Солнечная электростанция - принцип работы и комплектация, разновидности, преимущества и недостатки

Население большинства стран мира начало проявлять активный интерес к альтернативным источникам получения электроэнергии, в том числе, от солнца в течение светового дня. Оно может дать практические бесконечный запас электричества, но для его сбора необходим комплекс специального оборудования.

Принцип работы солнечной электростанции

Солнечная электростанция – это инженерное сооружение, которое служит для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Методы зависят от характеристик и особенностей станции:

1. конструктивных;
2. аппаратных.

В основу принципа работы сооружений заложен сбор концентрированной энергии лучей, которые отражаются от зеркал к приемникам, накапливающим такую энергию и преобразующую ее в тепловую. Полученный запас используется для получения электрической энергии, путем прогонки ее через определенное оборудование – паровую турбину, тепловой двигатель, заставляющий работать генератор.

Виды­

На данный момент времени в мире существуют восемь видов электростанций, работающих на солнечной энергии (СЭС):

• башенная электростанция на батареях;
• фотоэлектрическая станция;
• тарельчатая;
• на параболических концентраторах;
• аэростатная;
• солнечно-вакуумная;
• на двигателе Стирлинга;
• комбинированные типы.

Башенная электростанция на солнечных батареях

Принцип работы электростанций данного типа основан на получении пара посредством тепловой энергии от солнца. Центральным элементом сооружения является башня высотой от 18 до 24 метров. Этот параметр определят мощность станции и КПД (коэффициент полезного действия) системы. На верхней площадке башни размещается резервуар с водой – емкость, обладающая крупными габаритами и окрашенная в черный цвет, для увеличения уровня поглощаемого излучения.

В технологическом помещении башни группа насосов перекачивает пар из нагреваемой емкости в турбогенератор. По периметру башни располагаются обширные поля с гелиостатами. Гелиостат – это зеркало, которое закрепляется на регулируемую опору, конденсирует воду, подключается к системе позиционирования, управляющей положением элементов. Главным требованием для нормального функционирования станции является полное попадание всех лучей, отражаемых от зеркал. Этим и занимаются системы позиционирования и отслеживания месторасположения солнца.

При ясной погоде происходит значительный нагрев воды в резервуаре, а температура жидкости достигает около 700°C. Такой уровень температуры примерно сопоставим со значениями, достигаемыми на тепловых электростанциях, поэтому для производства электроэнергии из пара используются турбины стандартных размеров. Максимальный КПД станций башенного типа составляет около 20 процентов, достичь его можно только при пиковых мощностях.

Фотоэлектрическая станция

Солнечную электростанцию фотоэлектрического типа (СЭСФ) снабжают специальными элементами – солнечными батареями или фотоэлементами, отвечающими за преобразование энергии солнца в электрическую. В основном они изготавливаются из кремния с металлизированной поверхностью. Следует помнить, что функционирует система, когда светит солнце, а это невозможно в темное время суток – ночью или вечером, поэтому ее дополняют накопительными аккумуляторами для хранения и последующего использования энергии.

Не менее важным элементом в миниэлектростанциях бытового назначения является инвертор, который обеспечивает преобразование постоянного тока в переменный, используемый для питания всех электрических приборов в доме. Кроме описанных выше элементов конструкции СЭСФ, в состав системы входят:

1. комплекты предохранителей которые предназначены для монтажа на всех местах соединения компонентов и ее защиты от возможного короткого замыкания;
2. набор коннекторов стандарта МС4, предназначенных для подключения кабелей;
3. управляющего техникой автономного контроллера.

Солнечная станция для дома – это несомненное преимущество, но перед ее установкой и подключением нужно подобрать подходящие место для размещения системы. Фотоэлементы размещаются практически в любой точке с хорошей освещенностью:

• на крыше загородного коттеджа;
• на балконе многоквартирного дома;
• на прилегающей к дому территории;
• на фасаде (запрещено для многоквартирных домов).

Единственное, что требуется создать условия, чтобы получить максимальную выработку электроэнергии. Одним из таковых является ориентация и угол наклона относительно горизонта. Так, светопоглощающее полотно должно быть повернуто на юг, причем желательно добиться такого положения, чтобы лучи солнца попадали на него под углами 90°. Это достигается подбором оптимального угла наклона, зависящего от времени года, климатических условий и региона, например, для Москвы и МО (Московской области) этот показатель будет в пределах от 15 до 20° – летом, от 60 до 70° – зимой.

При размещении панелей на преддомовой территории желательно устанавливать их на высоте от 0,5 метров над уровнем земли, чтобы предотвратить их контакт со снегом при выпадении большого количества осадков. Надо выбирать места с отсутствием затемненных участков, так как тень повлияет на общую эффективность. При такой установке можно получить необходимое расстояние для циркуляции воздуха и кондиционирования системы.

Крепление панелей на опорные коррозионностойкие конструкции можно производить прижимными фиксаторами или болтами. Их вкручивают их в специальные отверстия, которые располагаются в нижней части рамки. Выбирая тот или иной способ монтажа, запрещено вносить изменения в конструкцию панелей и просверливать дополнительные отверстия – это может негативно повлиять на эффективность работы и выходные параметры системы.

