 |
Лабораторная работа №6 Изучение принципа действия солнечных электростанций
|
|
|
|
Цель работы:
Познакомить студентов с технологическим оборудованием современных солнечных электростанций. Изучить их технологическую схему, конструктивные особенности. Дать информацию о схемах функционирования солнечных электростанций.
1 Теоретические сведения
Солнце — это источник всей жизни на Земле и, в конечном счете, источник всех видов энергии на ней.
Солнце излучает ежесекундно 88-1024 кал. теплоты, или 368-1012 ТВт в мощностном эквиваленте. Но из этого количества теплоты на Землю попадает только 2-106 %, что составляет в среднем 180 -106 ТВт. По сравнению с этим все остальные источники энергии, как внешние (излучение Луны, звезд, космические лучи), так и внутренние (внутренняя теплота Земли, радиоактивное излучение, запасы ископаемого топлива и т. д. ), пренебрежимо малы. Если общий потенциал Солнца рассчитывать применительно к солнечной энергии, падающей на свободные необрабатываемые земли, то в этом случае среднегодовая цифра составит около 10 000 ТВт, что примерно в 5000 раз больше, чем мощность всех современных стационарных энергетических установок мира. При определении практической целесообразности использования солнечной энергии исходят из того, что максимальное солнечное облучение достигает 1 кВт/м2, но это длится всего лишь в течение 1—2 ч в разгар летнего дня. В большинстве районов мира среднее облучение солнечным светом составляет 150—200 Вт/м2. Но и это много. Так, в США, как показывают исследования, проведенные в Университете штата Оклахома, энергия солнечного излучения, падающего на территорию страны, почти в 500 раз превышает энергопотребление ее в 2010 г.
Люди издавна ощущали могущество Солнца, чувствуя зависимость от него всей своей жизни. Отсюда непрерывное стремление взять от него возможно больше. Сначала это проявлялось в желании использовать солнечное излучение с узко утилитарной целью — получить дополнительную теплоту (нагрев воды, отопление помещений, опреснение морской воды и т. п. ). Предлагаемые для этого различные схемы имели одну отличительную особенность — в них отсутствовала концентрация потока солнечной энергии. Воспринимаемый различными устройствами поток солнечных лучей имел ту же плотность, что и поток, падающий на Землю. Со временем эти схемы совершенствовались, и в настоящее время они успешно используются для различных хозяйственных целей в ряде стран (США, Япония, Франция, Германия и др. )
|
|
|
У нас в стране тоже ведутся работы в этом направлении. Опреснители, внедренные в СССР функционирующие в условиях Средней Азии, позволяют с 1 м2 получать 2 т. питьевой воды в год.
Вторым направлением утилизации солнечной энергии является использование схем, в которых предусматриваются специальные концентраторы солнечной энергии. В таких установках приемник энергии во много раз меньше поверхности, собирающей лучи. Достигается это, как известно, с помощью зеркал и линз.
Современные высокотемпературные солнечные печи широко используются в ряде стран для получения чистых жаропрочных металлов. Во Франции, например, неподалеку от города Одейо с 1968 г. работает печь мощностью 1000 кВт при температуре 3500 °С. Имеются подобные печи в Японии, США и других странах.
Постепенно появился интерес к преобразованию солнечной энергии в электрическую. В последние 10—15 лет этот интерес значительно повысился, чему наиболее сильно способствовали поиски путей смягчения напряженности мирового топливно-энергетического баланса и необходимость удовлетворения потребностей космической техники.
Интерес к солнечной энергии особенно резко начал проявляться с 1973 г., т. е., с момента начала энергетического кризиса в развитых странах. Немаловажным обстоятельством является также стремление снизить губительное влияние на биосферу тепловой энергетики.
|
|
|
Вот уже более 10 лет вопрос о технической возможности и экономической целесообразности сооружения солнечных электростанций (СЭС) стала в ряде развитых стран в ранг важнейших научно-технических исследований, проводимых в рамках национальных программ и финансируемых из средств государственного бюджета.
Существует много способов преобразования солнечной энергии в электрическую. Наиболее эффективным для целей большой энергетики считается в настоящее время паротурбинный, т. е. используемый на обычных ТЭС. Такой способ принято называть схемой СЭС с центральным приемником или башенной схемой. В этой схеме приемник солнечного излучения (котел) размещается на высокой башне, окруженной полем зеркальных отражателей (гелиостатов), с помощью которых солнечное излучение фокусируется на тепловоспринимающей поверхности этого приемника.
Известно множество проектов СЭС на различные энергетические параметры. По некоторым из них построены электростанции, которые проходят стадию изучения и освоения.
Принципиальные схемы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую, несмотря на разнообразие проектов, более или менее одинаковы. Остановимся на некоторых из них, отметив предварительно основные характерные особенности солнечного излучения:
- периодичность поступления, связанная с наличием суточных циклов (день, ночь);
- изменчивость интенсивности в соответствии с положением Земли относительно Солнца (сезоны года);
- наличие перерывов в поступлении, связанных с состоянием атмосферы (кратковременная и длительная облачность).
