажно при создании такого нового энергетического объекта, как СЭС. Это нашло свое отражение и на практике — на пяти из семи действующих СЭС теплоноси­телем и одновременно рабочим телом является водяной пар. Разработка проектов СЭС с использованием в тепловой схеме приемника воды пара осуществлялась компаниями Honeywell Martin Marietta и McDonnell Douglas по заказу ми­

нистерства энергетики США. Принципиальная тепловая схема по концепции компании Honeywell представлена на рис. 11.

Работа станции может осуществляться следующим образом. При уровне инсоляции, достаточном для генерирования пара тр буемых параметров, часть пара, вырабатываемого в солнеч­ном парогенераторе, направляется на вход паровой турбины, где, проходя по ступеням, пар совершает работу расширения, приводя во вращение электрический генератор. Отработавший пар конденсируется и через систему регенеративных подогре­вателей подается на вход солнечного парогенератора. Другая часть пара, проходя через двухступенчатую систему теплового аккумулирования, отдает тепло вначале расплаву солей типа Hitec, а затем — маслу и конденсируется. Расплавленная соль собирается в горячем баке, а разогретое масло нагревав! гравий в масляно-гравийном аккумуляторе, работающем с ис­пользованием эффекта Thermociine Іскачок температуры).

Конденсат hapa. сливается в деаэратор.

‘ При недостаточном уровне инсоляции турбина работает на паре пониженных параметров, генерируемом низко — и высоко — ‘Температурной системами аккумулирования, причем ббпьшая часть тепла накапливается в низкотемпературной ступени. Пи­тательная вода в этом случае подается через систему тепло­обменников, где вначале получает тепло от разогретого мао — па. а затем — от расплавленной соли. Масло и соль, отдавшие свое тепло на подогрев воды, парообразование и перегрев па-

ра, спиваются, соответственно, в нижнюю часть маспяно-га — печного аккумулятора и холодный бак.

В отличие от концепции компании Honeywell для СЭС электрической мощностью ЮО МВт, включающей в себя 4 мо. дуля, компания Martin Marietta для СЭС электрической

мощностью 150 МВт предложила 15 модулей, считая, что такая концепция обеспечит максимальный КПД оптической сио. темы, термическую эффективность, надежность JI гибкость ЭКО плуатации СЭС, В соответствии с этой концепцией сконцентри рованные солнечные лучи направляются на вход полостного солнечного парогенератора каждого из 15 модулей, где пита­тельная вода преобразуется в пар, который через коллектор­ную систему поступает на вход паровой турбины и в тепловой аккумулятор.

Недостатком этой концепции является наличие длинной и раЯ ветвленной системы трубопроводов, вызывающих значительные! перепады давления ( ~ 138 МПа) между солнечными прием- I никами и паровой турбиной. С другой стороны, такая много — > модульная конструкция позволяет осуществлять необходимые ■ ремонтные и профилактические работы на одном или на нескош| ких модулях, сохраняя при этом жизнеспособность станции в цепом, хотя и при меньшем уровне располагаемой мощности.

Система аккумулирования тепла в концепции компании Martin Marietta также двухступенчатая: низкотемпературная ступень на основе органического масла и высокотемператур­ная — на основе расплава солей. Такая система аккумулиро­вания включает в себя достаточно большое число различных емкостей для горячих и холодных теплоаккумулирующих сред, а также распределительные клапаны и запорно-регулируюшую арматуру.

В отличие от двух вышеуказанных концепция, компании McDonnel Douglas (США) для СЭС электрической мощностью 100 МВт включает в себя одномодупьную конструкцию, но с большей высотой башни (268 вместо 90 м) в концепции ком­пании Martin Marietta (США). Применяемый при этом солнечный приемник открытого типа, хотя и Имеет более низкую, чем полостной, эффективность, требует меньше капи-^ галовложений, что в какой-то степени компенсирует большее! количество гелиостатов, необходимых для получения одной и! той же выходной МОЩНОСТИ. ■

В концепции компании McDonnell Douglas (США) отражен­ное с гелиостагного поля солнечное излучение направляется на круговой 24-панельный приемник, шесть панелей которого

обращенных к югу, служат для нагрева питательной воды. Пере­гретый пар от приемника затем направляется к тепловому ак­кумулятору и паровой турбине, в которой предусмотрена воз­можность подачи пара высоких и пониженных параметров. Сио — тема аккумулирования основана на эффекте Thermocline, когда горячая и холодная среда содержатся в одной емкости и имеют большой температурный градиент. Поскольку аккумулирующая среда — масло — является относительно дорогим продуктом, на­ряду с, ним используется гравийная засыпка. Из-за темпера­турных ограничений для масла параметры пара, получаемого на выходе аккумулятора, ниже параметров острого пара, в свя­зи с чем термодинамическая эффективность цикла преобразова­ния снижается.

Уже при разработке первых проектов экспериментальных СЭС возникла острая необходимость в специальных методах расчета и имитационного моделирования работа оптических си тем. Специфика оптической системы СЭС проявляется в дис­кретности, многоэлементности и изменяющейся во времени геометрии зеркальной поверхности.

Несмотря на простоту законов, описывающих элементар­ное отражение пучка солнечных лучей от плоской зеркальной фацеты, дискретность системы затрудняет применение к описа нию ее работа аналитических методов, подобных методам опи­сания работы фокусирующих систем зеркальных концентратора солнечных печей. Многоэлементность и изменение во времен геометрической формы концентрирующей системы СЭС требую1 для расчета интегрального эффекта многократного повторения однотипное вычислительных процедур, учитывающих характерно тики элементарных отраженных пучков лучей, собирающихся нг приемнике СЭС.

Эти особенности оптических систем СЭС явились пред­посылками к применению машинных методов моделирования их работы и стимулировали параллельное развитие расчетных ал­горитмов в различных странах [2,3,7,31,56,58,72,85,112, 145]. Для этапов становления этого направления как в CCCI так и за рубежом характерно параллельное развитие в расчет но-проектных и теоретических работ, Тесная связь между со­вершенствованием расчетных методов и конкретными запросаі проектной практики.

