УДК 621.311:658.26
В.И. Рышков, В.Ю. Ченгин, А.Е. Ковалеров
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕЛИОКОНЦЕНТРАТОРОВ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Приводятся различные виды гелиоконцентраторов, анализируются их достоинства и недостатки, излагаются принципы действия и основные характеристики различных типов гелиотермальных электростанций с зеркальными концентраторами, показываются перспективы их использования, а также возникающие при этом проблемы технического и экологического характера
Ключевые слова: возобновляемая энергия, экология, безопасность, гелиотермальная энергетика, гелиоконцентратор, тепловая машина, двигатель Стирлинга, пар, электроэнергия, фокус, вогнутое зеркало, гелиотермальная установка, температура кипения, параболоцилиндрический концентратор, фокусная линия, солнечное излучение, параболический концентратор тарельчатого типа, приемник тепловой энергии, теплообменник, теплоноситель, теплоизоляция, гелиоцентрическая установка башенного типа, гелиотермальная электростанция, следящая система, модульная конструкция, тепловой баланс, КПД
Разработка, развитие и внедрение новых высокоэффективных технологий использования возобновляемых (альтернативных) источников энергии ныне является единственным способом решения надвигающихся проблем, связанных с исчерпанием запасов ископаемых видов органического топлива.
Одним из главных направлений развития альтернативной энергетики XXI века является солнечная энергетика. Солнце излучает ежесекундно 370·1012 ТДж энергии. Из этого количества на Землю попадает в энергетическом эквиваленте только 1,2·105 ТВт, за год 38·1020 кВт·ч, что в 108 раз больше, чем ныне потребляется во всѐм мире [1].
При использовании высокоэффективных методов преобразования энергии Солнце может практически вечно обеспечивать растущие потребности в ней всего человечества.
Одним из важнейших направлений развития солнечной энергетики является гелиотермальная энергетика, которая основывается на нагревании теплоносителя, соприкасающегося с поверхностью ѐмкости, поглощающей солнечные лучи, с последующим использованием полученного тепла для выработки электроэнергии, отопления и горячего водоснабжения. Причѐм в настоящее время гелиотермальные солнечные электростанции являются экономически более эффективными по сравнению с фотоэлектрическими станциями [1, 2]. Преобразование солнечной энергии в механическую энергию, а затем и в электрическую осуществляется с помощью тепловых машин: паровых (использующих водяной пар, фреоны), или двигателей Стирлинга (двигателей внешнего сгорания).
Вкачестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа. В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы вогнутых зеркал фокусируется на ѐмкости с теплоносителем для его нагрева
сцелью получения горячей воды и пара. Полученная тепловая энергия расходуется по аналогии с обычными ТЭЦ для выработки электроэнергии, отопления и горячего водоснабжения.
Известно, что солнечные лучи в фокусе собирающей линзы или вогнутого зеркала способны создавать высокую температуру, превышающую температуру кипения многих жидкостей. Линзы тяжелы, дороги и трудны в изготовлении, то в промышленных гелиотермальных установках используются зеркала (либо стеклянные, либо из полированного алюминия). Если в фокус зеркала поместить сосуд с теплоносителем, то он быстро нагреется до температуры, необходимой для работы тепловых машин. Таков принцип действия преобразователей прямого солнечного излучения - гелиоконцентраторов.
Взависимости от метода концентрации солнечной энергии различают:
-параболоцилиндрические концентраторы, фокусирующие солнечное излучение на трубах с водой или маслом, расположенных вдоль фокусной линии;
-параболические концентраторы тарельчатого типа, фокусирующие солнечное излучение на приемниках с теплоносителем, которые расположены в точке фокуса каждого зер- кала-тарелки;
166
- гелиоцентрические установки башенного типа, фокусирующие солнечное излучение на центральный приемник, расположенный в верхней части башни.
Высокая температура в фокусе зеркал гелиоконцентратора достигается путем отражения прямого солнечного излучения с большей поверхности и его концентрации на меньшую поверхность приемника тепловой энергии, через который протекает жидкий теплоноситель, поглощающий полученное тепло. Кроме зеркального концентратора и приемника энергии с теплоносителем в электростанцию входят установки, генерирующие пар и электроэнергию, аккумулирующие часть тепла для работы электростанции ночью и в плохую погоду, а также системы передачи тепловой и электрической энергии потребителям.
