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

Классификация возобновляемых источников энергии. Способы преобразования возобновляемой энергии в тепло и электроэнергию

В окружающем нас пространстве всегда существуют потоки возобновляемой энергии, и энергетика на ВИЭ должна ориентироваться только на них. Все ВИЭ можно представить в трех форматах: механическая энергия (КПД: ветровая-30%; гидроэнергия – 60%, волновой и приливной 75%); тепловая и лучистая энергия(КПД ограничено вторым законом термодинамики – не более 35%); химическая энергия (не более 15%, на космических аппаратах приближается к 30%).

Гидроэнергия – преобразование энергии падающей воды в электрическую. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается гидротурбиной. Турбина вращает вал, который соединен с ротором генератора. Количество вырабатываемой на ГЭС электроэнергии

зависит от потенциальной энергии воды, запасенной в водохранилище, и КПД ее преобразования в электроэнергию. Мощность ГЭС зависит как от количества воды, так и от перепада между водной поверхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегата:

P = ρgQH

где ρ – удельный вес воды, г/см³; g – ускорение свободного падения = 9,81 м/с²; Q – расход воды через турбину, м³; Н – напор воды, м.

Все водотоки несут с собой наносы, которые, оседая в водохранилище, снижают его полезную емкость и ухудшают экологическую обстановку в нем. Поэтому полезное использование ГЭС продолжается от 50 до 200 лет.

Приливные гидроэлектростанции (ПЭС) – ГЭС, использующий энергию приливов. Залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты. В ходе прилива водой наполняется бассейн приливной электростанции. Движение воды вращает турбину, соединенный с ней генераторпри вращении ротора вырабатывает электроэнергию. Во время отлива вода, уходя из бассейна в океан, опять вращает турбину, но теперь в обратную сторону, снова производя электроэнергию. Рабочий агрегат обеспечивает одинаково хорошую работу при вращении в любую из сторон. В промежутках между приливом и отливом движение турбин останавливается. Чтобы не было перебоев, энергетики связывают приливную электростанцию с другими станциями.

Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) – перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее потребляя при этом электроэнергию из системы, когда нагрузка в системе минимальна. В режиме пиков нагрузки ГАЭС работает в генераторном режиме расходуя запасенную воду.

Утка Солтера – поплавки, водяные колеса находясь в контакте с водой, совершают под действием волн колебательные движения. Полученная таким образом кинетическая энергия преобразуется посредством силовых преобразователей и генераторов в электрическую.

Колеблющийся водяной столб – установка, оснащенная пневматическим преобразователем – при набегании волны на частично погруженную полость, открытую под водой, столб жидкости в полости колеблется, вызывая изменение давления в газе над жидкостью. Полость может быть связана с атмосферой через турбину.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) –кинетическая энергия ветра используется для вращения ветроколеса связанного с ротором генератора, вырабатывающего электрическую энергию. Использование энергии ветра экономически целесообразно при скорости ветра более 5 м/с. Ветровая мощность генератора: , где C_p – коэффициент мощности ветроколеса; A– ометаемая площадь ветроколеса; ρ – плотность воздуха;

u₀ – скорость ветра.

Геотермальные электростанции (ГеоТЭС) η = 8-16%. Гидрогеотермальные ресурсы – энергия, заключенная в подземных водах, паре и пароводных смесях. Петрогеотермальные – тепловая энергия в сухой породе. В породе бурится скважина, в которую закачивается вода под большим давлением, в результате чего под замлей образуются резервуары пара и кипятка. Далее бурятся заборные скважины, через которые пар из глубины посупает в бак – аккумулятор ГеоТЭС или в бойлер котельной. Технология преобразования геотермального тепла в электроэнергию зависит от параметров теплоносителя. Если в ГеоТЭС поступает сухой пар под высоким давлением, не содержащий солевых и газовых составляющих, то его можно направить непосредственно на лопатки турбины. Если в воде/паре содержатся механические примеси и газы в небольших количествах, то воду/пар необходимо предварительно очистить через фильтр или методом сепарирования.

Наиболее эффективными областями применения геотермальных вод является отопление, горячее и техническое водоснабжение промышленных, гражданских, коммунальных и сельскохозяйственных объектов. Геотермальная котельная из водозаборной и нагнетающих скважин, бойлера, промежуточного накопителя и распределительной сети. Накопитель предназначен для покрытия пиковых нагрузок. Горячая вода из подземного резервуара поступает в бойлер и передает тепловую энергию теплоносителю, который через распределительную сеть доставляет ее потребителям.

