Новый рассвет солнечной энергетики: солнечные электростанции
- Любая такая тарелка, другими словами любая установка SunCatcher компании Stirling Energy, может производить 60 000 кВтч электричества в год. Этого хватит для энергообеспечения дюжины частных домов
Электростанция по схеме параболического желоба На электростанции Solar One в штате Невада посредством 180 000 зеркал теплоноситель на базе минерального масла нагревают до 400 °C
- Долгие зеркала в параболических желобах фокусируют падающий свет на узкую трубку, тянущуюся параллельно желобу. В трубке циркулирует жидкость-теплоноситель. После этого ее нагревают до 400 °C и подают в теплообменник (1), где принимающая тепло вода доводится до кипения, а пар крутит турбину (2). На таких электростанциях нового поколения неизрасходованную тепловую энергию накапливают в термосах с расплавленной солью (3).
- Это тепло понадобится для работы в ночную смену либо при облачной погоды
В большинстве солнечных электростанций огромные конструкции из зеркал концентрируют солнечную энергию, отдают ее теплоносителю, а тот приводит в воздействие громадную центральную турбину. В установках компании Stirling Energy любая 13-метровая тарелка питает энергией свой автомобиль Стирлинга, расположенную прямо в фокусе зеркала. Такая машина сама по себе выдает собственные 25 кВт электричества.
- Так, подобная установка может трудиться как самостоятельно, так и в составе ансамбля из 30 000 себе аналогичных
Машина Стирлинга — это совокупность замкнутого цикла. В ней под действием солнечного тепла расширяется газообразный водород, он толкает поршень, от которого крутится кривошип, приводящий в перемещение электрогенератор.
- После этого водород охлаждается и конденсируется в радиаторе, по окончании чего возвращается в рабочий цилиндр
В то время, когда свет падает на определенные материалы, фотоны смогут выбивать электроны из кристаллической решетки. В полупроводниковом фотоэлементе потоком этих электронов возможно руководить благодаря своеобразным особенностям таких элементов, как, скажем, кремний.
- Новые «тонкопленочные» варианты, к примеру кадмий-теллуридовые панели, каковые создаёт компания First Solar, основаны на том же эффекте — легко в них употребляются другие материалы.
Пустыня Нью-Мексико рядом от Альбукерка. Шесть установок единой экспериментальной солнечной электростанции, выстроенной Национальными лабораториями Сандиа, мало напоминают тарелки спутниковой связи, лишь размером они побольше и сверкают посильнее. Любой отражатель является мозаикой из 82 зеркал, выклеенных на параболической тарелке диаметром 13 м. Идеально вычисленная кривизна тарелки концентрирует лучи в пятно диаметром 18 см.
Тут, в самой тёплой точке, тепловыделение эквивалентно 13 000 солнц, а тепловой поток в 13 раз превышает тот, которому подвергается космический челнок, возвращающийся в плотные слои атмосферы. «Тут возможно расплавить практически всякое вещество, известное человеку», — говорит инженер Чак Андрака.
Приобретаемое тут тепло применяют для питания «автомобили Стирлинга» — красивого устройства 192 лет от роду. В данной машине механическую энергию приобретают за счет внешнего источника тепла, что принципиально отличается от действия двигателей внутреннего сгорания, трудящихся под капотами большинства машин.
В четырех цилиндров количеством по 95 см³ содержится газообразный водород — при охлаждении и нагревании он расширяется и сжимается, поршни в цилиндрах движутся туда-сюда, а от них вращается маленькой электрогенератор. И параболическая тарелка, и этот двигатель — плоды целого десятилетия усердной работы, которая проводилась в сотрудничестве с аризонской компанией Stirling Energy Systems.
В прошлом январе Андрака с сотрудниками запустил энергоустановку при тарелке № 3. В пустыне стоял морозец около нуля, а небо было на 8% прозрачнее, чем в большинстве случаев. Чем больше отличие между холодным жарким солнцем и воздухом, тем действеннее трудится эта машина. И вот 25-киловаттная совокупность начала выдавать электричество.
Коэффициент преобразования был самым высоким из всех, когда-либо достигнутых в коммерческих солнечных установках: 31,25% солнечной энергии, падающей на зеркальную тарелку, отдавалось в виде тока в электрическая сеть.
Брюс Осборн, глава фирмы Stirling Energy, считает результат легко дополнительным подтверждением тому, что он в далеком прошлом уже знал: совокупность SunCatcher достаточно созрела, дабы выйти из стенку лаборатории. «Этап, что возможно назвать интеллектуальным прорывом, сзади, — говорит президент. — Нам остается лишь забрать полученные прототипы и сделать из них недорогие конструкции для массового производства. Слово за инженерами».