Следует отметить, что зеркальные параболические концентраторы способны фокусировать только прямое солнечное излучение и не могут рассеянное, что сильно снижает общую эффективность их работы. Даже если солнце зашло за не плотные тучи, выработка тепловой энергии с помощью параболической системы падает до нуля (у обычных же низкотемпературных солнечных коллекторов в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьѐзно снижается, но не до нуля). Поэтому наибольший КПД у таких систем в регионах с высоким уровнем инсоляции. Однако даже там для максимально эффективного использования солнечного излучения необходимо обеспечить ориентацию концентраторов в направлении солнца. Для этого их оснащают специальной системой, следящей за Солнцем, которая поворачивает зеркала «лицом» к солнцу [2].
Одноосные следящие системы поворачивают зеркала параболических концентраторов в вертикальной (угломестной) плоскости, а двухосные - как в вертикальной, так и в горизонтальной (азимутальной) плоскости для ориентирования системы на Солнце в течение всего светового дня в любое время года. Стоимость такой системы велика и достигает 3/4 стоимости всей энергоустановки. К тому же следящие системы требуют постоянного контроля со стороны технического персонала, а также периодического обслуживания. Вследствие этих причин себестоимость тепловой и электрической энергии, вырабатываемой такими солнечными энергоустановками пока очень высока. Солнечные параболоцилиндрические концентраторы, имеющие длину до 50 метров с ориентацией восток - запад и располагающиеся рядами в направлении север-юг, фокусируют солнечное излучение в линию, в которой расположена труба небольшого диаметра с протекающим в ней теплоносителем. Зеркала в фокусе обеспечивают более, чем стократную концентрацию солнечной энергии, которая нагревает теплоноситель почти до 400 °С [3].
Нагретый теплоноситель проходит через ряд теплообменников, вырабатывая пар, вращающий турбину парогенератора, генерирующего электроэнергию. С целью минимизации тепловых потерь, поглощающую солнечную энергию трубу с протекающим в ней теплоносителем, размещают внутри прозрачной стеклянной трубы, выполняющей функцию теплоизоляции. В целях повышения эффективности параболоцилиндрические зеркальные установки оснащают системами слежения за Солнцем по углу места. Солнечные электростанции с зеркальными концентраторами тарельчатого типа представляют собой ряд параболических зеркал, формой напоминающих спутниковые тарелки. С помощью зеркал происходит фокусировка солнечного излучения на приѐмники энергии с теплоносителем, расположенные в точке фокуса каждого зеркала-тарелки. Температура нагрева теплоносителя достигает 1000 °С. Полученный пар, вращает турбину парогенератора, вырабатывающего электроэнергию. Для повышения эффективности работы электростанции зеркальные концентраторы оснащают системами слежения за Солнцем по азимуту и углу места. Модульный тип конструкции солнечной электростанции с зеркальными концентраторами тарельчатого типа делает их весьма перспективными, т.к. позволяет легко добиться требуемых мощностей, а, следовательно, и удовлетворять потребности различных потребителей. Такие станции могут состоять как из одного модуля (маломощные автономные электростанции), так и из нескольких десятков модулей (мощные электростанции, работающие параллельно с сетью). Концентратор отдельного модуля может состоять из одного или нескольких зеркал в форме тарелок,
167
радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров, а их количество - нескольких десятков (в зависимости от мощности модуля). Солнечные системы тарельчатого типа, использующие двигатели Стирлинга, обладают наибольшей эффективностью. Их КПД составляет 29 %, что фактически является мировым рекордом по эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую форму [3].
Вгелиоцентрических солнечных электростанциях башенного типа фокусировка солнечного излучения на центральный приемник, расположенный в верхней части башни, осуществляется зеркальными концентраторами – гелиостатами, оснащѐнными управляемой компьютером системой слежения за Солнцем по азимуту и углу места. Благодаря чему высоко сконцентрированные солнечные лучи в любой момент времени падают на приемник с теплоносителем. Полученный пар вырабатывает электроэнергию, вращая турбину парогенератора, а затем используется на производстве, а также для отопления и горячего водоснабжения. Рабочим телом в тепловом двигателе обычно является водяной пар с температурой 550 °С, воздух и другие газообразные вещества с температурами до 1000 °С, органические жидкости с низкой температурой кипения – до 100 °С, а также жидкометаллические теплоносители – до 800 °С. Температурный диапазон в приемнике варьируется от 538 до 1482 °С [3].
