Солнечные электростанции типа SEGS (Solar electric genera­tion system) с параболоцилиндрическими концентраторами, концеп­цию сооружения которых предложила израильская фирма Luz, в на­стоящее время имеют установленную мощность 354 МВт. SEGS расположена в Южной Калифорнии (США) вблизи г. Барстоу. Сис­тема состоит из девяти станций мощностью от 14 МВт до 80 МВт, сооружение которых велось с 1980 по 1991 гг (SEGS 1 … SEGS ЇХ) [10.7]. Общий вид системы представлен на рис. 10.4.

В станциях этого типа 25% мощности покрывается за счёт природного газа. Принцип работы следующий: солнечное излучение отражается от концентраторов и фокусируется на приемнике излу­чения, выполненном в виде стеклянной трубы, внутри которой рас­положена металлическая труба с селективным покрытием, по кото­рой идет теплоноситель. В зазоре между трубами создан вакуум, что обеспечивает надёжную теплоизоляцию приёмника от внешней сре­ды. Концентраторы расположены продольными осями в направле­нии Север — Юг и в течение дня осуществляют синхронный поворот за Солнцем вокруг одной продольной оси. В приемнике находится жидкий теплоноситель в виде силиконового масла, не закипающий

при температурах 380°С, до которой он разогревается. Разогретое масло поступает в парогенератор, а остывшее масло снова в приём­ники концентраторов. Водяной пар при необходимости подогрева­ется газовыми горелками перед поступлением в турбину. Суммарная эффективность станций этого типа составила среднегодовую вели­чину 10 — 12 %. Стоимость электроэнергии составляет 0,1-0,15 ев — ро/кВтч.

В девяностых годах прошлого столетия проекты с параболо­цилиндрическими станциями получили дальнейшее развитие в Ев­ропе с целью улучшения параметров: увеличения размеров концен­траторов и перехода на прямое генерирование пара с температурой
550°С и повы­шенным давлени­ем, что привело к увеличению об­щего КПД на 4%.

Для станции существует проблема очистки концентраторов, которая осуществляется мойкой с помощью моечных машин (рис. 10.5)

В начале девяностых годов в рамках программы «Экологиче­ски чистая энергетика» Миннауки России была разработана экспе­риментальная солнечная станция пиковой мощностью 1,5 МВт. На­учное руководство — ЭНИН им. Г. М. Кржижановского, генеральный проектировщик станции Ростовтеплоэлектропроект (РОТЭП) [10.5]. СЭС должна была обеспечивать выработку электрической и тепло­вой энергии для ближайшего поселка. Предполагалось, что станция будет состоять из двух самостоятельных частей: одна из них — фото­электрическая, другая — использовала бы установки с двигателями Стирлинга.

Фотоэлектрическая часть состояла из параболоцилиндриче­ских концентраторов, обеспечивающих 40-кратную концентрацию на солнечных элементах, охлаждаемых принудительно водой. КПД оптической системы 0,7; ширина концентратора 3,2 м; площадь зер­кал 102,4 м2; пиковая мощность 30 кВт. Отводимое от СЭ тепло ис­пользовалось в контуре теплоснабжения.

Термодинамическая часть станции со Стирлинг — генераторами: каждый модуль должен был иметь 2 параболоидных концентратора общей площадью 85 м2, отражающая способность 0,9; пиковая мощность одного модуля 50 кВт, масса модуля 11т.

Строительство СЭС намечалось на 1996 год, но ввиду извест­ных событий на Северном Кавказе к строительству не приступили, хотя макетные образцы установки со Стирлинг-генератором и пара­болоцилиндрическими модулями были выполнены.

Идея создания солнечной энергоустановки башенного вариан­та была предложена в СССР в 1949 г. в Государственном научно — исследовательском энергетическом институте им. Г. М. Кржижанов­ского (ЭНИН) [10.5]. Была предложена схема солнечной станции, в которой приёмник излучения расположен на башне, вокруг которой на рельсах по концентрическим окружностям катались платформы с установленными на них гелиостатами. При перемещении Солнца гелиостаты направляют отраженный поток на приёмник излучения. На приёмнике излучения достигаются высокие температуры, кото­рые позволяют получить перегретый пар с нужными параметрами для работы паротурбины (рис. 10.3). Предложенная схема послужи­ла поводом для развития концепций СЭС башенного типа.