Солнечная энергия. Сформировались следующие направления использования солнечной энергии: - горячее водоснабжение; отопление зданий промышленного и бытового назначения; - холодильные установки; - кондиционирование воздуха; - гелиосушильные установки; - производство электроэнергии. Способы преобразования солнечной энергии:

1.Низкотемпературные установки (солнечный коллектор)–позволяют получать 1250 кВт·ч/м² в год тепловой энергии, позволяющей обеспечить горячее водоснабжение, отопление помещений, получать промышленное тепло, осуществлять сушку растений и т.д.

2.Среднетемпературные установки (параболическое зеркало) – позволяют получать 375кВт·ч/м² в год электроэнергии и обеспечивать потребителей тепловой и электрической энергией.

3.Высокотемпературные установки (гелиостат) – позволяют получать 500 кВт·ч/м² в год электрической энергии и обеспечивать потребителей тепловой и электрической энергией.

4.Электроэнергетические установки (солнечная батарея) – позволяют получать 250 кВт·ч/м² в год электрической энергии и обеспечивать ею оросительные системы, маяки, осветительные установки, охлаждающие установки, радиоприемники и радиопередатчики, космические летательные аппараты, дорожные знаки и т.д.

Коллектор солнечной энергии (КСЭ) – работа основана на принципе «горячего ящика», легко представить на примере нагревания на солнце салона закрытого автомобиля.

1- корпус;

2-теплоизоляция

3- лучепоглощающая поверхность

4- остекление

5- патрубок для подвода теплоносителя

6- выход нагретого теплоносителя

7- коллектор

8- трубки для нагрева теплоносителя

Солнечные параболические коллекторы – позволяют получать более высокие температуры теплоносителя за счет фокусировки солнечных лучей параболическим зеркалом на приемник солнечного излучения.

1- фокус излучения

2- ось

3- параболическое зеркало

4- приемник солнечного излучения

Солнечные батареи – генерация энергии обусловлена пространственным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения. При наличии эл.поля эти заряды могут создавать во внешней цепи эл.ток. Физика явления похожа на классический p-n-переход. Когда свет поглощен соединением, энергия поглощенных фотонов передается электронной системе материала, что приводит к появлению носителя заряда, кот-е разделены переходом. Носителями заряда могут быть пары ион – электрон в жидком электролите или пары электрон – дырка в полупроводнике. Носители заряда создают потенциальный градиент в области перехода, получают ускорение под действием эл.поля и начинают циркулировать в виде эл.тока через внешнюю часть схемы. Ток, протекающий через сопротивление схемы, характеризует энергию фотонов, преобразованную в электричество. Возникновение фотогальвонического потенциала основано на различии химических потенциалов электронов в двух изолированных материалах. При соединении они стремятся к новому термодинамическому равновесию, кот-е получается за свет перетока электронов от одного материала к другому.

Фотоэлектрические преобразователи. Структура и схема замещения солнечного элемента, принцип действия и возможности их использования. Схемы соединения солнечных панелей на 12, 24, 36 и 48 Вольт.

Генерация энергии обусловлена пространственным разделением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения.

При наличии эл.поля эти заряды могут создавать во внешней цепи =эл.ток.

В местах переходов или неоднородностей материала существуют внутренние электростатические поля. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник-полупроводник или металл-полупроводник создают разность потенциалов около 0.5 В и плотность тока 200/м² при плотности солнечного излучения 1 кВт/м².

Физика явления похожа на классический p-n-переход. Когда свет поглощен соединением, энергия поглощенных фотонов передается электронной системе материала, что приводит к появлению носителя заряда, кот-е разделены переходом.

Носителями заряда могут быть пары ион – электрон в жидком электролите или пары электрон – дырка в полупроводнике.

Носители заряда создают потенциальный градиент в области перехода, получают ускорение под действием эл.поля и начинают циркулировать в виде эл.тока через внешнюю часть схемы.

Ток, протекающий через сопротивление схемы, характеризует энергию фотонов, преобразованную в электричество.

Возникновение фотогальванического потенциала основано на различии хим-х потенциалов электронов в двух изолированных материалах.

При соединении они стремятся к новому термодинамическому равновесию, кот-е получается за свет перетока электронов от одного материала к другому.

1- световой поток

2- р-контакт

3-n-контакт

4- поток электронов

5- нагрузка

Физ-е основы работы фотоэлектрической ячейки представлены эквивалентной электр. схемой замещения:

Конечный ток I складывается из тока, сгенерированного световым потоком I_L, за минусом небольшого диодного тока I_d и тока утечки I_sh. Сопротивление R_S – внутреннее сопротивление ячейки текущему току и зависит от глубины p-n-перехода, примесей и сопротивления контактов. Эффективность фотоэлектрического преобразования чувствительна к небольшим изменениям сопротивления R_S. Незначительное увеличение R_Sможет существенно уменьшить выдаваемую мощность и напряжение.

