Солнечные электростанции башенного типа. Конструкции СЭС и принцип работы по функциональной блок-схеме станций солнечная – 1 и 2.

Альтернативный вариант состоит в использовании расположенных на большой площади следящих за Солнцем плоских зеркал, отражающих солнечные лучи на центральный приемник, помещенный на вершине башни.

Концепция СЭС башенного типа была разработана в ЭНИНе им. Г.М.Крижижановского ещё в 50-е годы, однако её техническая реализация задержалась на два десятилетия.

Общий принцип: предварительная концентрация солнечного излучения с помощью зеркальных оптических систем и дальнейшее теплосиловое преобразование сконцентрированного излучения с использованием элементов оборудования тепловых электростанций.

Оптические системы СЭС состоят из однотипных, автономно ориентируемых фацетных зеркал - гелиостатов.

Для понимания процессов, происходящих в СЭС башенного типа, и принятых конструктивных решений, произведём сопоставительный анализ характеристик двух электростанций: Solar One (Барстоу, США) и CESA-I (Альмерия, Испания). Существенное различие этих станций состоит в форме поля гелиостатов и их количестве, а также в конструкции приёмника солнечного излучения. Станция Solar One имеет вид поля гелиостатов в форме эллипса (рис. 4.4), на котором расположено 1818 гелиостатов. В центре эллипса находится башня с приемником солнечного излучения на верху. Высота башни около 85 метров, а расчетная мощность станции составляет 10 МВт. Параметры CESA-I таковы: поле имеет форму сектора с 300 гелиостатов, которые направлены на приёмник солнечного излучения, находящийся в полости башни высотой 82 метра (рис.4.5). Расчётная мощность станции равна 1,2 МВт. Из этой информации следует, что при равных размерах одного гелиостата (39,3 м² в американском варианте и 39,6 м² у CESA-I) общая площадь поля Solar One в 6 раз больше, а мощность в 8,33 раза превышает соответствующий параметр станции CESA-I. Значит эффективность единичного гелиостата у Solar One выше и составляет 5,5 кВт против 4 кВт у CESA-I.

Рис. 4.7. Функциональная схема СЭС Solar One:

1 - приемник; 2 - гелеостаты; 3 - башня; 4 - пульт управления; 5 - турбина с генератором;

6 - конденсатор; 7 - парагенератор; 8 - аккумулятор теплоты; 9 - теплообменник; 10 - датчик

На обеих станциях в качестве теплоносителя используется вода. Параметры пара на выходе из приёмника примерно одинаковы и составляют 516°С и 525°С соответственно. Однако конструкция приёмников солнечного излучения и башен, при небольшой разнице в высоте, имеют существенное различие (рис. 4.6). На станции Solar One использован приёмник открытого типа, который представляет собой барабан элипсоидального сечения высотой более 13 метров и состоящий из 24 панелей. Приёмник CESA-I по форме напоминает усечённую пирамиду, которая помещена в полость башни. Приёмная поверхность, состоящая из множества труб, которые объединены в секции, имеет меньшие размеры, примерно 54,3 м² против 301 м² у Solar One. Таким образом, с каждого м² снимается 33 кВт электрической мощности с открытого приёмника Solar One, против 22 кВт полостного приёмника CESA-I.

Рис. 4.8. Функциональная схема СЭС CESA - 1

(обозначения аналогичны рис. 4.7.)

В контуре теплоносителя различие станций заключается в конструкции аккумулятора теплоты. В Solar One (рис. 4.7) применяется однобаковый масляно-галечный аккумулятор. Его ёмкость равна 182 МВт тепловой мощности, время аккумулирования 4 часа и максимальная температура в баке составляет 304°С. Рабочий теплоноситель в контуре аккумулирования теплоты - масло. На станции CESA-I использован двухбаковый аккумулятор, в котором в качестве теплоносителя применён солевой расплав (рис. 4.8). Характеристики аккумулятора: ёмкость 16 МВт, время аккумулирования 3,5 часа, а максимальная температура 340°С. Из выше изложенного следует, что в целом технические характеристики Solar One значительно лучше, чем у CESA-I.