Для данной цели компания Stirling Energy заключила широкомасштабные договора с двумя фирмами из Южной Калифорнии. Те обещают выстроить 70 000 установок, каковые дадут энергию для миллионов жилищ. Производство будет запущено в будущем году.
По окончании изобретения в первой половине 50-ых годов XX века кремниевого фотоэлемента компания AT&T крутила рекламно-агитационный фильм, в котором говорилось: «Отечественная магистральная цель — загрузить руку прямо в солнечные глубины и зачерпнуть оттуда искру бессмертного огня, что согреет людские души. В отечественный продвинутый век людям удалось взнуздать само солнце».
Возможно, само собой разумеется, сообщить и без того. Солнечная батарея Белла, как ее тогда именовали, имела некий успех — в частности, давала энергию для первого спутника связи, что запустили в первой половине 60-ых годов двадцатого века. Но надежда на глубокий источник недорогой энергии так и не воплотилась в судьбу.
С того времени в развитии двух основных направлений солнечной энергетики случились большие сдвиги. Это полупроводниковые установки и солнечные батареи для концентрации солнечного тепла. Действительно, рост цены кремния и два десятилетия низких цен на рынке ископаемых видов горючего стали причиной тому, что объем солнечной энергетики остался в пределах 0,08% неспециализированного энергопотребления в стране.
Помимо этого, множество новых технологических ответов, каковые смотрелись многообещающими в лабораторных условиях, при выходе на рынок показали собственную непрактичность. В следствии эра солнечной энергетики все время как-то незаметно отодвигалась за следующий поворот.
В это же время разработчики не теряли времени, оттачивая технологические ответы по самые перспективным направлениям. Так показались солнечные батареи, в которых по большому счету не употребляется кремний. Они были в два раза дешевле классических, и на их производстве аризонская компания First Solar быстро выдвинулась в фавориты среди всех производителей солнечных батарей.
Параллельно компания Stirling Energy развивала собственную идею SunCatcher. Новые конструкции в семействе CST (Concentrated Solar Thermal, солнечных концентраторов) будут способны преобразовывать солнечное тепло в постоянный поток электричества, не прерывающийся кроме того ночью.
Солнечное тепло
Большим энергокомпаниям нынешние правила CST нравятся по двум обстоятельствам: во-первых, установки имеют достаточно большой масштаб, а во-вторых, они, в большинстве случаев, трудятся с паром, другими словами технические ответы не через чур отличаются от в далеком прошлом привычных турбогенераторов на угле и газе. Таково вывод Риса Тисдейла, старшего аналитика исследовательской группы, занимающейся в Кембридже, штат Массачусетс, новыми направлениями в энергетике.
Эта мысль не так уж и нова — девять электростанций на базе концентраторов с общей энергоотдачей в 354 мегаватта уже трудятся в пустыне Мохаве, а выстроены они были с 1984 по 1991 год. Они снабжают энергией 500 000 личных жилых домов и успели подтвердить эффективность и надёжность новой конструкции (для сравнения: стандартная теплоэлектростанция, трудящаяся на угле, выдает приблизительно 670 МВт).
Светоконцентратор на этих электростанциях устроен по схеме «параболического желоба»: 900 000 зеркал установлены на внутренней поверхности полуцилиндра, напоминающей скейтбордистский «халф-пайп». Долгие последовательности таких желобов занимают в пустыне площадь 600 га. Зеркальные конструкции поворачиваются около оси, отслеживая перемещение солнца по небу. Солнечные лучи, отражаясь, концентрируются на проходящей по оси трубе с циркулирующей в жидкостью.
Тёплая жидкость (в этом случае это минеральное масло) отдает тепло воде, которая закипает, а полученный так пар крутит турбину.
В девяностых по окончании падения цен на газ работы были сокращены в два раза. Очередная из рассчетных в Соединенных Штатах солнечных электростанций была запущена лишь в прошедшем сезоне — это 64-мегаваттная совокупность типа «параболического желоба», смонтированная в Баулдер-Сити, штат Невада. Она выстроена силами испанской компании Acciona и стала называться Nevada Solar One. на данный момент ускоренно проектируется еще 13 аналогичных электростанций суммарной мощностью 5100 МВт.
Они будут строиться во Флориде, Аризоне и Калифорнии, и в основном это будут конструкции типа «параболического желоба». Компания Stirling Energy продвигает другую систему, которая сулит громадную гибкость и энергоотдачу.
