Солнечные электростанции башенного типа. Конструкция СЭС и принцип работы по функциональной блок-схеме на базе метановой технологии.

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

Солнечные электростанции башенного типа и на рассредоточенных коллекторах относятся к классу термодинамических СЭС, что подчёркивает их отличие по принципу преобразования энергии солнечного излучения от фотоэлектрических энергетических установок.

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. В конце 70-х годов к этой концепции почти одновременно обратились гелиоэнергетики ряда стран. К середине 80-х годов в Испании, Италии, Франции, США и Японии уже действовали первые экспериментальные СЭС башенного типа мощностью от 1 до 10 МВт. На них были опробованы разнообразные технические решения отдельных подсистем, в определённой мере дополнявшие друг друга, но главные черты проектов подчинялись общему принципу: предварительной концентрации солнечного излучения с помощью зеркальных оптических систем и дальнейшему теплосиловому преобразованию сконцентрированного излучения с использованием элементов оборудования тепловых электростанций.

Оптические системы СЭС состоят из однотипных, автономно ориентируемых фацетных зеркал - гелиостатов. Благодаря этому в принципы сооружения СЭС башенного типа с самого начала заложен высокий уровень унификации нового нестандартного оборудования.

Рис 4.5. Внешний вид СЭС CESA - 1

Строительство первых СЭС башенного типа было инициировано за рубежом энергетическим кризисом середины 70-х годов. В настоящее время строительство новых СЭС рассматривается как упреждающая подготовка резервной технологии перед лицом грядущих энергетических кризисов.

Рис. 4.6. Конструкции приемников солнечного излучения и башен СЭС - а) Solar One;

б) СESA-1:

1 - приемник; 2 - башня; 3 - щит; 4 - панель приемника; 5 - датчик мишень; 6 - датчик скорости ветра; 7 - барабан; 8 - насосы; 9 - ввод коммуникаций

Башенная или модульная СЭС, построенная южнее 45° с.ш., способна развивать в течение 1500-2500 часов в год электрическую мощность 50 МВт в расчёте на 1 км² земельного участка, занятого зеркальной системой. Совершенствование технических решений и использование высоких технологий позволит в будущем увеличить этот показатель более чем в два раза. Для улучшения экономических показателей СЭС, например, на порядок, необходимы соответствующие инвестиции в производственную базу и получение этого результата уже просматривается в ближайшие 15 лет.

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). Их технические характеристики представлены в таблице 4.1. 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.