Оптическая система СЭС должна удовлетворять комплексу противоречивых технических требований и условий и представ­ляет собой обширное поле для постановки и решения разно­образных оптимизационных задач.

Отечественная практика применения машинных методов проектирования оптических систем СЭС [2,3,7,9,31] сло­жилась в ходе разработок экспериментальной станции СЭС-5 и обосновывающих материалов проектирования и строительств! СТЭС промышленного уровня мощности на территории Уз. СС При работе над этими проектами были предложены методы ре шения прямых задач широкоапертурной оптики зеркальных сио тем с изменяемой геометрией. Постановка прямой задачи пре полагала непосредственный расчет оптико-энергетических ха­рактеристик заданной оптической системы, анализ характерны потерь и прослеживание динамики изменения тепловых нагруз<

на приемнике излучения. Отбор приемлемых вариантов геометрии оптической системы проводился методом проб и ошибок или прямым сравнением результатов многовариантных расчетов энергетических характеристик системы.

Этот этап позволил установить ряд априорно неочевидных свойств многоэлементных зеркальных систем и разработать систему рациональных приближений, ускоряющих процесс ма­шинных вычислений и позволяющих моделировать все более сложные и многообразные ситуации. Это создало предпосылки для постановки обратных задач, предполагающих оперирование с целыми классами решений и предназначенных для параллель­ного сравнительного анализа различных глобальных геомет­рий оптической системы.

В настоящее время это направление развивается в плане создания программного обеспечения систем автоматического проектирования СЭС. В состав многоуровневой иерархической структуры серии машинных программ систем автоматического проектирования СЭС входят алгоритмы обработки исходной климатической информации, программы вычисления параметров обобщенных локальных характеристик затенения и блокировки зеркальных элементов, алгоритмы машинной "упаковки" зер­кального поля, алгоритмы оптимального заполнения земельного участка заданным количеством зеркальных элементов и алго­ритм оптимизации размеров приемника и режимных параметров теплосиловой подсистемы СЭС.

Основной проблемой разработки оптической системы СЭС является системное согласование и определение оптимального сочетания параметров зеркального поля, геометрии приемника и номинальных режимных характеристик системы преобразо­вания энергии. Поэтому иерархия машинных алгоритмов рас­считана на параллельный анализ ряда конкурирующих оптичео — ких схем с различными типами геометрии приемника, включая варианты с несколькими приемниками, расположенными на одной башне. Целевой функцией оптимизационной задачи является среднеэксплуатационное значение полезного теплового потока, поступающего в систему преобразования энергии при заданной суммарной площади зеркальной системы.

Завершением серии программ, посвященных выбору и опти­мизации оптической системы СЭС, является набор алгорит­мов решения задач, предназначенный для детального анализа оптико-энергетических характеристик отобранных решений. Он основан на ранее разработанных алгоритмах прямого расчета характеристик оптической системы с заданной геометрией [ 7, 31]. Блок-схема алгоритмов представлена на рис. 8.

В имитационную модель вводятся среднестатистические климатические характеристики района расположения СЭС и географическая широта местности, nb которым во внутренни блоках модели вычисляются положения Солнца и наиболее роятный уровень прямой солнечной радиации в различное вре мя рабочего дня СЭС, в разные. сезоны года. ;

Кроме того, в модель закладываются основные геометри-j ческие характеристики оптической системы: габариты зеркал ного поля и отдельных гелиостатов, расстояния между зерка 28

лами и способ их взаиморасположения, высота башни, размеры приемника, допуск на точность ориентации гелиостатов и т. п.

Алгоритм вычисления строится в виде иерархий вложенных друг в друга, циклически повторяющихся подпрограмм. Внеш­ние циклы организуют последовательность перебора рассматри­ваемой совокупности вариантов расчета и могут изменяться в зависимости от постановки задачи на данном этапе исследо­вания.

Например, при исследовании энергетических характеристик конкретного варианта компоновки оптической системы с фик­сированными геометрическими параметрами внешние циклы осу­ществляют перебор различных моментов рабочего дня СЭС в разные сезоны года, так что для данной оптической системы может быть прослежена динамика изменения оптических и энергетических характеристик во времени, а также могут быть рассчитаны среднегодовые значения соответствующих величин.

Другим примером может служить исследование энергетичео — ких характеристик оптической системы в зависимости от ее геометрических размеров. В этом случае внешние циклы осу­ществляют перебор исследуемой совокупности значений геомет­рических параметров систем. Таким образом могут быть опре­делены, например, зависимости коэффициента улавливания от соотношения между размерами приемника и единичного гелио­стата, зависимость самозатенения зеркальной системы от ко­эффициента заполнения земельного участка зеркальной поверх­ностью, зависимость блокировки зеркал от высоты башни и т. п. Эти зависимости могут рассматриваться для данного характе­рного момента времени или усредняться по дневному, месячно­му, сезонному или годовому периоду работы СЭС.

Внутренние циклы программы вычислений при всех указанных постановках задачи остаются, как правило, неизменными. На рис. 8 они выделены вложенными друг в друга пунктирными прямоугольниками. В качестве основной самостоятельной еди­ницы вычислительной программы может быть принято вычисле­ние распределения поверхностной плотности потока излучения Для фиксированной совокупности точек приемника. Эта едини­ца вычислительной программы организуется с помсдью приве­денной ниже последовательности циклов.

Внешний цикл данной подпрограммы осуществляет перебор отдельных гелиостатов зеркальной системы. Для каждого ге­лиостата определяются границы затененной и блокированной областей зеркальной поверхности.

Следующий по уровню вложения никл перебирает точки при-

емника. В плоскости каждого гелиостата для каждой точки приемника определяется положение и размер изображения Солн­ца (с учетом сшибок систем слежения).

Изображение разбивается на равновеликие по угловым раз­мерам элементы, и самый внутренний цикл подпрограммы осу­ществляет перебор этих элементов. Для каждого элемента про­веряется следующее:

1) расположен ли данный элемент в пределах озеркаленной области плоскости гелиостата;

2) не принадлежит ли он затененной области;

3) не принадлежит ли он блокированной области.