Уже спроектированная 900-мегаваттная электростанция Stirling Solar Two складывается из 36 000 однообразных тарелок-отражателей, любая из которых содержит 82 зеркальные панели всего двух разновидностей. Такое ответ, чуть-чуть снижая неспециализированную энергоотдачу, разрешает реализовать преимущества массового производства.
Модульная структура станции имеет и второе серьёзное преимущество. Потому, что любой 25-киловаттный SunCatcher трудится на собственную машину Стирлинга и производит электричество совсем самостоятельно, совокупность не имеет таких узлов, каковые при отказа угрожали бы работоспособности всей совокупности.
В другой конструкции с параболическим желобом все эти тысячи зеркал трудятся на одну центральную турбину, так что при остановке турбины хотя бы для профилактики подача электричества сходу обязана закончиться. И еще один момент: вариант SunCatcher разрешает начать отпуск энергии задолго перед тем, как строительство электростанции будет закончено. Достаточно будет собрать первые 40 тарелок — «солнечную группу» — и станция начнет давать ток, для начала хотя бы 1 МВт.
Революционное преимущество новой разработке пребывает в том, что солнечные лучи концентрируются в одном весьма маленьком пятне. Это разрешает достигнуть средней температуры 800 °C (сравните с 400 °C, каковые достигаются в рабочем режиме установки на базе параболического желоба). Помимо этого, кривая, отражающая коэффициент нужного действия автомобили Стирлинга, имеет довольно долгое плоское плато.
В противном случае говоря, энергоотдача будет близка к максимуму, даже в том случае, если солнце склоняется к закату либо его закрывают облачка. Рекордный показатель коэффициента нужного действия, достигнутый в текущем году (его удерживали в течение часа) на установке SunCatcher, составил 31,25%. Наряду с этим усредненный коэффициент по всему времени от восхода солнца до заката, причем вычисленный за год эксплуатации, все равно достигает в полной мере благопристойных 24−25%.
Это приблизительно в два раза больше, чем в совокупностях с параболическими желобами.
И еще одна неприятность, которая изрядно обесценивает все варианты солнечной энергетики: солнышко село — рабочий сутки закончен. А ведь в Аризоне летом жарко, как в пекле, так что кондиционеры у людей крутятся до 9−10 часов вечера. Но тёплую жидкость хранить значительно несложнее, чем электричество.
Как сообщил один из промышленников, в пятидолларовом термосе с тёплой водой хранится столько же энергии, сколько в 150-дол-ларовой батарее ноутбука. Лишь в одном случае это тепловая энергия, а в другом — электрическая, переведенная в электрохимические связи. Принцип хранения тепловой энергии будет реализован в двух 50-мегаваттных электростанциях, каковые к концу этого года должны быть выстроены в Испании.
При них будут огромные термосы, заполненные расплавленной солью. В Соединенных Штатах один таковой тепловой энергоаккумулятор планируется ввести в эксплуатацию к 2011 году. Его выстроят в Джила-Бенд, штат Аризона.
280-мегаваттная электростанция Solana, которую сооружает испанская компания Albengoa Solar, также спроектирована по схеме параболического желоба. При ней кроме этого предполагается установить термос-теплохранилище, что разрешит электростанции трудиться без всякого солнца в течение шести часов. «Мы можем выстроить станцию, которая будет трудиться весь день, — говорит Фред Морзе, консультант из Albengoa Solar, — но лишь в этом нет никакого коммерческого смысла». Так как электростанция обязана удовлетворять потребность в электричества в те часы, в то время, когда эта потребность существует и в то время, когда цена на электричество самый высока.
К вопросу о масштабах
Грандиозные масштабы электростанций Albengoa и Stirling Energy должны убедить скептиков, каковые обоснованно сомневаются, что солнечные батареи, раскиданные в том месте и сям по крышам жилых домов, смогут играться хоть какое количество-нибудь заметную роль в мировом энергетическом балансе. Действительно, такая гигантомания рождает собственные неприятности. С одной стороны, электричество необходимо доставить в том направлении, где она нужна.
С другой — бескрайние пустыни, подходящие для постройки солнечных электростанций, находятся в большинстве случаев «на отшибе». Электростанция, которую компания Stirling Energy обязана выстроить для потребителей из Сан-Диего, уже владеет линиями электропередачи на 300 МВт, другими словами способна распорядиться энергией от 12 000 тарелок. Остальные 24 000 тарелок будут смонтированы лишь в том случае, если компания San Diego Gas & Electric сможет совершить обещанную 250-километровую электролинию между городом и электростанцией.
