Солнечные электростанции: усовершенствование технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. СЕРИКБАЕВА

Кафедра «Промышленная энергетика»

РЕФЕРАТ

Тема: «Солнечные электростанции: усовершенствование технологий»

Выполнил:

студентка группы 09-ЭЛ-1 Мамлеева Н.А.

Принял: старший преподаватель

Абенова К.З.

?скемен

Усть-Каменогорск

2011

СОДЕРЖАНИЕ

1 Обзор технологий солнечных электростанций

2 Развитие электроустановок солнечных электростанций

3 Техника солнечной энергии

Список литературы

1 Обзор технологий солнечных электростанций

солнечная электростанция батарея

На сегодняшний день всем известна проблема энергосбережения, множество учёных мира борются с ней, разрабатывая новые технологии в энергетике. Одно из решений данной проблемы является идея использования солнечной радиации. С развитием солнечной энергии произошло и развитие новых технологий. Для получения солнечной радиации возведены солнечные электростанции, которые требую улучшения. Были построены солнечные дома, которых ещё называют пассивными домами. Эти дома используют солнечную радиацию для обогрева, получения энергии и охлаждения. Так же были изобретены солнечные автомобили, на которых проводится ежегодное соревнование по преодолению расстояния в 3000 км. В Японии, одной известной компанией по производству средств коммуникации, был разработан сотовый телефон, который может заряжаться от солнечной радиации. Так же было изобретено и множество других технологий, использующих энергию солнца.

В основном развитием солнечной энергии занимаются Южные страны, такие как США, Испания, Япония, Германия. Новые изобретения для СЭС предоставила компания США Stirling Energy - установка SunCatcher, которая может вырабатывать 60 000 кВтч электроэнергии в год. Этого хватит для энергообеспечения дюжины частных домов.

Для решения спада эффективности фотоэлектрических элементов при их нагреве, аризонская компания First Solar изобрела солнечные батареи, в которых вообще не используется кремний, поэтому не возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных, хотя с другой стороны, в фотоэлектрических преобразователях третьего и четвёртого поколений используют для охлаждения преобразование теплового излучения. Оно наиболее согласованное с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента, что одновременно повышает КПД.

Испанская компания Albengoa Solar при построении солнечной электростанции планирует построить термос-теплохранилище, который позволит электростанции работать без всякого солнца в течение шести часов.

Российскими учёными, в городе Дубне, был открыт и запотентован новый фотоэлемент - гетероэлектрик, на основе которого были собраны так называемые «звёздные батареи», они должны работать не только днём, но и ночью.

Так же американскими учёными вместе с NASA была решена проблема, связанная с пылью, которая оседает на солнечных панелях. Ведь при скапливании пыли мощность электростанции уменьшается на 40%.

При сравнении этих изобретений, конечно следует выделить изобретение россиян. Казалось бы, что созданный ими гетероэлектрик мог бы решить все проблемы солнечных электростанций и множества других достижений науки. Но после презентации, прошедшей в 2006 году, на которой российская группа ученых представила своё изобретение и объявила о поиске спонсоров, сведения об использовании и запуске таких батарей в производство так и нет до сегодняшнего дня, возможно, либо гетероэлектрик оказался всего лишь «пустышкой», либо сведения о данной разработке засекретили.

Новшества для солнечных электростанций, описанные выше, решают далеко не все проблемы, поэтому ученые всё чаще и чаще стали задумываться о возможности размещения солнечной электростанции в космосе.

Профессор Дэвид Крисвелл из Института космических систем города Хьюстона, США, на заседании американского Геофизического союза, где обсуждались альтернативные экологические источники энергии, рассказал о своих идеях по созданию электростанций на Луне. Его лунные установки будут аккумулировать солнечную энергию и передавать ее на Землю в виде микроволновых лучей.

В Японии космическую СЭС планируют привести в действие к 2030 году, а в США фирма Solaren хочет разместить солнечные батареи на космической орбите к 2016 году.

Стоимость проектов составляет миллиарды долларов, поэтому вопрос о создании солнечных электростанций в космосе остается открытым.

К сожалению, на сегодняшний день, в Республике Казахстан солнечных электростанций нет. Так как нет возможностей для их создания, в связи с отсутствием заводов-изготовителей, электрооборудования для таких электростанций.