Внастоящее время на гелиотермальных станциях такого типа используются усовершенствованный приемник и теплоаккумулирующая система на расплавленных солях, что стало революционным прорывом в солнечных технологиях. Применение технологии расплавленной соли, позволяющей сохранять тепло при температуре 550 °С, сделало возможным генерирование электроэнергии при любых погодных условиях и даже ночью (накопленного тепла хватает на 15 часов работы в темное время суток и в пасмурную погоду), что послужило толчком для создания крупных промышленных электростанций. На гелиотермальных станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %) и высокие мощности [3, 4]. Однако, несмотря на открывающиеся перспективы, крупномасштабному использованию солнечных электростанций башенного типа препятствует ряд причин, основными из которых являются: необходимость больших площадей для их размещения и очень высокая стоимость генерируемой ими энергии. Так, например, площадь, необходимая для размещения электростанции башенного типа мощностью 100 МВт, составит 200 га, тогда как для АЭС мощностью 1000 МВт требуется всего 50 га. Причѐм АЭС значительно дешевле [2, 4]. Кроме того, солнечные концентраторы оказывают негативное воздействие и на экологию в районе расположения станции [1, 2]:
- большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям условий для растительности, почвы;
- нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями, приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров, а в некоторых случаях возможны также перегрев и возгорание самих концентрирующих систем;
- особую опасность представляют низкокипящие жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами, которые в случае их неизбежной утечки в солнечных энергетических системах при длительной эксплуатации могут привести
кзначительному загрязнению окружающей среды.
Опыт эксплуатации различных типов солнечных тепловых электростанций с зеркальными концентраторами позволяет сделать следующие выводы [1, 3, 4]:
-для крупных электростанций мощностью от 30 до 200 МВт наиболее приемлемы башенные и параболоцилиндрические конструкции, работающие совместно с традиционной энергосистемой;
-модульные системы тарельчатого типа целесообразно использовать в автономных системах мощностью в несколько МВт;
-башенные и тарельчатые гелиосистемы имеют более высокий КПД преобразования солнечной энергии в электрическую форму, однако их стоимость пока ещѐ достаточно высо-
168
ка и неизвестно, как скоро удастся добиться еѐ снижения;
-напротив, несмотря, на меньший КПД, параболоцилиндрические концентраторы, имеют в обозримом будущем наибольшие перспективы использования, это уже апробированная и более дешѐвая технология;
-большинство солнечных энергоустановок концентрирующего типа не имеет аккумуляторов тепловой энергии (а, следовательно, не могут обеспечивать потребителей энергией ночью и в пасмурную погоду), то подобные установки целесообразно строить гибридные комплексы;
-при промышленных масштабах генерации тепловой и электрической энергии в местностях с высоким уровнем инсоляции солнечные электростанции с зеркальными концентраторами уже в ближайшем будущем смогут конкурировать с традиционными источниками. Кроме того, на наш взгляд целесообразно разрабатывать и строить мини установки с параболическими концентраторами мощностью 9 - 25 кВт, а также бытовые - мощностью 3 кВт. КПД подобных систем 22 – 24 %, что выше, чем у сегодняшних фотоэлектрических элементов.
Литература
1.Андреев С.В. Солнечные электростанции. - М.: Наука, 2002. - 528 с.
2.Рубан С.С. Нетрадиционные источники энергии. - М.: Энергия, 2003. - 436 с.
3.Солнечная энергетика. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www. agencynau .tj/energo/solnechnaya.html
4.Гелиоэлектростанции. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://solarbattery.narod.ru/gelio.htm
ФГКВОУ ВПО «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военновоздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»» (г. Воронеж)
V.I. Ryshkov, V.Yu. Chengin, A.E. Kovalerov
USING HELIOCONCENTRATORS FOR HEAT AND ELECTRIC ENERGY DEVELOPMENT
Various types of helium concentrators are analyzed, their advantages and disadvantages are analyzed, the principles of operation and the main characteristics of various types of solar thermal power plants with mirror concentrators are described, the prospects for their use, as well as the technical and environmental problems that arise
Key words: renewable energy, ecology, safety, solar thermal energy, helio-concentrator, heat engine, Stirling engine, steam, electric power, focus, concave mirror, solar thermal installation, boiling point, parabolic cylindrical concentrator, focal line, solar radiation, parabolic disk-type concentrator, receiver of heat energy, heat exchanger, coolant, heat insulation, heliocentric installation of a tower type, solar thermal power plant, servo system, module naya design, heat balance, efficiency