В 1986 году в Крыму была построена солнечная электростан­ция мощностью 5 МВт [10.4]. Научное обеспечение проектирования и строительства обеспечивал ЭНИН им. Г. М. Кржижановского (г. Москва). Станция имела следующие параметры: количество ге­лиостатов 1600, размеры одного гелиостата 5><5 м, общая площадь гелиостатов 40 тыс. м2, высота башни 70 м, пар нагревался до 250°С.

Испытания станции показали, что она выходит на планируе­мую мощность, но выбранное место в Крыму по климатическим ус­ловиям не являлось оптимальным в СССР. После 1991 года станция была демонтирована.

В восьмидесятых годах прошлого столетия США, СССР, Ита­лия, Испания, Франция, Япония приступили к интенсивным разра­боткам СЭС этого типа. Для стабилизации отраженного светового потока на приёмник, установленный на башне, используется поле ге­лиостатов, т. е. множество плоских зеркал с собственной опорой и по­воротом зеркала вокруг двух осей. Для поддержания направления от­раженного пучка первоначально применялись датчики направления потока, которые устанавливались перед каждым гелиостатом. В на­стоящее время гелиостаты работают по компьютерной программе, в которой заложены сведения о положении каждого зеркала в текущий момент. Были сооружены опытные СЭС, приведенные в таблице 10.1.

Все построенные станции рассматривались как эксперимен­тальные образцы, на которых проверялись принципы проектирова­ния.

Наиболее отработанными технологиями башенного варианта станции можно считать станцию Solar Two мощностью 10 МВт в США, построенную в 1996 г. на основе Solar One, и прототип стан­ции Phoebus (TSA) мощностью 1 Мвт, установленную на междуна­родном солнечном полигоне в Альмерии (Испания).

Принцип работы станции Solar Two (рис. 10.1) мощностью 10 МВт: солнечное излучение от поля гелиостатов поступает на приём­ник излучения на башне, разогревает жидкий теплоноситель до 565°С, поступает в тепловой аккумулятор, затем в парогенератор и далее через ёмкость холодного теплоносителя на приёмник излуче­ния.

СЭС типа TSA рассматривается как прототип станции для Иордании мощностью 30 МВт, которую собирались сооружать Ев­ропейские страны. Отличительной чертой этого типа станции явля­ется воздушный контур, обслуживающий приемник излучения. Принцип работы следующий: солнечное излучение нагревает воздух в приёмнике излучения на башне, воздух поступает на газовый по­догреватель, где нагревается до 700°С, затем поступает в парогене­ратор, на выходе воздух с температурой 200°С возвращается в при­емник.

Рис. 10.2. Гелиостаты солнечной электростанции Solar Two, США [10.3]

Основные характеристики этих станций [10.4] приведены в таблице 10.2.

Основным оптическим элементом башенных вариантов СЭС являются гелиостаты, стоимость которых в составе СЭС составляет от 40 — 50%. В массовом производстве гелиостаты площадью 100 м2 в настоящее время стоят от 12 тыс. до 15 тыс. долл. США за штуку. Наиболее удачными являются гелиостаты производства США, Ис­пании, Германии. Получили распространение гелиостаты с плоски­ми отражающими зеркалами, например гелиостат Н — 100/150 (рис. 10.2), производства США, основные характеристики которого при­ведены ниже:

Данная глава-обзор необходима для сравнения расчётных ха­рактеристик концентрирующих систем, предложенных в следующих разделах, с достигнутыми на существующих СЭС. В обзоре рас­смотрено использование концентраторов солнечного излучения для солнечных электростанций (СЭС) с тепловыми циклами преобразо­вания, где в качестве преобразователей используются паровые, газо­вые турбины или двигатели Стирлинга, при этом основное внимание уделяется концентрирующим системам, поскольку в таких СЭС стоимость концентрирующих систем достигает 50% стоимости от всей станции. В анализе приведены основные параметры станций и их взаимосвязь с концентрирующими системами.

Концентрирующие системы в данном случае выполняют свою основную задачу: повышают плотность излучения на приёмнике для повышения температуры рабочих термодинамических циклов и уве­личения КПД.