Напряжение холостого хода:

Диодный ток: где,I_D – ток насыщенного диода; Q – заряд электрона (1,6 · 10^-19) Кл; А – постоянная сглаженного графика модуля; К – постоянная Больцмана (1,38· 10^-23 Дж/К); Т – температура.

Ток нагрузки:

Последний член в выражении – ток утечки в землю, имеет небольшое значение относительно первых двух членов, и им пренебрегают.

Ток короткого замыкания равен полному току , сгенерированному световым потоков I_L, т.к. он измеряется при замкнутых накоротко выходных контактах и максимально возможном освещении, небольшим диодным током и током утечки в землю пренебрегают.


Вольт-амперная характеристика фотоэлектрического модуля при солнечном освещении и в темноте.	Энергетическая характеристика фотоэлектрического модуля

Главные факторы, влияющие на исполнение солнечных панелей:

- интенсивность солнечного излучения; - угол падения солнечных лучей; - величина нагрузки; - рабочая температура.

Солнечные элементы нашли свое применение в: - портативной электронике: для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов, различной бытовой техники, калькуляторов, плееров, фонариков и т.д.; - автомобилестроении: для подзарядки электромобилей, в авиации –самолеты, использующие энергию солнца; - энергообеспечении бытовых зданий, населенных пунктов и космических аппаратов.

Схемы соединения солнечных панелей на 12, 24, 36 и 48 Вольт.

Если необходимо выполнить подключение нескольких солнечных батарей, чтобы повысить выходной напряжение, то для этого их необходимо соединять последовательно. Если одна панель выдает 12В, то для того, чтобы получить 24 В необходимо последовательно подключить 2 панели, для 36В – 3 и т.д. Для этого «+» первой панели необходимо подключить к «-» второй и т.д.

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

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

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

Оптические системы СЭС состоят из однотипных, автономно ориентируемых фацетных зеркал – гелиостатов. Благодаря этому в принципы сооружения солнечных электростанций башенного типа с самого начала заложен высокий уровень унификации нового нестандартного оборудования. Это обстоятельство существенно для оценок экономических перспектив данной технологии.

Солар-1 (Барстоу, США) работала с 1982 по 1988 год и была самой большой в мире солнечной электростанцией. Вода превращалась в пар в приемнике и использовалась для запуска обычной паровой турбины.

Станция Солар-1 имела поле 1818 гелиостатов в форме эллипса (рис.6.8).В центре эллипса находится башня с приемником солнечного излучения. Высота башни около 85 м, а расчетная мощность станции составляет 10 МВт.

На станции Солар-1 использован приемник открытого типа, который представляет собой барабан эллипсоидального сечения высотой более 13 м и состоящий из 24 панелей.

1 – приемник;

2 – башня;

3 – щит;

4–панель приемника;
5 – датчик-мишень;

6 – датчик скорости ветра;

7 – барабан;

8 – насосы;

9 – ввод коммуникаций.

В Солар-1 применяется однобаковый масляно-галечный аккумулятор. Система аккумулирования увеличила способность станции вырабатывать электроэнергию ночью и подавать тепло для производства пара низкого качества, чтобы сохранить части станции нагретыми, когда она отключена, и для запуска утром. К сожалению, система хранения была сложна и с позиции термодинамики неэффективна. Ее емкость равнялась 182 МВт тепловой мощности, время аккумулирования 4 ч и максимальная температура в баке 304 °С. Рабочий теплоноситель в контуре аккумулирования теплоты – масло.

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.

В новом проекте предложена двухконтурная система:
в первичном контуре в качестве теплоносителя применяется расплавленная соль, а во вторичном – пар и вода. Основные цели перепроектированной станции, названной Солар-2, заключались в том, чтобы апробировать технологию использования расплавленной соли в качестве теплоносителя, уменьшить технический и экономический риск при строительстве солнечных электростанций.

Приемник электростанции Солар-2 разработан и построен компанией Boeing’s Rocketdyne Division. 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 неповрежденным. Например, если проходит облако и появляется прямое солнечное излучение, в приемнике температура меньше чем за одну минуту может измениться от 290 до 570 ̊C.

Расплавленная соль представляет собой смесь: 60 % нитрата натрия и 40 % нитрата калия. Она тает при 220 ̊C и поддерживается в жидком состоянии при 290 ̊C 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.

Благодаря возможности хранения энергия, выдаваемая в сеть, остается постоянной (колебания солнечной интенсивности покрываются энергией, запасенной в горячем резервуаре).

Аккумулирование энергии и ее выработка в часы максимальных нагрузок очень важны для успеха технологии «солнечной башни», и расплавленная соль является «ключом» для эффективного хранения энергии. Хранение тепловой энергии в электростанции башенного типа позволяет

выдавать электроэнергию в сеть, когда запрос на нее очень высок, таким образом, увеличивая денежно-кредитную ценность электроэнергии.

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1598; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!