Отношение числа элементов изображения, принадлежащих об­ласти зеркала, свободной от затенения и блокировки, к общему числу элементов изображения, умноженное на косинус угла па­дения лучей от гелиостата на поверхность приемника, равно вкладу, вносимому данным гелиостатом в суммарный геометри­ческий коэффициент концентрации излучения в данной точке приемника. При суммировании элементов изображения каждому элементу должен быть приписан вес, пропорциональной яркости данного элемента.

Суммирование элементарных вкладов отдельных гелиостатов осуществляется последними операторами цикла, перебирающего гелиостаты зеркального поля.

В процессе вычислений определяются значения ряда вспомо­гательных величин,^таких, как средние по полю значения фак­тора косинуса cos ф, фактора затенения г, фактора блокировки /3, коэффициента эффективности использования зеркальной повер> ности 7)Q, коэффициента улавливания у. значение суммарного потока Q0Tp, отраженного зеркальной системой, и суммар­ного потока^ Qnr, падающего на приемник.

Блочная структура программы облегчает управление про­цессом вычисления и допускает различные модификации, в частности вычисление распределений локальных значений факто­ров cosф } т, /3, TjQt не требующее обращения к блокам программы, расположенным на рис. 8. ниже горизонтальной пунктирной линии.

С помощью системы алгоритмов решения прямых задач оптики СЭС в 1978-1980 гг. были исследованы сравнитель­ные характеристики эффективности различных структур поля гелиостатов. Предлагавшиеся на предварительной стадии об­суждения проекта СЭС-5 строго периодические прямоугольные, гексагональные и другие структуры с постоянным по всему по­лю коэффициентом заполнения были признаны неэффективными.

В качестве примера на рис. 9 представлено распределение эффективности использования зеркальной поверхности по площа­ди поля гелиостатов со строго периодической гексагональной структурой. Как видно, периодическая структура имеет харак­терные выделенные радиальные направления с уменьшенной эффективностью использования зеркальной поверхности, обус­ловленной блокировкой гелиостатов.

В дальнейшем была выбрана в качестве оптимальной упоми­навшаяся выше радиально-круговая шахматная структура рас­положения гелиостатов с переменным коэффициентом заполне­ния, уменьшающимся в радиальном направлении от башни к пе­риферии зеркального поля.

Итогом расчетов по рассматриваемой цепочке алгоритмов является распределение плотности сконцентрированного потока излучения по поверхности приемника. На рис. 10 представлено такое распределение, рассчитанное в процессе разработки обос­новывающих материалов строительства четырехмодульной (каж­дый модуль по башенной схеме) промышленной станции СЭС — 200 в Крыму.

СЭС CRS башенного типа имеет электрическую, мощность 0,5 МВт [47, 61, 64, 81, 101, 106] (см. табл.’1). Эта станция входит в состав Центра гелиотехнических исследован! в Альмерии (рис. 7). Ее строительство обошлось в 37 млн. марок ФРГ. Станция была введена 21 сентября 1981 г.

Станция CRS имеет небольшое зеркальное поле, состоящее всего из 9 3 гелиостатов по 39 м“, с общей площадью зер­кальной поверхности, 3,7 тыс. и отражательной способ­ностью 0,91. Поле имеет секторную форму и радиально-кругс вую шахматную структуру расположения гелиостатов.

Полостной приемник с входным отверстием 9,7 м^ распо­ложен на башне высотой 43 ми выполнен в виде вертикальне вогнутой цилиндрической поверхности с ^глом охвата 120 Температура приемника составляет 530 С, Отличительная осе бенность проекта состоит в применении двухконтурной тепло­вой схемы с жидкометаллическим натрием в качестве теплоно сителя в первом контуре.

Рис. 7. Солнечная электростанция CRS

СЭС Eurelios построена вблизи Адрано на о. Сицилия (Италия) [34, 36, 38, 54, 64, 65 (см. табл. 1). В ее стрс ительстве принимали участие фирмы Франции, Италии и ФРГ под руководством комиссии Европейского экономического сооб щества. Стоимость строительства — 11 млн. долл. Станция введена в мае 1981 г.

Электрическая мощность Eurelios 1 МВт. Зеркальное noj этой станции (рис. 4) имеет секторную форму и составляло ие гелиостатов двух типов. В левой (от башни) части сектора расположено 70 гелиостатов фирмы Cethel, каждый по

2

53,7 м. В правой части сектора расположено 112 гелиоста­тов фирмы МВВ (ФРГ) по 21,8 м2 каждый. Отражательная способность зеркал гелиостатов Cethel и МВВ составляет, соответственно, 0,77 и 0,85.

Общая площадь зеркальной поверхности равна 6,2 тыс. м* Структура поля образована прямолинейными рядами гелиоста­тов (по линии восток-запад). Шаг между рядами подобран соответственно размерам каждого из типа гелиостатов и уве­личивается от башни к периферии поля.

Высота башни составляет 55 м. На ее варшине установлен полостной приемник в форме цилиндрической полости с вход­ным отверстием диаметром 1,5 м, плоскость которого наклоне­на на 20° от вертикали в сторону поля гелиостатов. Приемная поверхность образована спиралевидным трубчатым экраном, температура которого достигает 512°С.

В Альмерии (Испания) создан Центр гелиотехнических ис­следований в состав которого входят три СЭС малой мощное ти. Две из них, CESA -1 и CRS — башенного типа, третья, DSC — модульного типа с параболодилиндрическими концентрат рами. Общий вид центра приведен на рис. 5.

СЭС CESA-1 имеет мощность 1,2 МВт [96, 101, 129, 143} (см. Табл. 1). Ее строительство обошлось в 38 млн. марок ФРГ и было организовано министерством промышленное ти и энергетики. Руководство проектом осуществлял Институт космических исследований и испытаний ФРГ. Первоначально ввод CESA -1 был намечен на конец 1982 г., но ввиду тех­нических неполадок в системе приемника был осуществлен только в 1984 г.