Обзор современного состояния разработки и практического использования солнечных электростанций с тепловыми циклами преобразования приведён по материалам отчётов Программы Меж­дународного Энергетического Агентства (IEA Solar PACES Program). В рамках этой программы участвуют следующие страны: США, ФРГ, Испания, Италия, Израиль, Австралия, Мексика, Брази­лия, Египет, Франция, Швейцария, Англия, Россия. Все перечислен­ные страны имеют отношение к сооружению крупных солнечных станций мегаваттной мощности [10.1].

В рамках этой программы рассматривается сооружение сле­дующих типов солнечных электростанций с тремя типами концен­трирующих систем:

■ СЭС башенного типа с полем гелиостатов;

■ СЭС с параболоцилиндрическими концентраторами;

■ СЭС с концентраторами в виде параболоидов вращения с двига­телями Стирлинга;

■ СЭС с термохимическими циклами преобразования (в данной работе не рассматривается).

Площади эпюр между кривыми на рис. 9.5 (заштрихованы) в соответствующем масштабе характеризуют потери энергии. В то же время незаштрихованная площадь эпюр соответствует приходу эф­фективной радиации, т. е. полезной выработке энергии ЛЖГ, отне­сённой кім2 проекции зеркальной поверхности, перпендикулярной солнечным лучам.

244

Можно констатировать, что по интегральным дневным пока­зателям выработки энергии предпочтительны во многих случаях «разреженные» ЛЖГ, не склонные к блокировке. В то же время меньшими блокировочно-теневыми потерями характеризуются ЛЖГ при малых углах снижения потока.

Велики суммарные потери выработки энергии зимой (8 = -23,5°). Они тем выше, чем больше угол снижения потока и чем «гуще» размещены жалюзи на несущей раме гелиостата (т. е. чем меньше отношение t/b). При у = 600 и t/b=0,5, например в зимние месяцы, ЛЖГ вообще не подает отраженный поток на концентратор. Весной и осенью подача не превышает 10 % от располагаемого.

Проведённый анализ показывает, что эффективность ЛЖГ яв­ляется сезонной: наибольшая выработка энергии весной и осенью.

Выводы по главе 9

Предложена схема СЭС с использованием линейных жалюзных ге­лиостатов (ЛЖГ) и вторичного концентратора. Преимущество схемы в том, что она позволяет создать станцию «закрытого типа», в которой все оптиче­ские детали и механизмы привода находятся в закрытом, «чистом» поме­щении.

Решение такой задачи возможно, как один из вариантов, с помощью ЛЖГ, которые стабилизируют приходящий солнечный поток в постоянно направленный поток под уровнем гелиостатов.

3. Рассмотрены факторы (косинусный эффект, межжалюзные поте­ри, затенение и блокировка жалюзными зеркалами друг друга), влияющие на эффективность работы ЛЖГ.

Построены эпюры выработки энергии ЛЖГ, показавшие сезонный характер работы такой системы: максимальная выработка энергии прихо­дится на осень и весну.

Применимость таких систем требует тщательного анализа с учётом возможного автоматического усреднения производства энергии в течение года, что может представлять интерес для стран с жарким климатом.

Полезная выработка ЛЖГ оценивается величиной приходов потока радиации, отраженной гелиостатом на концентратор и при­емник-преобразователь СЭС на протяжении характерных периодов эксплуатации. Временно оставляя в стороне вопрос о влиянии коси­нусного эффекта, оцениваем воздействие блокировочно-теневых эф­фектов, которые специфически переменны во времени и зависят не только от геометрических, но и погодно-климатических (например, колебаний солнечной радиации) факторов.

Для углов снижения отраженного потока у выбран диапазон 24° < у < 60°; для относительных шагов t/b заложены следующие значения:

у = 24° для двух значений t/b = 2,5/1,5, у = 45° для двух значений t/b = 1,5/1,0, у = 60° для двух значений t/b = 1,0/0,5.

„ Рис. 9.5.

„ а — Исходные S0(x) и вторичные S0(t) t|(t) эпюры приходов солнечной. — радиации с учётом блокировочно-теневых эффектов в ЛЖГ для геогра­фической широты 45°.