Еще одна неприятность — потребность в воде. Солнечные электростанции на паровых турбинах требуют миллионов тысячь киллограм воды для охлаждения собственных конденсаторов, а в пустынных районах такую проблему решить непросто. В этом отношении водородная совокупность компании Stirling Energy имеет явное преимущество, потому, что на данной станции вода требуется лишь чтобы раз в пара недель ополаскивать зеркала.
Солнечные энергоустановки промышленного масштаба требуют огромных капиталовложений, так что еще долго останутся недоступными в развивающихся государствах, где как раз такие решения насущно нужны. Для удовлетворения этих запросов одно подразделение Массачусетского технологического университета создало совокупность RawSolar. В данной совокупности тарелка имеет диаметр всего 4 м, а целый механизм недорог и несложен, так что его возможно применять в независимом режиме.
Еще одно детище Массачусетского технологического, некоммерческая организация Solar Turbine Group, прошлым летом в Лесото выстроила еще более примитивную мини-электростанцию. Ее тепловая машина сконструирована из автозапчастей.
Но, самый естественным вариантом для мелкомасштабных установок солнечной энергетики остается, конечно же, ветхая хорошая полупроводниковая солнечная батарея. Она принимает солнечный свет, отдает электрический ток и не имеет наряду с этим никаких движущихся частей, не испытывает недостаток в воде и может размешаться в любом месте — прямо в том месте, где требуется ее электричество. Солнечные батареи способны производить в полной мере весомые количества энергии кроме того в условиях не сильный солнечного света северных широт, где устанавливать широкомасштабные солнечные электростанции легко нерентабельно.
Тонкопленочные фотоэлементы
Компания услуг ЖКХ Edison, действующая в Южной Калифорнии, в июле начала покрывать крыши собственных строений солнечными батареями. По завершении данной работы компания собирается получить источник энергии мощностью 250 МВт прямо на собственной территории. Новизна тут в том, что вместо фотоэлементов на кремниевой базе употреблялась узкая пленка из теллурида кадмия (для краткости ее именуют Cad-Tel — «кад-тел»).
Разработчики уже давно экспериментируют с пленочными фотоэлементами, пробуя создать замену классическим полупроводниковым элементам на кремниевой базе. «Разработка ‘кад-тел’ всецело поменяла отечественные представления о том, чего возможно добиться от пленочных материалов», — говорит Лари Казмерски, начальник Национального центра по разработке фотоэлементов при Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Колорадо.
Выпуском солнечных батарей на пленочной базе занялась компания First Solar. Себестоимость их продукции образовывает $1,14 в пересчете на один ватт, другими словами в два раза меньше, чем цена подобных батарей на кремниевой базе, причем данный показатель снижается . В следствии, как утверждает Казмерски, «мы присутствуем при настоящем перевороте». С 2006 по 2007 год First Solar увеличила количества производства в четыре раза.
на данный момент суммарная мощность производимых за год батарей образовывает 396 МВт, а в будущем году обязана достигнуть 1000 МВт. Компания вышла на биржу всего два года назад, но сейчас ее капитализация образовывает более чем $20 млрд, другими словами в два раза больше, чем у Дженерал моторс. «Кад-тел» — не единственное перспективное предложение на этом рынке.
У новых батарей, изготовленных на базе полупроводника CIGS (селенид меди, индия, галлия), энергоотдача практически на 30% выше, чем у батарей, каковые изготавливает First Solar по разработке «кад-тел». Около данной перспективной идеи на данный момент клубится целый рой перспективных молодых компаний.
Кто же первым сумеет довести до практических результатов разработку CIGS? Калифорнийская компания Nanosolar также участвует в данной гонке. Как и First Solar, она по большей части сбывает собственную продукцию в такие европейские страны, как Испания и Германия, потому, что в том месте действует долговременная политика, нацеленная на стабильные, гарантированные стоимости в области солнечной энергетики.
В итоге, пускай солнечная энергетика сама платит за себя и самостоятельно обосновывает собственный право на судьбу. При ее успеха рынок с радостью отправится ей навстречу. В министерстве энергетики США предвещают, что уже к 2015 году электричество от солнечных установок станет дешевле, чем электричество, приобретаемое легко из сети.
Более того, цены на газ за последние пять лет выросли в два раза, на уголь — в три раза, а новые ядерные электростанции не начнут вступать в строй еще по крайней мере семь лет. На этом фоне долговременная ставка на солнечные электростанции, у которых горючее не кончится ни при каких обстоятельствах, — вернейший залог энергобезопасности. «Довольно солнечной энергии возможно не сомневаться, — говорит Морзе, — цена на нее расти не будет».
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№74, декабрь 2008).
<
h4>