Зеркальное поле CESA -1 (рис. 6) состоит из 300 ге­лиостатов фирмы Martin Marietta Aerospace по 38 м^ каж­дый с отражательной способностью 0,87, имеет суммарную площадь зеркальной поверхности 11,4 тыс. м^ и секторную форму. Гелиостаты расположены прямолинейными рядами, как и в поле зеркал Eurelios. ^Полостной приемник с площадью входного отверстия 11,6 м установлен на башне высотой 60 м и имеет температуру 520 С.

Строительство экспериментальной СЭС THEMIS (см. габл. 1) [39, 41, 43, 46, 47^ 63, 75, 97, 118, 141,

142] организовано Electricite de France и Националь­

ным центром научных исследований. Строительство велось с 1979 г. и обошлось в 128 млн. фр., пуск станции состоялся в 1982 г.

СЭС THEMIS рассчитана на номинальную электрическую мощность 2,5 МВт. Обший вид THEMIS представлен на рис. 3. Зеркальное поле состоит из 201 гелиостата общей пло­щадью 10,8 тыс. м^, расположено на участке земли в 0,07 км^. В отличие от всех других проектов эксперимен­тальных СЭС THEMIS расположена не на плоской площадке, а на южном склоне, имеющем наклон 15° к горизонту. Гелио­статы THEMIS разработаны фирмой Cethel (Франция) [43] , имеют площадь 53,7 м^ и отражательную способность 0,90.

Приемник станции [63 ] полостного типа с квадратным входным отверстием 4 мх 4 м и глубиной 3,5 м расположен на отметке 80 м башни обшей высотой 101,5 м. Плоскость

входного отверстия приемника наклонена на 30° от вертикали в сторону зеркального поля. Температура поверхности лучевое принимающих поверхностей приемника достигает 505°С. В ка­честве теплоносителя используется расплав солей.

Первая отечественная экспериментальная солнечная электро­станция СЭС-5 расположена в Крыму вблизи поселка Щепки — но [Ю, 11, 12, 13,16-18]. Комплекс научно-технических и конструкторских разработок, проектирование и строительство СЭС-5 осуществлены организациями Минэнерго СССР. В 1985 г. задействован пусковой комплекс станции. Стоимость технологических сооружений станции вместе с разработкой и изготовлением оборудования составляет 26 млн. руб. Макси­мальная электрическая мощность СЭС-5 равна 5 МВт, рас­четная срецнеэксппуатационная за год ~ 3,5 МВт. Общий вид СЭС-5 приведен на рис. 2.

Оптическая система СЭС-5 представляет собой круговое кольцевое попе гелиостатов с внутренним и внешним радиусами кольца 79 и 213 м соответственно. В кольцевом попе распо­ложено 1600 гелиостатов суммарной площадью 40 тыс. м^. Гелиостаты сгруппированы в 20 кольцевых круговых рядов с переменным шагом по радиусу между рядами. Расположение^ гелиостатов в соседних рядах шахматное. Средний коэффициент заполнения земельного участка зеркалами Кзап = 0,32. Участок земли, отведенный под гелиостаты, имеет площадь 0,12 км*% Общая площадь застройки составляет 0,15 км^.

Проектирование СЭС-5 так же, как и проектирование ряда зарубежных экспериментальных СЭС, велось параллельно с разработкой обоснований будущих промышленных СЭС. Для СЭС-5 такой перспективой является проект СЭС-200 (позднее СЭС-320), рассчитанный на условия Крыма. СЭС-5 разра­батывалась как модель (в масштабе мощности 1:10) одного из четырех модулей 50 МВт станции СЭС-200.

‘ При подготовке этих проектов в 1977-1981 гг. проводи­лось математическое моделирование работы зеркальных сис­тем СЭС, рассматривались различные формы зеркального поля и структуры расположения гелиостатов [7, 31] .

Оптимальной, как и в исследованиях зарубежных авторов tLl, 145], признана радиально-круговая шахматная компонов­ка с переменным радиальным шагом между концентрическими рядами. Отличие оптической системы СЭС-5 от Solar -1 сос­тоит р том, что глобальная форма поля представляет собой

17

правильное круговое кольцо, а не эллипс. Подобные детали на чфовне экспериментальной СЭС не представляют большого раз­личия, но являются одним из главных вопросом оптимизации оптических систем крупных промышленных СЭС.

Расчет зеркального поля СЭС-5 проведен ЭНИНом и НПО »Солнце’ АН ТССР. Конструкция геелиостатов СЭС-5, состоя­щих из 45 зеркальных фацет и имеющих площадь 25,5 м^, разработана Проектно-конструкторским бюро Главэнергострой — механизации и изготовлена Чеховским опытным заводом Гид — рос тальконструкция Минэнерго СССР при участии заводов Минстанкопрома и Минхиммаша. Отражательная способность зеркал, изготовленных Минстройматериалов СССР, составляет 0,71.

Башня с приемником расположена в геометрическом центре кольцевого поля зеркал. Высота башни составляет 89 м. Приемная поверхность в виде цилиндра высотой 7 и диамет­ром 7 м расположена между отметками высот 71 и 78 м. Номинальная температура теплоносителя в приемнике 250 С, температура открытой пучевоспринимающей поверхности на несколько градусов выше.

Организацию строительства СЭС Solar -1 осуществляло министерство энергетики США при участии компании Southern California Edison (США) и департамента водоснабжения и энергетики Лос-Анджелеса [30, 32, 57, 59, 69, 70, 73,

103, 119-124, 136, 150]. Строительно-монтажные работы были закончены в октябре 1981 г., а 14 апреля 1982 г. станция была введена в действие.

Первоначально ее строительство оценивалось в 120 млн. долл., окончательная стоимость ее сооружения составила 141 млн. долл. Solar -1 имеет номинальную мощность 10 MBi и построена по схеме СЭС башенного типа. Башня высотой 91 м с приемником солнечного излучения окружена полем гелиостатов. Общий вид Solar -1 приведен на рис. 1.