При термодинамическом преобразовании энергии Солнца можно исходить из двух предпосылок. Первая состоит в том, что СЭС будет действовать только в том случае, когда в данном месте имеются падающие лучи, т. е. исключаются ночные периоды и периоды облачности (назовем такие периоды темными). Вторая сводится к тому, что СЭС работает непрерывно, т. е. независимо от неизбежных перерывов в падающей радиации. Ясно, что в первом варианте схема термодинамического преобразования будет проще, чем во втором, так как отпадает надобность в аккумуляции теплоты в солнечные периоды и расходовании ее в темные периоды.
|
|
|
И в том и в другом случае СЭС в принципе могут работать как локально (изолированно), так и в составе энергосистемы.
Очевидно, что СЭС может работать изолированно лишь при наличии соответствующих потребителей электроэнергии. Это могут быть потребители, режим работы которых совпадает с режимом работы СЭС, определяемым, в свою очередь, интенсивностью солнечной радиации, или потребители, не требующие бесперебойного электроснабжения и имеющие возможность запасать производимую продукцию (например, опресненную воду). Во всех остальных случаях использования СЭС требуется установка резервного источника энергии или совместная работа ее с другими электростанциями энергосистемы.
В свою очередь, экономическая эффективность системных СЭС будет различаться в зависимости от того, имеется ли в ее составе аккумулятор тепловой энергии или он отсутствует. При сооружении СЭС экономисты-энергетики в каждом конкретном случае должны дать авторитетное заключение о целесообразности (или нецелесообразности) сооружения данной СЭС.
В общем случае система преобразования энергии на такой СЭС должна включать следующие подсистемы:
- подсистему улавливания падающей радиации;
- приемную подсистему, преобразующую энергию солнечного излучения в тепловую, которая передается теплоносителю;
- подсистему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору;
- тепловой аккумулятор;
- теплообменники (один или несколько), образующие горячий и холодный источники тепловой машины (турбины), на одном валу с которой находится генератор.
Компоновка общей системы возможна по двум принципиально различным схемам. В первой схеме в приемнике нагревается теплоноситель, часть которого поступает на тепловую загрузку аккумулятора, а вторая часть идет на нагрев (образование) рабочего тела (пара). При отсутствии солнечного излучения необходимая рабочему телу теплота передается от аккумулятора. Теплообменник обеспечивает связь приемника и аккумулятора с турбиной (рис. 1, а).
|
|
|
Во второй схеме рабочее тело нагревается непосредственно в приемнике (рис. 1, б). Зарядка аккумулятора обеспечивается путем отвода части
Рис. 1 - Упрощенная технологическая схема солнечной электростанции
а — с последовательно включенным в цепь передачи теплоты тепловым аккумулятором; б —с параллельно включенным тепловым аккумулятором; 1 — улавливатель солнечных лучей; 2 — приемник; 3 — тепловой аккумулятор; 4 — теплообменник; 5 — паровая турбина; 6 — генератор; 7 — конденсатор; 8 — конденсатный насос
нагретого рабочего тела, а связь с турбиной осуществляется без промежуточных устройств.
Концентрация солнечного излучения может быть осуществлена или с помощью большого числа плоских или фокусирующих гелиостатов, управляемых для слежения за Солнцем по двум степеням свободы, или при необходимости получать более высокую степень (коэффициент) концентрации (более 1000) с помощью единой оптической системы, состоящей из плоских гелиостатов и параболоидного отражателя.
В этом отношении представляет интерес проект СЭС башенного типа установленной мощностью 100 МВт (США). Приведем основные параметры такой станции: размеры территории 1720X1896 м (3, 25 км2); число гелиостатов—29 300; размер гелиостатов—6, 1X6, 1 м; высота башни—306 м; температура котла (пиковая)—510 °С; температура теплового аккумулятора—316 °С; температура на входе в турбину—510 °С; давление перед турбиной—12, 4 МПа; к. п. д. без использования аккумулятора —30 %, с использованием аккумулятора—26%.
Как видим, эти показатели еще не достигли значений, соответствующих традиционным ТЭС.
Основным недостатком наземных СЭС башенного типа является то, что они занимают большие площади и должны иметь аккумуляторы на время отсутствия Солнца. В связи с этим высказываются многочисленные идеи использовать для СЭС спутники. Суть этих идей заключается в том, что спутник особой конструкции запускается на геостационарную орбиту (примерно 35 тыс. км), где Солнце светит практически 24 ч. Сконцентрированная на спутнике солнечная энергия после преобразования в электрическую через специальную антенну узким пучком в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения передается на Землю. На Земле излучение принимается на соответствующую антенну и после преобразования в переменный ток промышленной частоты поступает в энергосистему или потребителям.
По одному из американских проектов такая солнечная электростанция с площадью коллекторов солнечного излучения 64 км2 способна обеспечить передачу на наземную приемную антенну 10*10 км мощность 10000 МВт, т. е. почти в 2 раза большую, чем мощность Красноярской ГЭС. Предполагаемый к. п. д. таких СЭС может достигнуть 15—18 % а при дальнейшему совершенствовании солнечных элементов— и 20 %. При этом плотность ультракоротковолнового пучка излучения будет в несколько раз меньше нормальной плотности солнечной энергии, поэтому никакой опасности для летательных аппаратов и птиц такой пучок представлять не будет.
|
|
|
2 Порядок выполнения работы
1. Изучить принцип действия солнечной теплоэлектростанции.
2. Познакомиться со схемой солнечной электростанции.
3. Составить отчет по лабораторной работе.
3 Содержание отчета
1. Отчет должен содержать краткое описание изучаемого технологического оборудования и установок.
2. Описания работы технологических установок и схем.
3. Чертежи технологических схем и оборудования.
|
|
|