На сегодняшний день, электроэнергия, вырабатываемая солнечными электростанциями, составляет всего лишь 0,04% от всей энергии и является сравнительно дорогой. Возможно использование солнечной радиации и не решает всех проблем в энергосистеме, но её развитие продолжается, ведь солнце - это возобновляемый источник энергии и тепла, что так необходимо человечеству, хотя такие электростанции не могут конкурировать с более мощными - ТЭС, ГЭС, АЭС, потому что самая высокая мощность СЭС составляет 60 МВт, а КПД достигает максимум 31,2%. Эти цифры значительно меньше, чем у вышеперечисленных электростанций.

2 Развитие электроустановок солнечных электростанций

По данным аналитиков текущий объем рынка солнечных батарей составляет около 24 миллиардов долларов. На солнечную энергетику приходится менее 0,04% мирового производства энергии, но если покрыть солнечными панелями всего лишь 4% пустынь Земли, этого хватит, чтобы удовлетворить все потребности человечества в энергии. Пыль была одним из главных препятствий в строительстве солнечных электростанций в безжизненных засушливых регионах, но с новой технологией самоочистки солнечных батарей, возможно, там развернется масштабное строительство.

Не так давно, ученые нашли решение проблемы пыли. Они разработали самоочищающиеся солнечные батареи, чтобы решить проблему, которая, конечно не совсем, но тормозит развитие солнечной энергетики. Солнечные батареи будут сами очищать себя от пыли - такое раньше казалось трудно реализовать. Но ученые из Американского химического общества предложили выход - самоочищающиеся солнечные батареи на основе новых технологий, разработанных для космических полетов.

Основа инновационной технологии самоочистки солнечных батарей - тонкая прозрачная электрочувствительная пленка, которая наносится на стекло или пластиковое покрытие солнечных панелей. Если концентрация пыли достигает критического уровня - специальные датчики активизируют пленку, которая с помощью электрического разряда отталкивает пыль. Образуется «волна» пыли, которая толкает загрязняющие частицы к краям солнечной панели и сбрасывает их на землю. По такой технологии удаляется около 90% пыли в течение 2 минут. Для работы системы требуется совсем немного электроэнергии. Эта новая технология изначально разрабатывалась совместно с NASA для использования в полетах на Луну и Марс, которые известны своей пыльной и сухой средой.

Например, в Аризоне каждый месяц на солнечной панели осаждается примерно в 4 раза больше пыли, Ближний Восток, Австралия и Индия - еще более пыльные регионы. Пыль смывают водой, но это дорого, да и найти воду в пустыне, месте, где выгоднее всего устанавливать солнечные панели, весьма проблематично.

Ещё одну идею предложили американские учёные компании Stirling Energy. В большинстве солнечных электростанций огромные конструкции из зеркал концентрируют солнечную энергию, отдают ее теплоносителю, а тот приводит в действие большую центральную турбину. В установках компании Stirling Energy, под названием SunCatcher, каждая 13-метровая тарелка питает энергией свою машину Стирлинга, расположенную прямо в фокусе зеркала. Такая машина сама по себе выдает свои 25 кВт электричества. Таким образом, подобная установка может работать как автономно, так и в составе ансамбля из 30 000 себе подобных.

Машина Стирлинга, показанная на рисунке 1, это система замкнутого цикла. В этой машине механическую энергию получают за счет внешнего источника тепла, что принципиально отличается от действия двигателей внутреннего сгорания, работающих под капотами большинства автомобилей. Внутри четырех цилиндров объемом по 95 см3 содержится газообразный водород - при нагревании и охлаждении он расширяется и сжимается, поршни в цилиндрах движутся туда-сюда, а от них вращается небольшой электрогенератор. И параболическая тарелка, и данный двигатель - плоды целого десятилетия упорной работы, которая проводилась в сотрудничестве с компанией Stirling Energy Systems.

Рисунок 1 - машина Стирлинга

Испытание электроустановки происходили в пустыне. Температура была около нуля, а небо было на 8% прозрачнее, чем обычно. Чем больше разница между холодным воздухом и жарким солнцем, тем эффективнее работает эта машина. И вот 25-киловаттная система начала выдавать электроэнергию. Коэффициент преобразования оказался самым высоким из всех, когда-либо достигнутых в коммерческих солнечных установках: 31,25% солнечной энергии, падающей на зеркальную тарелку, отдавалось в виде тока в электросеть.

Революционное преимущество новой технологии состоит в том, что солнечные лучи концентрируются в одном очень небольшом пятне. Это позволяет достичь средней температуры 800°С, сравните с 400°С, которые достигаются в рабочем режиме установки на базе параболического желоба, Кроме того, кривая, отражающая коэффициент полезного действия машины Стирлинга, имеет относительно длинное плоское плато. Иначе говоря, энергоотдача будет близка к максимуму, даже если солнце склоняется к закату или его прикрывают облака.