Площадка Solar -1 занимает земельный участок площадью 0,31 км^ в форме эллипса с осями 685 и 585 м. Непосред­ственно под гелиостаты отведен участок земли площадью •

0,28 км2. Площадь ~ 0,03 км2 занята постройками и тех­нологическим оборудованием, расположенным у основания баш­ни, а также транспортными путями, проложенными на поле гелиостатов.

Зеркальная система Solar -1 образована 1818 гелиоста­тами с общей площадью 73,2 тыс. м2. Средний коэффициент заполнения земельного участка зеркалами составляет, fc3an =

= 0,26.

Для расположения гелиостатов принята радиально-круговая шахматная компоновочная схема. Эта схема была признана оптимальной после длительного цикла расчетных исследований, проведенных в университете г. Хьюстона в 1973-1980 гг. [145]. Каждый гелиостат производства фірмьі Martin Marietta Aerospace (США) состоит из 12 зеркальных фацет с высо­кой отражательной способностью р = 0,90.

14 ‘

Приемник станции имеет форму цилиндрической мишени вы­сотой 13, диаметром 7,2 м и площадью облучаемых панелей 294 м2. Температура его поверхности достигает 520°С.

СЭС является сложной многоуровневой технической системой, предназначенной для преобразования в промышленных масштабах энергии солнечного излучения в электрическую. На разных эта­пах проектирования такой системы возникает ряд задач, тре­бующих специального исследования.

Наименее изученной и наиболее дорогостоящей частью СЭС является оптическая система, состоящая из множества отдель­ных зеркал-гелиостатов и пучевоспринимающей поверхности приемника, расположенного на башне. С оптимизацией этой системы связаны значительные резервы улучшения технических и экономических показателей СЭС.

Данная глава посвящена принципам построения оптических систем СЭС, вопросам математического моделирования и опти­мизации режимов работы рагпичных вариантов оптических сис­тем СЭС, анализу их оптико-энергетических характеристик.

В современной научно-технической литературе-сложился оп­ре цеп еннный стереотип,, согласно которому термодинамическая СЭС рассматривается в качестве своеобразной модификации традиционной ТЭС, в которой первичный топливный источник энергии заменен новым ‘солнечным’ источником, что допуска­ет применение обычной энергетической терминологии,, однако не совсем раскрывает специфическую проблематику создания СЭС.

Проблема преобразования солнечного источника энергии состоит в том, что параметры излучения и непосредственный тепловой эффект^ получаемый в естественных наземных’усло­виях, позволяют преобразовать первичный поток солнечной радиации низкой плотности только в низкопотенциальное тепло. Для согласования параметров лучистого потока с высокими термодинамическими характеристиками теплосиловых установок в современных схемах СЭС используется принцип предвари­тельной концентрации излучения, известный из опыта создания высокотемпературных солнечных печей. Однако применение прин­ципа концентрации первичного потока радиации с помощью зер­кальных систем указывает лишь концептуальное решение проб­лемы и в свою очередь порождает круг проблем зеркальной оп­тики крупномасштабных широкоапертурных концентраторов с из­меняющейся геометрией.

Концентрация излучения, собираемого с большой площади и сосредоточиваемого на относительно малой приемной поверх­ности, является термодинамической необходимостью и позволя­ет преобразовывать лучистую энергию в тепло и передавать ее теплоносителю на достаточно высоком температурном уровне, обеспечивающем высокий КПД дальнейшего преобразования энергии в теплосиловой установке.

Первичное улавливание лучистого потока осуществляется отдельными зеркальными элементами — гелиостатами. Гелио­статы заполняют определенный земельный участок и направ­ляют отраженное излучение на центральный приемник, располо­женный на вершине башни.

СЭС башенного типа большого масштаба с ЦП энергети­чески выгоднее СЭС с распределенным приемником, так как передача энергии в форме излучения от гелиостатов к прием­нику осуществляется практически без потерь в отличие от пе­редачи тепла теплоносителем от приемников малых рассредо­точенных концентраторов к центральной теплосиловой установ­ке [116] или от схем с большим количеством относительно малых самостоятельных энергетических модулей [132].

Изменение геометрии оптической системы в течение дня является основной характерной чертой работы наземной СЭС. Космическую СЭС можно объединить в единую жесткую кон­струкцию, подобную концентратору СОЛШЧНОЙ печи и ориенти­руемую как целое относительно Солнца. В наземных условиях подобный принцип реализован в крупногабаритных зеркальных радиотелескопах, но для крупных СЭС он неприменим. Попыт­ка сохранить этот принцип была предпринята в первом проек­те башенной СЭС [ 1 ], в котором зеркала перемешались по ‘ концентрическим рельсовым путям вокруг башни. В реализо­ванных проектах экспериментальных СЭС принцип моноконцен­тратора не применялся, но время от времени он встречается в предложениях по созданию СЭУ мощностью до 2 МВт [29, 137].

В современных проектах [8, 40, 69, 73, 75, 78] по­зиции зеркал фиксированы, изменяется лишь их ориентация. Зеркала ориентируются так, чтобы при изменении направления падающих лучей, обусловленном видимым перемещением Солн­ца, направления отраженных потоков оставались бы постоян­ными и для каждого гелиостата совпадали с направлением из­лучения на неподвижный приемник. Для этого зеркала снабже­ны механизмами ориентации и автоматикой, изменяющими ори­ентацию каждого гелиостата так, чтобы нормаль к зеркалу в любой момент времени совпала с биссектрисой плоского угла, образованного направлениями гелиостат-Солнце и гелиостат­приемник.

Характерные потери оптико-геометрического происхождения являются следствием отказа от перемещения позиций зеркал. Наряду с ними имеются оптико-физические и тепловые потери.

Потери проекции зеркальной поверхности неизбежны для на­земной СЭС с фиксированным зеркальным полем, В каждый данный момент наиболее эффективно работают те зеркала, для которых направления на Солнце и на приемник близки. Они почти перпендикулярны лучам и перехватывают максимально воз­можную часть первичного потока. Пределы азимутального пе­ремещения Солнца очень широки, поэтому ни один фиксирован­ный гелиостат не находится в оптимальных условиях в течение всего дня. Ввиду преимущественного дневного движения Солн­ца в южной части небесной сферы гелиостаты, расположенные к северу от башни, работают в среднем более эффективно.