Опыт, полученный при эксплуатации этих станций, позволил подтвердить возможность производства электроэнергии при работе станций в составе электроэнергетических систем и возможной эксплуатации их по стандартным процедурам для обычных тепловых станций.

в течение работы первой «солнечной башни» началось создание расширенного проекта станции, использующей в качестве теплоноси­теля расплавленную соль, как в солнечной электростанции Цеза-I. Эти исследования закончились строительством второй «солнечной башни» Солар-2.

Рис. 6.12. Функциональная схема солнечной энергии электростанции Цеза-l

Основные цели перепроектированной станции, названной Солар-2 (рис. 6.13), заключались в том, чтобы апробировать технологию использования расплавленной соли в качестве теплоносителя, умень­шить технический и экономический риск при строительстве солнечных электростанций башенного типа и стимулировать коммерциализацию технологии. Солар-2 производила 1 О МВТ электроэнергии, накапливая при этом такое количество энергии, которого оказалось достаточно для того, чтобы продолжить работу с полной мощностью в течение трех ча­сов после захода солнца. Долгосрочная надежная работа башенной сол­нечной электростанции Солар-2 должна была быть подтверждена в ре­зультате реализации этого проекта и последующей успешной эксплуа­тации на длительном интервале времени.

Переход от Солар-1 к Солар-2 потребовал создания новой системы передачи тепла с помощью расплавленной соли (включая приемник, ак­кумулятор тепловой энергии, трубопроводы и паровой генератор) и но­вой системы управления. Поле гелиостатов, башня и система турбина­генератор подверглись минимальной модификации. Солар-2 впервые была присоединена к сети в начале 1996 года, а завершить ее стадию запуска намечалось в конце 1997 года.

Приемник электростанции Солар-2 разработан и построен компа­нией Boeing's Rocketdyne Oivision. Он включает в себя ряд панелей (каждая сделана из 32 тонкостенных стальных труб), через которые расплавленная соль протекает «змейкой». Панели формируют цилинд­рическую оболочку, окружающую трубопровод, крепежные конструк­ции и управляющее оборудование. Внешние поверхности труб покры­ты черной краской Pyromark™, прочной и стойкой К высоким температурам и поглощающей 95 % солнечного излучения. Проект приемника был оптимизирован, чтобы он мог поглотить максимальное количество солнечной энергии при одновременном сокращении потерь тепла из-за конвекции и излучения. Лазерная сварка соединений сопла и трубы, зажимов трубы облегчает расширение трубы и ее сокраще­ние. Применение бесконтактного измерительного оборудования по­зволяет приемнику быстро изменять температуру, оставаясь неповре­)I<денным. Например, если проходит облако и появляется прямое солнечное излучение, в приемнике температура меньше чем за одну минуту может измениться от 290 до 570 ОС. Расплавленная соль пред­ставляет собой смесь: 60 % нитрата натрия и 40 % нитрата калия. Она тает при 220 ос и поддерживается в жидком состоянии при 290 ос в «холодном» резервуаре.

Расплавленная соль может создавать проблемы из-за того, что она имеет низкую вязкость (как у воды) и хорошо смачивает металличе­ские поверхности. Следовательно, ее хранение и транспортировка вызывают определенные трудности. Большое значение в успешном

осуществлении этой технологии играет подбор насосов, клапанов, упа­ковки клапана и материала прокладок, которые будут взаимодейство­вать с расплавленной солью. Соответственно, Солар-2 разработана с минимальным количеством фланцев и большим числом преобразова­тельных устройств, клапанов и стыков, сваренных в одном месте. Сис­тема хранения энергии для Солар-2 состоит из двух 875 ООО-литровых резервуаров, которые изготовлены компанией Pitt-Oes Моiпеs. Резер­вуары внешне изолированы и построены из чистой стали и углероди­стой стали для горячего и холодного резервуара соответственно. Теп­ловая мощность аккумулятора 11О МВт . ч.