Модульная структура станции имеет и другое важное достоинство. Поскольку каждый 25-киловаттный SunCatcher работает на собственную машину Стирлинга и вырабатывает электроэнергию совершенно автономно, система не имеет таких узлов, которые в случае отказа угрожали бы работоспособности всей системы. В альтернативной конструкции с параболическим желобом все эти тысячи зеркал работают на одну центральную турбину, так что при остановке турбины хотя бы для профилактики подача электроэнергии сразу должна прекратиться. И еще один момент: вариант SunCatcher позволяет начать отпуск энергии задолго до того, как строительство электростанции будет закончено. Достаточно будет собрать первые 40 тарелок - «солнечную группу» - и станция начнет вырабатывать электроэнергию, для начала хотя бы 1 МВт.

Брюс Осборн, президент и компании Stirling Energy, считает этот результат просто дополнительным подтверждением тому, что он давно уже знал: система SunCatcher достаточно созрела, чтобы выйти из стен лаборатории. «Этап, который можно назвать интеллектуальным прорывом, позади, - говорит президент. - Нам остается только взять полученные прототипы и сделать из них недорогие конструкции для массового производства. Слово за инженерами». Для этой цели компания Stirling Energy заключила крупномасштабные контракты с двумя предприятиями из Южной Калифорнии. Те обещают построить 70 000 установок, которые дадут энергию для миллионов жилищ.

Проблему, которая изрядно обесценивает все варианты солнечной энергетики: солнце село - рабочий день закончен, решили США и Испания.

Как известно, в Аризоне летом жарко, как в пекле, так что кондиционеры у людей работают до 9 -10 часов вечера. Зато горячую жидкость хранить гораздо проще, чем электроэнергию. Как сказал один из промышленников, в 5-долларовом термосе с горячей водой хранится столько же энергии, сколько в 150-долларовой батарее ноутбука. Только в одном случае это тепловая энергия, а в другом - электрическая, переведенная в электрохимические связи. Принцип хранения тепловой энергии реализован в двух 50-мегаваттных электростанциях, которые к концу этого года практически построены в Испании. При них располагаются гигантские термосы, заполненные расплавленной солью. В США один такой тепловой энергоаккумулятор введён в эксплуатацию в 2011 году. Его построили в Джила-Бенд, штат Аризона. 280-мегаваттная электростанция Solana, которую строит испанская компания Albengoa Solar, тоже спроектирована по схеме параболического желоба. При ней также предполагается установить термос-теплохранилище, который позволит электростанции работать без всякого солнца в течение шести часов. «Мы можем построить станцию, которая будет работать круглые сутки, - говорит Фред Морзе, консультант из Albengoa Solar, - но только в этом нет никакого коммерческого смысла». Ведь электростанция должна удовлетворять потребность в электроэнергии в те часы, когда эта потребность существует и когда цена на электричество наиболее высока.

Выпуском солнечных батарей на пленочной основе, то есть вместо фотоэлементов на кремниевой основе использовалась тонкая пленка из теллурида кадмия, занялась компания First Solar. Себестоимость их продукции составляет вдвое меньше, чем стоимость аналогичных батарей на кремниевой основе, причем этот показатель продолжает снижаться. С 2006 по 2007 год First Solar увеличила объемы производства в четыре раза. Сейчас суммарная мощность выпускаемых за год батарей составляет 396 МВт, а в 2012 году должна достигнуть 1000 МВт.

Представители Научного центра прикладных исследований (НЦеПИ) Объединённого института ядерных исследований в Дубне представили новую разработку - "звездную батарею". В основе батареи лежит гетероэлектрик - новое вещество на основе наночастиц золота и серебра - открытый специалистами НЦеПИ и запатентованный в России. Гетероэлектрик "загоняет" состоящий из волн разной длины солнечный свет на одну частоту, тем самым, повышает эффективность батареи.

Источник питания состоит из двух основных элементов: гетероэлектрического фотоэлемента, преобразующего видимый и инфракрасный свет в электричество, и гетероэлектрического конденсатора, накапливающего энергию. Подобный элемент обладает уникальной способностью работать не только днём, но и ночью, используя видимые и инфракрасные световые потоки, из-за чего его и назвали "звездной батареей". Преимущества этой батареи, в том, что эффективность преобразования видимого спектра в электроэнергию составляет 54%, а инфракрасного света в электроэнергию - 31%. Кроме того, фототок гетероэлектрического фотоэлемента вчетверо выше, чем у солнечных батарей.

