Термосолнечные электростанции: типы и эффективность

Во второй половине XX века полупроводниковые фотоэлектрические панели не пользовались большой популярностью из-за высокой стоимости и низкого КПД. Гораздо более востребованными были гелио станции, которые использовали для преобразования солнечного света в электричество промежуточную стадию. На первом этапе термосолнечные батареи трансформировали энергию фотонов в тепловую путем фокусирования лучей на приемнике-теплоносителе. И только на второй нагретый воздух или пар вращали лопасти различных механизмов.

С середины прошлого столетия наибольшее распространение получили четыре разновидности таких СЭС:

• солнечно-вакуумные;
• параболоцилиндрические;
• тарельчатые;
• башенные.

Преимущества термосолнечных батарей в каждой из перечисленных модификаций проявляются по-разному.

1. Солнечно-вакуумные СЭС

Представляют собой закрытые стеклянные параллелепипеды с внутренней трубой. За счет нагрева солнечными лучами поток горячего воздуха устремляется вверх и вращает лопасти турбин. Далее механическая энергия вращения преобразовывается в электрический ток.

Приемник излучения – объемная стеклянная конструкция.

Теплоноситель – воздушные массы.

КПД – не более 1%.

Плюсы и минусы термосолнечных батарей данной модификации очевидны. Эффективность солнечно-вакуумной установки невелика. Но низкая производительность полностью окупается:

• минимальными расходами на материалы;
• простотой монтажа и обслуживания;
• способностью вырабатывать энергию круглосуточно;
• полной экологической безопасностью.

Крупнейшая солнечно-вакуумная СЭС:

• страна – Китай;
• год ввода в эксплуатацию – 2010;
• площадь – 277 тыс.м2;
• номинальная мощность – 0,22 МВт.

2. Параболоцилиндрические СЭС

Чтобы понять, что представляют собой термосолнечные батереи параболоцилиндрического типа, достаточно взглянуть на их внешний вид. 

Излучение улавливается прозрачным цилиндром, часть поверхности которого является зеркальной. Все отраженные лучи сходятся в центральной зоне конструкции, где размещена полая трубка, заполненная жидкостью. При повышении температуры жидкость переходит в парообразное состояние и под высоким давлением поступает на лопасти турбин. 

Приемник излучения – зеркальная поверхность параболической формы.

Теплоноситель – концентрированный раствор соли.

КПД – не менее 10%.

Плюсы и минусы параболоцилиндрических термосолнечных систем

Среди преимуществ можно отметить:

• экологически чистое производство энергии;
• круглосуточная выработка за счет остаточного нагрева соляного раствора;
• относительно небольшие затраты на установку станции. 

Основные недостатки:

• невысокая удельная производительность;
• необходимость выделения под установку больших площадей.

Крупнейшая параболоцилиндрическая СЭС:

• страна – Марокко;
• год ввода в эксплуатацию – 2016;
• количество панелей – 510 тыс.;
• номинальная мощность – 500 МВт.

3. Тарельчатые СЭС

Являли собой современную модификацию электростанций предыдущего типа. Цилиндры были заменены параболическими тарелками, а роль уловителя сфокусированных лучей стали играть резервуары с масляными растворами. 

Производительность новых систем увеличилась примерно втрое, но отражатель и приемник продолжали оставаться единым целым. Крупнейшие тарелки ныне действующих станций данного вида достигают площади 120 м2 каждая, число ячеек в них – сотни и более.

Приемник излучения – зеркала ячеистой конструкции.

Теплоноситель – масло либо двигатель Стирлинга.

КПД – до 30-35%.

Плюсы и минусы термосолнечных батарей тарельчатого типа 

Главные достоинства:

• сравнительно высокая эффективность;
• изготовление из экологически безвредных материалов;
• длительный срок эксплуатации.

Основные недостатки:

• значительные расходы на изготовление, установку и эксплуатацию;
• необходимость установки зеркал на дорогостоящие поворотные трекеры с автоматической регулировкой положения панелей относительно солнца.

Крупнейшая тарельчатая СЭС

• страна – ЮАР;
• год ввода в эксплуатацию – 2015;
• номинальная мощность – 85 МВт.

4. Башенные СЭС

Являются вершиной технического прогресса термосолнечных батарей. В них впервые был реализован принцип вывода резервуара с теплоносителем на отдельную башню. Она располагалась в центре концентрической системы зеркал и позволяла повысить температуру теплоносителя до 600-700°С. 

Далее перегретый соляной пар вращал лопатки генераторных турбин так же, как в более примитивных установках, но КПД башенных электростанций повысился до 40%. Конструкция оказалась настолько удачной, что вплоть до появления современных высокоэффективных фотоэлектрических панелей башенные СЭС массово строились по всему миру.

Единственный недостаток системы – дороговизна в эксплуатации. В противном случае СЭС башенного типа и сегодня являлись бы гелио станциями с самой низкой себестоимостью произведенной энергии.