Federal State Official Military Educational Institution of Higher Professional Education «Military Educational Research Centre of Air Force «Air Force Academy named after professor
N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin»» (Voronezh)
УДК 621.311:658.26
В.И. Рышков1, С.А. Домнич2
ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Даѐтся сравнительный анализ развития альтернативной энергетики в России и за рубежом, показываются перспективы еѐ развития, приводятся основные проблемы освоения возобновляемых источников энергии и успехи в их преодолении
Ключевые слова: энергоресурсы, возобновляемые источники энергии, альтернативная энергетика, энергетический комплекс страны, ветровые, солнечные, геотермальные, приливные и биоэлектростанции, эффективность энергоснабжения и энергосбережения
Бурно растущие с конца XIX века темпы промышленного развития вызвали необхо-
169
димость сверхинтенсивного освоения и развития сначала топливной, а затем и атомной энергетики. Это привело к стремительному истощению запасов ископаемого органического топлива и к все более возрастающей опасности радиоактивного заражения и парникового эффекта земной атмосферы. Даже если энергетического кризиса удастся избежать миру рано или поздно придется, столкнуться с тем, что запасы невозобновляемых сырьевых ресурсов - нефти, газа и угля - будут исчерпаны. По расчетам специалистов, при нынешних объемах добычи угля на Земле хватит лет на 400-500, а нефти и газа - максимум на столетие. К тому же опустошение земных недр и сжигание топлива год от года ухудшают экологию. Поэтому в настоящее время перед человечеством стоит задача освоения экологически чистых, возобновляемых, или, как их сейчас называют, альтернативных, источников энергии. Так что неслучайно президент РФ В. Путин в своем недавнем послании Федеральному собранию РФ отметил, что Россия должна стать инициатором и «законодателем мод» в энергетических инновациях, в новых технологиях преобразования энергии, в поиске современных форм ресурсо- и недропользования. Россия может и должна стать альтернативным мировым энергетическим центром.
О такой трансформации мышления свидетельствуют и принятые еще в январе 2009 года российским правительством «Основные направления государственной политики в сфере повышения эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года». В соответствии с этим документом, доля альтернативной энергетики, или возобновляемых источников энергии, в нашей стране, как предполагается, составит к 2020 году 4,5 % [1]. Несмотря на то, что о необходимости развития альтернативной энергетики у нас говорят еще с 20-х годов прошлого века, сегодня ее доля в общем производстве электроэнергии в России не дотягивает и до 1 %.
Для того чтобы представить, насколько ничтожна эта цифра, можно привести в пример Швецию, где идентичный показатель составляет 24 %. И вообще, эта страна планирует к 2020 году полностью отказаться от органического топлива. Так что, наша программа на этом фоне выглядит более чем скромно. По мнению многих экспертов, даже при нынешних «повышенных обязательствах» для того, чтобы догнать «передовиков», нам понадобится, как минимум, полвека.
По подсчетам Института энергетической стратегии, на Россию приходится 12 % мировых запасов нефти, 35 % запасов газа, 16 % угля и 14 % урана. И это при населении, составляющем всего 2,4 % от численности человечества. Поэтому до недавнего времени считалось, что мы безмерно богаты и можем позволить себе поставлять энергоресурсы в другие страны. В результате чего наша экономика превратилась в сырьевую, а запасы нефти и газа за последние годы существенно сократились. Причем газо- и нефтедобывающие мощности российских компаний сегодня из Западной Сибири постепенно перебазируются в Восточную Сибирь, на тихоокеанский и арктический шельфы. Очевидно, что их добыча и транспортировка будут связаны с немалыми техническими трудностями и, естественно, с огромными затратами. А главное – они ведь тоже конечны, как и казавшиеся когда-то бездонными подземные кладовые Уренгоя, месторождения Татарстана. Так что, потратив огромные средства на развитие нефтяной и газовой промышленности, спустя несколько десятилетий мы снова столкнемся с дефицитом энергоресурсов. И это неизбежно, если альтернативная энергетика из вспомогательной не превратится в основную часть энергетического комплекса страны.
Отставание в этой сфере грозит тем, что развитые страны, стремящиеся освободиться от энергетической зависимости, связанной с поставками нефти и газа из России и арабских стран, в ближайшие годы уйдут вперед. И тогда уже мы окажемся в зависимости от них, поскольку, истощив свои запасы органических невозобновляемых энергоносителей, мы будем вынуждены покупать на Западе современные «альтернативные» технологии и новую технику. Пока же удельный вклад возобновляемых ресурсов в мировое энергопроизводство составляет порядка 7,5 %. Но это «в среднем» по миру. В то время как в отдельно взятых промышленно развитых странах доля ветровых, солнечных, геотермальных и других альтерна-
170