Эффективная площадь гелиостата определяется проекцией зеркала на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам. Сио — тема зеркал не может уловить поток, больший падающего в данный момент на отведенный под нее земельный участок.

А этот предельный поток в свою очередь определяется проек­цией земельного участка на плоскость, перпендикулярную лучам.

Потери затенения зеркальной поверхности возникают при низком положении Солнца, когда проекция земельного участка становится меньше суммы проекций зеркал и когда проекции отдельных зеркал пересекаются с точки зрения наблюдателя, смотрящего на поле со стороны Солнца.

Коэффициент заполнения земельного участка зеркалами, равный отношению площади гелиостата к площади отведенной под него земли, связан с уровнем угловых высот Солнца, ни­же которого начинается затенение. Чем ниже коэффициент за­полнения, тем ниже этот уровень. Однако эта связь неодно­значна, так как при одном и том же значении коэффициента ‘заполнения геолиостаты могут быть по-разному расположены один относительно другого.

Потери блокировки зеркальной поверхности аналогичны по­терям затенения, но относятся не к падающему, а к отражен­ному излучению. Они возникают тогда, когда проекции зеркал пересекаются с точки зрения наблюдателя, смотрящего на зеркала со стороны приемника. В отличие от затенения, при котором рассматривается проекция зеркал на единую плоскость, перпендикулярную всему потоку падающих лучей, блокировка

определяется центральной проекцией на сферическую поверх­ность, перпендикулярную отраженным лучам, сходящимся к приемнику. Другое отличие состоит в том, что стремление ис­ключить потери блокировки приводит к необходимости приме­нять переменный по полю коэффициент заполнения. Дальние от башни гелиостаты должны быть удалены друг от друга в ради­альном направлении на большие расстояния, чем ближние.

Расхождение лучей в каждом элементарном потоке, отражен­ном от единичного гелиостата, также косвенно связано с поте­рями определенного рода. Уже сам первичный поток лучей не вполне параллелен, так как Солнце не является точечным ис­точником. При отражении потока на эту первичную непараллель­ность накладываются дополнительные отклонения лучей, связаннь с дефектами зеркала. Наконец, системы ориентации гелиостатов также вносят ошибки. Так как нас интересует интегральный эффект от многих гелиостатов, то можно рассматривать сум­марный эффект влияния дефектов зеркала и ошибок ориентации и описывать этот эффект некоторым среднестатическим зако­ном расхождения лучей в отраженном потоке.

Потери неполного улавливания приемником отраженного по­тока обусловлены расхождением лучей и могут снизить полезны вклад гелиостатов периферийной части поля. Эти потери зави­сят только от соотношения геометрических размеров гелиоста­та, приемника и расстояния между ними и не связаны с рассе­янием излучения атмосферой. Толща земной атмосферы отсеи­вает спектральные компоненты, подверженные поглощению и рассеянию, уже на пути солнечного луча к гелиостату, так что оставшаяся часть спектра практически не ослабляется при. дальнейшем следовании луча от гелиостата к приемнику Даже при больших расстояниях между ними.

Потери неполного отражения обусловлены оптико-физичес­кими свойствами и состоянием зеркального покрытия гелиоста­тов и в отличии от потерь оптико-геометрического происхож­дения являются постоянно действующим фактором, который описывается коэффициентом отражения. Коэффициент отражения зависит от угла падения лучей, но этот эффект второго поряд­ка практически не влияет на характеристики СЭС. Реальное влияние на работу СЭС может оказать ср е д неэ кспп уа таци о нны й уровень запыленности зеркальной поверхности.

Тепловые потери с лучевоспринимающей поверхности прием­ника определяются режимом работы теплосиловой установки СЭС. Ознако они должны учитываться в схеме расчета опти­ческой системы, так как приемник является ее неотъемлемой 12 частью и тепловые потери зависят от тех же параметров (фор­мы и размеров приемника), которые влияют на потери непол­ного улавливания лучистого потока.

Именно эта связь и составляет основную проблему проек­тирования оптических систем СЭС. Оптическая система должна удовлетворять набору противоречивых требований. Например, зеркала должны достаточно плотно заполнять земельный учао — ток, чтобы собирать и отражать на приемник достаточно боль­шую долю падающего на этот участок первичного потока ра­диации. Вместе с тем зеркала не должны затенять и блокиро­вать друг друга во избежание потерь эффективной площади суммарной зеркальной поверхности. Зеркальная система должна создавать достаточно высокую плотность потока излучения на ‘ пучевоспринимающей поверхности и, следовательно, содержать большое число отдельных элементов. Но увеличение числа эле­ментов требует наращивания периферийной части поля, гелио­статы которой вследствие эффекта расхождения лучей вносят (каждый отдельно) все меньший вклад в суммарную концентра­цию и увеличивают размеры ‘фокального ядра’ сконцентриро­ванного потока, требуя все больших размеров приемника и обесценивая вклад в средний уровень концентрации от ближних гелиостатов.

Совокупность этих и других особенностей работы оптичес­кой части СЭС превращает ее в систему с сильными внутрен­ними связями, нарушение каждой из которых может привести к утрате ее основного функционального качества — концентри­рующей способности. С другой стороны, система преобразова­ния энергии — теплосиловой комплекс СЭС также представля­ет собой систему с сильными внутренними связями, обуслов­ленными номинальными режимами работы применяемого обо­рудования и допусками на отклонения от этих режимов. Опи­сания этих двух подсистем СЭС (оптической и термодинами­ческой) принципиально отличаются и формулируются в тер­минах двух различных областей знаний.

Таким образом, приемник СЭС, являясь одновременно частью оптической и термодинамической подсистем, должен удовлетворять двум разнотипным наборам требований, а на допустимые вариации параметров подсистем кроме собствен­ных ограничений должны быть наложены дополнительные вза­имные ограничения, обусловленные опосредованной связью подсистем через теплотехнические и оптико-геометрические параметры приемника-парогенератора.