Производство электроэнергии с помощью солнечных батарей экологически безопасно, но вот само их создание загрязняет окружающую среду многими вредными веществами. Поэтому профессор Дэвид Крисвелл из Института космических систем в городе Хьюстон, США, на заседании американского Геофизического союза, где обсуждались альтернативные экологические источники энергии, рассказал о своих идеях по созданию электростанций на Луне. Его лунные установки будут аккумулировать солнечную энергию и передавать ее на Землю в виде микроволновых лучей. Изобретатель утверждает, что этот способ экологичен, источник энергии почти неисчерпаем, а добыча в конечном счете не требует механических усилий и денежных затрат. А для начала, по мнению Крисвелла, нужно решить проблему строительства лунных электростанций, которые будут сооружаться из лунных материалов. Породы Луны богаты кремнием, кислородом, кальцием, алюминием, титаном, магнием и другими элементами периодической системы Менделеева, необходимыми для производства основных элементов электростанций, -- кремниевых фотоэлектрических преобразователей, ферменных конструкций, кабелей, СВЧ-устройств и так далее. Строительство энергетических объектов можно будет поручить роботам, которые уже сегодня способны осуществлять такие работы.

Единственная проблема, которая, по словам ученого, может помешать осуществлению проекта, -- это отказ правительства США в финансировании, хотя денег нужно всего ничего -- 60 миллиардов долларов, что только в три раза превышает бюджет космической программы «Аполлон». На Луне нет атмосферы, и как следствие этого, помех для солнечного света -- облаков и атмосферной пыли. На ее поверхность поступает более широкий диапазон излучений, чем на Землю. Да и гораздо выгоднее использовать уже имеющуюся площадку -- Луну, нежели организовывать новые -- искусственные спутники.

Серьезная угроза для безопасной работы станции на Луне -- это микрометеориты, которые могут повредить поглощающие элементы. По мнению специалистов NASA, в этом случае пять таких энергостанций надо монтировать на экваторе спутника. Тогда в любой момент времени две или три из них будут находиться на дневной стороне и работать на полную мощность, а остальные -- на ночной, то есть защищенной стороне. По расчетам Крисвелла, проект должен окупиться в течение пяти лет.

О том, как передать на нашу планету энергию, полученную в космосе, ученые спорили давно, были даже попытки продемонстрировать на Земле работоспособность одного из предлагаемых способов. Так называемая беспроводная передача энергии из космоса понималась как передача энергетического луча с геостационарных спутников на поверхность нашей планеты. На управляемом Францией острове Реюньон в Индийском океане полным ходом идет строительство установки для беспроволочной передачи электроэнергии. То, что недавно казалось фантастикой, становится былью: впервые в истории человечества ток будет передаваться буквально по воздуху. Опробуют новый метод в одной из деревень острова, которая находится на дне глубокого каньона. Поэтому проложить туда обычную линию электропередач невозможно.

Облегчит жизнь островитянам технология, которая применяется в обычных микроволновых печах. Действует она следующим образом: ток из сети сначала преобразуется в микроволны с помощью такого же, как в обычных печах, устройства, только работающего на иных частотах. Затем направленные волны посылаются на приемные антенны. Те улавливают пучки микроволн и снова превращают их в постоянный ток, пригодный к употреблению.

Как известно, привычное для нас электроснабжение по проводам достаточно эффективно лишь при наличии расположенной поблизости электростанции. Финансовые затраты быстро возрастают по мере увеличения расстояния до потребителя, одновременно растут и потери энергии. Поэтому специалисты считают, что микроволновая технология может оказаться востребованной при передаче энергии с Луны на Землю.

3 Техника солнечной энергии

С развитием солнечных электростанций, увеличились масштабы использования солнечной энергии в различных отраслях производства промышленности, использующей энергию солнца.

Два крупнейших гранта были получены компаниями Dow Chemical и Solexel and Owens Corning, которые совместно занимаются разработкой интегрированных фотогальванических проектов. Dow ищет решения, которые позволят интегрировать компоненты, необходимые для выработки солнечной энергии, прямо в строительные материалы. При таком подходе, новые здания получат функциональность солнечных электростанций по умолчанию, без установки дополнительных модулей и панелей. Solexel разрабатывает специальные фотогальванические плитки и модули для крыш.

High Tech Wealth, известный поставщик телекоммуникационного оборудования из Китая, разработал мобильный телефон, который работает на солнечной энергии. Компания заявляет, что это первый в мире мобильник, который может зарядиться с помощью энергии солнца. После пребывания на солнечном свете в течение часа телефон может работать в режиме разговора до 40 минут. Солнечная батарея мобильника, как обещают, сможет заряжаться и от других источников света, например, свечей. По заявлению представителя Hi-Tech Wealth, срок действия аккумулятора этого сотового в 2,5 раза больше, чем у традиционных батарей.