Естественная система охлаждения используется в каждом резервуа­ре, чтобы минимизировать перегревание и чрезмерное обезвоживание почвы под ним. Все трубы, клапаны и емкости для горячей соли изго­товлены из чистой стали, так как она имеет хорошие антикоррозион­ные свойства в среде расплавленной соли. Резервуар для хранения хо­лодной соли сделан из углеродистой стали. Соль качается из «горячего» резервуара 1 через систему парового генератора в «холод­ный» резервуар, откуда соль закачивается многоступенчатыми центро­бежными насосами на башню - в приемник 4.

1. Схемы согласования возобновляемых источников энергии с потребителями.

После анализа характеристик потребителей и потенциальных ВИЭ необходимо согласовать их друг с другом. Согласование предполагает выполнение следующих условий:

1. Энергоустановка должна максимально эффективно использовать ВИЭ. Сопротивления между источником, преобразователем, потребителем окружающей средой потоку энергии должны быть минимальными, что позволит свести к минимуму потери и размеры энергетического оборудования.

2. Использование систем управления с отрицательной обратной связью между потребителем и источником невыгодно, так как приходится сбрасывать в окружающую среду часть выработанной энергии. Неэффективность принципа регулирования с обратной связью на энергоустановках с ВИЭ является следствием постоянного существования в окружающем пространстве потоков этой энергии. Для невозобновляемого источника энергии регулирование с обратной связью выгодно, так как уменьшает его расход.

Рис. 1.2 Схемы согласования возобновляемых источников энергии с потребителями

а) полное использование потока возобновляемой энергии

б) управление с отрицательной обратной связью

в) использование накопителей энергии

г) развязывание источника энергии и потребителя с помощью более крупной энергосистемы

д) система управления с прямой связью с нагрузкой энергоустановки самая эффективная система управления при использовании возобновляемой энергии

1 - возобновляемый источник энергии; 2 - источник истощаемой энергии;

3 - преобразователь энергии; 4 - потребитель; 5 - сброс в окружающую среду;

6 - накопитель энергии

3. Согласовать спрос и предложение, не завышая при этом мощность энергоустановки, можно только, включив в энергосистему накопители энергии.

4. Если согласовать энергоустановку на ВИЭ с потребителями очень сложно, тогда от решения этой задачи отказываются. В этом случае установку подключают к более крупной и универсальной по составу источников энергии системе.

5. Наиболее эффективная схема использования ВИЭ такова, к источнику энергии подключается в каждый момент времени столько потребителей, чтобы суммарная нагрузка соответствовала текущей мощности источника. При этом отдельны потребители могут иметь накопители энергии или подстраиваться под изменяющиеся параметры источника. В таких схемах используется регулирование с прямой связью.

Эти методы согласования могут быть реализованы следующими способами:

1. Система со сбросом излишков энергии. Потоки энергии ВИЭ существуют постоянно или с некоторой периодичностью, и если их не использовать, они будут безвозвратно потеряны. Тем не менее этот метод согласования самый простой. Он используется, например, на ГЭС, в системах обогрева зданий солнечным излучением с управляемыми заслонками, в ветроколёсах с изменяемым шагом.

2. Системы с накопителями энергии. Накопление энергии ВИЭ может быть обеспечено как в исходном виде, так и преобразованном. Например, в исходном виде: накопление воды в верхнем водохранилище гидроаккумулирующей станции, супер маховик и в преобразованном виде: аккумулятор, электролизные установки.

3. Системы с регулированием нагрузки. Такие системы поддерживают соответствие между спросом и предложением энергии за счёт включения и выключения необходимого числа потребителей. Преимущество этого способа согласования при использовании в энергосистемах с ВИЭ заключается в следующем:

- подключение или отключение потребителей в соответствии с располагаемой мощностью источника позволяет избегать потерь возобновляемой энергии;

- в многоканальной системе регулирования могут учитываться потребности различных потребителей и их приоритеты, при этом, например, потребители с низким приоритетом, которые отключаются первыми, могут снабжаться энергией по низкой цене или, например, нагревательные установки могут питаться не постоянным по величине напряжением;

- потребители, сами обладающие определённым аккумулирующим свойством (водогрейные баки, кондиционеры), могут с выгодой использовать это своё свойство, отключаясь в те периоды времени, когда энергия дорогая;

- в таких системах регулирования можно использовать надёжные, точные, малоинерционные и недорогие электронные и микропроцессорные устройства.