К настоящему времени в различных странах задействовано 7 экспериментальных СЭС электрической мощностью от 0,5 до 10 МВт. Наиболее крупными проектами являются СЭС Solar = 1 в Барстоу (Калифорния, США) мощностью 10 МВт и отечественная СЭС-5 (в 1985 г. введен в действие пусковой комплекс). Сводные характеристики оптических систем этих станций приведены в табл. 1.

ВВЕДЕНИЕ

Экономическое развитие страны сопряжено с непрерывным ростом, потребностей в топливно-энергетических ресурсах»

Истощение запасов органического топлива в европейской чао» ти СССР требует освоения все. новых и новых месторождений в северо-восточных районах с суровыми климатическими и слож­ными горно-геологическими условиями, прившит к необходи­мости транспортировки во все возрастающих масштабах огром­ных количеств топливно-энергетических ресурсов в западном направлении. Все это вызывает непрерывное их удорожание, что затрудняет решение проблем надежного энергоснабжения и может привести к сокращению темпов прироста производства топлива и энергии в перспективе.

Обостряются и экологические проблемы, что связано не только с непрерывным ростом масштабов энергопотребления, но и с увеличением доли низкосортных твердых топлив.

В этих условиях развитие энергетики в долгосрочной пер­спективе немыслимо без освоения нетрадиционных возобновляе­мых источников энергии. Важными их преимуществами являют­ся неисчерпаемость и экологическая чистота.

Серьезное внимание этой проблеме было уделено в решениях XXVI съезда КПСС, на котором была поставлена задача ‘уве­личить масштабы использования в народном хозяйстве возоб­новляемых источником энергии (гидравлической, солнечной, ветровой, геотермальной)’. В Основных положениях Энергети­ческой программы СССР на длительную перспективу указано:

"На первом этапе реализации Энергетической программы СССР намечено создать материально-техническую базу для широкого использования нетрадиционных источнике© энергии… На в то­ром этапе предусмотрено приступить к активному вовлечению в энергетический баланс нетрадиционных возобновляемых источ­ников энергии’. Необходимость широкого использования возоб­новляемых источников энергии подчеркнута и в таких важных документах, как новая редакция Программы КПСС и Основные направления экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года, принятых реше­ниями XXVH съезда КПСС,

Среди воех видов нетрадиционных возобновляемых источников энергии наиболее крупным потенциалом облапает солнечная энер­гия, тепловой поток которой на верхней границе с атмосферой достигает 5,7 • 10^^, а на поверхности Земли — 1,5 * 1024Д}* в год. Это колоссальная энергия, соответственно, в 20 и 5 іьісяч раз превышающая энергию, которую могут цать вое виды вевозобновляемых топливно-энергетических ресурсов мира. Оо — вое і те всего лишь одной тысячной доли процента падающего на Землю солнечного излучения равно пятикратному увеличению современного энергопотребления.

Освоение солнечной энергии для производства электроэнергии и тепла в настоящее время осуществляется по следующим нап­равлениям; ;

— разработка и строительство систем солнечного горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха;

— разработка и создание фотоэлектрических установок для электроснабжения автономных потребителей;

—создание и ввод в эксплуатацию солнечных электростан­ций с паротурбинным циклом. ‘

Солнечное теплоснабжение (СТС) — технически наиболее доступный путь использования солнечной энергии. На отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха в стране с умеренным климатом расходуется 25-30% от общего потреб­ления энергии. Основной элемент активных систем СТС — сол­нечный коллектор, представляющий собой водонагреватель в виде штампованных стальных и алюминиевых, пластмассовых или резиновых панелей. При создании таких систем одной из наи­более важных задач является изготовление эффективных соя — ‘ вечных коллекторов из дешевых заменителей металлов — рези­ны, пластмасс и композитных материалов. Весьма перспектив­но сочетание систем СТС с аккумуляторами тепла, с тепло­выми насосами, а также комбинирование с другими источника­ми энергии, что позволяет повысить надежность отопитель­ных систем.

В ближайшей перспективе целесообразно расширение масшта­бов видрения солнечных коллекторов, в первую очередь, для систем сезонного горячего водоснабжения. Дальнейшее повы­шение экономичности систем СТС связано с разработкой тех­нологии селективных покрытий, созданием вакуумированных, а также фокусирующих солнечных коллекторов.

Предельная простота обслуживания, малый вес, высокая на­дежность и стабильность ФЭП делают их весьма привлекатель­ными для широкого использования. Однако этому в значительной

степени препятствует из чрезмерно высокая стоимость, которая для наиболее распространенных кремниевых элементов постига­ет 30-50 тыс. руб./кВт.

ФЭП находят применение для энергообеспечения многочис­ленных наземных автономных потребителей, где обычно не тре­буются большие мощности (до 250 и в отдельных случаях до.1000 Вт). КПД солнечных батарей с кремниевыми ФЭП пока не превышает 7-8% , а стоимость наземных солнечных бата­рей примерно в 100 раз дороже традиционных тепловых в атомных электростанций. ,

Дальнейшее повышение эффективности ФЭП связано с пере­ходом от кремния на гетероструктуры и применением концент­раторов солнечного излучения. При значительной концентрации солнечного излучения и использовании выделяющегося при этом тепла КПД таких энергоустановок может быть увеличен до 30%.

В настоящее время в наземных условиях ФЭП целесообраз­но применять только для питания маломощной микроэлект­ронной и радионавигационной аппаратуры.

Наряду с разработкой и созданием СЭС промышленного уровня мощности в ряде стран, в т. ч. и в СССР, проводятся работы по освоению СЭУ небольшой мощности. Так, в НПО ‘Солнце’ АН ТССР проводятся испытания небольшой тепло­вой модульной СЭУ с плоскими солнечными коллекторами. Иэ-эа низких температур в качестве рабочего тела в уста­новке приметается ниэкокипяшее вещество (хладон).

Модульные СЭС не ‘ нуждаются в башне для размещения парогенератора и сложных системах ав тома тиче ского управле­ния. Однако технико-экономические показатели таких уста­новок хуже, чем у СЭС башенного типа. Тем не менее мо­дульные СЭС небольшой мощности (10-1000 кВт) могут найти в перспективе применение для энергоснабжения автоном­ных потребителей, удаленных от пиний электропередачи.