Дизайнер Эндрю Шнайдер из США к началу летнего сезона создал бикини с солнечными батареями. Благодаря специальным пластинам, нашитым на купальник и генерирующим электроток, можно не только заряжать мобильный прямо от купальника, но также подключать к нему MP3-плеер или небольшой вентилятор.

Ещё одно применение солнечной энергии нашло себя в построении солнечных домов, или иными словами пассивных домов. Солнечный дом - это современный уровень культуры жилья. Его эффективность и распространение в значительной степени зависят от такой простой истины, как экономное отношение к получаемой энергии. Он должен иметь надежную теплоизоляцию, современную вентиляционную технику, кондиционеры, то есть не должен выбрасывать тепло «на ветер». Как показывает опыт, только за счет экономии тепла расходы электроэнергии сокращаются в несколько раз. В таком доме, обеспечивающем себя не только теплом, но и электроэнергией, используется гелиоустановки, теплоноситель у которых является вода, с температурой нагрева 200-500 °С при обязательном использовании концентраторов - зеркал, отражающих свет с большой площади на коллектор.

Все чаще применяются в солнечных установках фотоэлектрические преобразователи на основе кристаллов кремния и арсенида галлия. Последние обладают лучшей тепловой устойчивостью и более высоким КПД, реально до 20%. Применение гетероструктурных полупроводников, увеличивает эффективность преобразователей вдвое. Панели солнечных преобразователей, располагаемых, как правило, в верхней части здания, заменяют тепловой коллектор, и вырабатывают ток, идущий на освещение, обогрев и механические работы.

Компанией Conserval Engineering, Канада производится "солнечная стена" - это вторая стена, устанавливаемая с зазором примерно в несколько сантиметров поверх южной стены здания. Этот дополнительный слой представляет собой тонкие панели из алюминия или стали, с чёрным покрытием и множеством маленьких отверстий по всей площади. Верхняя часть образовавшейся между стенами полости соединяется с вентилятором, подающим воздух с улицы в здание. В осенне-зимний период, когда есть солнце, чёрные пластины "Солнечной стены" заметно нагреваются. Воздух с улицы втягивается в отверстия, нагревается в промежутке между стенами и попадает в помещение. Более того, уходящее через настоящую стену (кирпич или та же сталь) здания, ту самую стену поверх которой смонтирована стена "Солнечная", внутреннее тепло прогретого помещения здесь не пропадает зря, а помогает нагревать поступающий внутрь свежий воздух. Так существенно снижается необходимая мощность штатной системы обогрева здания. Летом же, как ни странно, эта чёрная стена помогает зданию охлаждаться. Только теперь в системе переключаются заслонки, и нагретый в фальш-стене воздух сразу выбрасывается наружу, а вот его восходящий поток помогает засасывать в здание, через другие каналы, воздух с улицы. И та же стена мешает южному фасаду здания перегреваться. Так снижается требуемая мощность штатной системы кондиционирования. Установленные на ряде промышленных сооружений "Солнечные стены" экономят теперь своим владельцам тысячи долларов в год, а планете - тонны и тонны топлива для электростанций.

Многие люди и даже целые компании работают над созданием автомобиля получающего энергию от солнечных батарей. Говорить о начале серийного производства конечно рано, но всё же кое какие сдвиги в этой области есть. В Австралии раз в два года проходит гонка солнцемобилей World Solar Challenge. Длина трассы составляет чуть более 3000 километров. Рекорд средней скорости прохождения трассы более 100 км/ч. Среди команд участниц, многие представляют те или иные университеты. Так что создаётся впечатление, что гонка - это своего рода лаборатория по созданию альтернативного транспорта. Международные гонки автомобилей на солнечных батареях прошли впервые в 1987 году. Они задумывались для стимулирования развития технологий для нужд транспорта будущего. И надо признать, что свою лепту в это вносят. Если первый победитель в 1987 году финишировал со средней скоростью 67 км/ч., прогресс очевиден. Необходимо отметить, что раньше солнцемобили серьёзно замедлялись при кратковременных уменьшениях солнечного потока, сейчас же, с внедрением литиевых батарей, это не оказывает существенного влияния.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Новые технологии в мире: www.eren.doe.gov.

2. Википедия: www.vicipedia.ru.

3. Грабмайер И.Г. Сименс - Франкфурт: 1990.

4. Андреев С.В. Солнечные электростанции - М.:Наука 2002.

Размещено на Allbest.ru