^Вертикальная штриховка — потери на блокировку, горизонтальная — на ‘ затенение; угол снижения отраженного потока радиации у = 24° j„ при t/b = 2,5 (слева) и t/b = 1,5 (справа);

I б-Угол снижения отраженного потока у = 45° при t/b = 1,5 (слева)

; и t/b = 1,0 (справа);

! в (см. на с. 244) — Угол снижения отраженного потока у = 60° при t/b = 1,0 (слева) и t/b = 0,5 (справа)

Полученные расчётные результаты представлены на рис.

9.5. Отрезки каждой из ординат определяют мгновенные потери радиации (1-Г|= q бл + q зат) в ка­ждый данный момент времени.

Видно, что во всех случа­ях большие значения относи­тельного шага t/b выбраны таким образом, чтобы блокировка от­сутствовала вовсе, и имело место лишь затенение. Напротив при меньших t/b (см. рис. 9.5, справа) присутствуют потери радиации как на затенение, так и блоки­ровку. Эффекты от них измеря­ются в широких диапазонах.

Уже визуальная оценка и сопоставление результатов на рис. 9.5 позволяют строить за­ключения, касающиеся влияния на блокировочно-теневые эффек­ты совокупности факторов раз­личного порядка: угла снижения отраженного потока у, сезонов (по величине 8), выбираемых для расчёта минимальных высот Солнца hmjn и др. Более того, на основе этих результатов можно про­гнозировать широтное размещение СЭС с ЛЖГ (по рабочему диапа­зону h), показатели эффективности ЛЭГ на протяжении круглогодо­вой эксплуатации СЭС.

Поток радиации, отражённой от незатенённой и ^заблокиро­ванной зеркальной поверхности ЛЖГ площадью F, всегда перпен­дикулярной прямым солнечным лучам, за конечный интервал вре­мени Ат

(9.13)

239

где интеграл представляет собой приход прямой радиации на 1 м2 поверхности, перпендикулярной солнечным лучам. Подача потока излучения от частично затенённого и заблокированного ЛЖГ на концентратор СЭС за малый промежуток времени бт:

dQ(-c) = FRpE0(x)ri(T)cosco(T)dT, (9.14)

здесь Е0(т) — плотность прямой солнечной радиации; г|(т) — коэффи­циент полезного использования радиации с учётом блокировочно­теневых эффектов; coscd(t) значение косинуса угла падения (и отра­жения) прямой солнечной радиации на зеркальную поверхность жа­люзи ЛЖГ (все в момент времени т).

За интервал Ат, например за день, подача излучения гелиоста­том на концентратор составит:

Q (Ат) = F R31 Е0(т)ті (t)cosgo(t) бт, (9.15)

т. е. может быть вычислена тем или иным способом с учётом изме­нения трёх величин Е0, г|(т) и cosco(t) во времени. Вблизи полудня, например, когда можно считать S0(t) = S0 = const, положение упро­щается, поскольку здесь

Qo (Ат) = F R3 S0 jri(T)cosa>(T) бт. (9.16)

Вместо (9.15) можно поток радиации представить в виде :

Q (Ат) = F R3 cos® I Sq(t) ti(t)cosoo(t) бт, (9.17)

где cos® — коэффициент использования зеркальной поверхности жалюзи, вычисленной по формуле (9.14) и осреднённой по интерва­лу времени Ат.

Суммарно косинусные и блокировочно-теневые эффекты в ЛЖК можно оценивать отношением Q (At)/Q0 (Ат), когда использу­ются выражения (9.13) и (9.17). В данном случае результирующим

произведением cos® V (At) учитываются одновременно обе потери на протяжении расчётного интервала времени, например за рабочий день расчётного сезона, который отражен величиной cos®. Над- строчечные отметки (черта над cos® и тильда над rj) имеют в виду разные по смыслу и происхождению указанные характеристики: аналитический расчёт cos® и оценка rj планиметрированием вто­ричных эпюр. Различие между ними состоит в следующем: параметр

cos со характеризует эффективность использования поверхности зеркал жалюзи и не зависит от относительного шага расстановки жалюзи t/b; rj, напротив, существенно зависит от t/b.

Очевидно, что

rj (Дт) = JS0(r)7(r)<s’r/S0(z)dz, (9.18)

Г Г

здесь произведение S0(t) Гі(т) = БэфСт) является мгновенной эффек­тивной радиацией с учётом блокировки и затенения.

Учитывая представления о мгновенных значениях коэффици­ентов полезной выработки и её потерь на протяжении (Дт). А имен­но