В цели данного выпуска ‘Итогов науки к техники’ не вхо­дит детальное описание состояния разработок в области сио — тем СТС, ФЭП и. СЭС модульного типа, в связи с чем мы ограничимся выше изложенным и попытаемся более полно рас­смотреть состояние в области разработок термодинамических СЭС башенного типа.

Основной недостаток солнечной энергии — низкая плотность потока излучения, которая на границе с атмосферой состав­ляет 1353 Вт/м2 (‘солнечная постоянная’), а на поверхности

Земли в наиболее перспективных южных районах СССР не пре-. выищет 830-850 Вт/м2.

Однак о с помошью оптических систем можно обеспечить вы­сокую степень концентрации солнечных лучей, что позволяв* нагреть рабочее тело до температур, при которых возможна эффективная работа тепловых машин.

Издавна известны концентраторы солнечной энергии в виде линз и вогнутых зеркал с параболической поверхностью. Лин­зы сложнее в изготовлении, поскольку имеют две ІфИВОЛИНеЙ — ные поверхности. Поэтому в первых СЭУ предпочтение было отдано параболическим зеркалам.

Попытки создания солнечных тепловых энергетических уо — тановок сравнительно небольшой мощности предпринимались ‘ уже давно. В период с 1860 по 1881 г. такие установки создавались во Франции A. Atyuio, в 1870 г. — в Швеции Д, Эриксоном, в 1901 г. — в США А. Энеасом.

Широкую известность получила солнечная паросиловая ус­тановка французского инженера А. Мушо, демонстрировавшая­ся в 1882 г. на Всемирной промышленной выставке в Париже.

В 1912 г. по проекту немецкого инженера Ф. Шумана и — английского инженера Ч. Бойса в Миди недалеко от Каира (Египет) была построена солнечная тепловая энергетическая установка мощностью 45 кВт. Здесь вместо параболических зеркал были применены парабопоцилиндрические концентраторы общей площадью 1200 м2.

Последующие попытки создания более мощных солнечных тепловых энергетических установок в течение длительного времени не приводили к успеху, поскольку оптические системы со сложными криволинейными зеркальными поверхностями край­не трудоемки и дороги в изготовлении. При этом с увеличением размеров зеркал затраты на их изготовление растут в геомет­рической прогрессии. Даже при современной технологии вряд ли целесообразно изготовлять параболические концентраторы площадью более 500-600 м2 с единичной мощностью >40- 50 кВт.

В последние годы предложены оригинальные конструкции концентраторов, в которых гибкой пленке с зеркальным пок­рытием придается параболическая форма с помощью вакуума. Такие концентраторы намного дешевле. Однако нельзя рассчи­тывать на то, что пленка таких концентраторов диаметром > 15-20 м будет способна выдержать сильные ветровые наг­рузки. Следовательно, и в этом случае единичная мощность солнечного приемника будет ограничена. Добавим, что с помо-

шью параболоцилиндрических концентраторов трудно нагреть ра­бочее тело до температур более 300—350 С. Таким образом, единичная мощность СЭ11 с параболическими и параболоципин — дрическими зеркалами весьма ограничена.

В принципе из отдельных модулей можно собрать достаточ­но крупные системы. Подобные электростанции уже созданы в Австрии мощностью 300 кВт, Испании*- 500 кВт и Японии —

1000 кВт. Однако серьезный недостаток таких систем — слож­ность сбора ^нергии от многочисленных рассредоточенных сол­нечных’приемников, что дополнительно усложняет и удорожает электростанцию.

Технический барьер на пути создания крупных СЭС был преодолен советскими учеными. Еше в предвоенные годы ин­женером Н. В. Линицким была выдвинута идея СЭС с солнеч­ным приемником, расположенным на высокой башне. В дача-* ле 50-х годов ученые Энергетического института им.

Г. М. Кржижановского (ЭПИН) разработали научную концепцию создания такой СЭС. Они предложили отказаться от сложных дорогих криволинейных зеркал, заменив их простейшими плоо — кими зеркалами — гелиостатами.

В 1957 г. в СССР был разработан первый в мире проект СЭС башенного типа мощностью 2500. кВт. Электростанцию предполагалось построить в Армении. Проект не был реали­зован в связи с тем, что в конце 50-х годов в СССР были открыты новые месторождения нефти и газа, что отвлекло внимание от солнечной энергетики. Тем не менее советская концепция СЭС башенного типа получила кмровое признание. Только за период с 1977 по 19 83 г, такие СЭС мощностью от 250 до 10 000 кВт были построены-в США, Франции, Испании, Италии и Японии.

В СССР в 1985 г. был успешно осуществлен пробный энергетический пуск первой советской экспериментальной СЭС башенного типа проектной мощностью 5000 кВт.

Проблемам опытно-конструкторских разработок, опыту эксплуатации и направлениям по созданию термодинамических СЭС башенного типа посвяшен настоящий обзор, написанный в основном по материалам реферативных журналов ‘’Энерге­тика*’ (выпуск "’Гелиоэнергетика*’) и отедльного выпуска 9U ‘Нетрадиционные и озобновляемые источники энергии’ за 1981-1985 гг.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АТ — аккумулятор тепла АФП — аккумулятор тепла фа­зового перехода ГТУ — газотурбинная установ­ка :

МОФ — материал с обратимы­ми фазами

ПВА — пароводяной аккумуля­тор тепла 1

ПТА — подземный тепл о акку­мулятор

ПЗУ — пиковая энергоустанов­ка

СПГ — солнечный парогенератор.

СТЭС — солнечно-топливная электростанция

СЭС — солнечная электростан­ция

СЭУ — солнечная энергети­ческая установка

ТАМ — теплоаккумулирующий материал

ТАС — теплоаккумулирующая система

ТПГ — топливный парогенера­тор •

ТЭС — тепловая електростан — ция

ФЭП — фотоэлектрический преобразователь

ЦП — центральный приемник