В состав батарей входят несколько отдельных панелей для увеличения выходных параметров системы: мощности, напряжения и тока. На практике их соединяют, реализуя одну из трех монтажных схем:

• параллельную (1);
• последовательную (2);
• смешанную (3).

Схема 1: параллельное соединение. При параллельном соединении панелей две одноименные клеммы («+» с «+», а «-» с «-») подключают друг к другу так, что проводники – медные кабели, расположенные между элементами – обладают двумя общими узлами: схождения и расхождения. Выходной ток увеличивается прямо пропорционально количеству конструктивных элементов, подключаемых к системе.

Схема 2: последовательное соединение. При последовательном соединении панелей подключают противоположные полюса: «+» первой панели к «-» второй. Незадействованные полюса панелей соединяют с контроллером, который располагается в следующем узле схемы. Соединение, образуемое по такой схеме, создает условия, при которых электрический ток будет протекать до потребителя только по единственному пути.

Схема 3: смешанное соединение. При последовательно-параллельном, или смешанном соединении панели, объединенные в одну группу, подключаются друг к другу по параллельной схеме, а соединение отдельных групп в единую электрическую цепь реализуется по последовательному принципу. Использование такой схемы не только увеличивает выходное напряжение с выходным током, но и производит резервацию – при выходе одной из панелей остальные функциональные цепи будут продолжать работу. Это повышает надежность и простоту обслуживания системы.

Монтаж и подключение элементов внутри системы – электростанции – выполняется по трем схемам:

• стандартной;
• с разнонаправленными элементами;
• с совмещением со стационарной сетью

Вариант 1: стандартный монтаж. При стандартном монтаже группа фотоэлектрических модулей подключаются по последовательной, а аккумуляторы по последовательно-параллельной схеме. Объединенные панели с помощью двух линейных кабеля подключаются к системе, управляющей зарядом/разрядом АКБ (аккумуляторных батарей). Система управления подключается к инвертору, а он соединяется с бытовыми электрическими приборами.

Вариант 2: монтаж с разнонаправленными элементами. Монтаж системы с разнонаправленными панелями осуществляют по последовательной схеме, при этом элементы располагают в одной плоскости и под одним углом – это делается для минимизации потерь электроэнергии. Еще больше снизить потери можно при использовании отдельного контроллера для каждой панели и монтаже отсекающих диодов внутри пластин.

Дополнительно проблемой данной схемы является потеря напряжения в узлах соединения и самих низковольтных линиях – кабелях. Например в метровом проводе с сечением 4 мм кв. в момент прохождения сигнала с напряжением 12 В и током 80 А показатели снизятся на 3,19% что приведет к падению мощности на 30,6 Вт. Эту проблему можно решить, используя скрутки жил кабеля

Вариант 3: монтаж с совмещением с сетью. При монтаже по данной схеме создаются две кабельные трассы. Одна идет от счетчика электроэнергии до батарейного инвертора и подключается к резервируемой нагрузке – аварийному освещению, холодильному. Инвертор дополнительно соединяется с группой аккумуляторных батарей, а после счетчика подключается нерезервируемая нагрузка. Другая линия идет от солнечных панелей до контроллера, а затем через его выходы подводится к проводам, подключенным аккумуляторной группе, через две общие точки на «+» и «-».

Наибольшее распространение СЭСФ (электростанции фотоэлектрического типа) получили в частном секторе: дачах, 2- или 3-семейных квартирах, загородных домах, санаториях и на промышленных объектах. Купить солнечную батарею для дачи не составит труда: в интернете хватает компаний, предлагающих данную продукцию. Цена солнечной батареи для дома не очень большая – в среднем от 6,5 тыс. рублей за несколько панелей, до 192 тыс. – за полноценный комплект, который обеспечит освещением и электроснабжением весь дом.

«Оптимум» 1000/3000 – это оптимальный комплект солнечных батарей для дачи, который предназначен для использования c весны по осень. Уровень входной мощности обеспечивает энергоснабжение, поддерживающее нормальное освещение дома и преддомового участка, работу всех заряжаемых устройств, телефонии, радио и электротехнических устройств, холодильного оборудования и устройств водоснабжения:

• Название: «Оптимум» 1000/3000.
• Стоимость: 192 тыс. рублей.
• Комплектация: четыре оптических приемника (модуля) ФСМ-150П на 250Вт/24В, 12-вольтовых аккумулятора Delta GX 12-200 с гелием на 200 А*ч, контролллер.
• Характеристики: напряжения постоянного и переменного тока – 24/220 В, энергетическая эффективность – 4,6 кВт*ч/день, энергопатенциал аккумуляторов -9,6 кВт*ч, максимально возможная нагрузочная мощность (подключенных приборов) – 3 кВт, пиковая нагрузочная мощность – 6 кВт, вес – 355 кг.

SX-1500 – это отличный вариант для сокращения счетов за оплату электроэнергии на даче или в деревне:

• Название: SX-1500.
• Стоимость: 101,805 тыс. р.
• Комплектация: четыре оптических приемника (панели) CHN250-60P на 250 Вт, инвертор сетевого типа – EHE-N1K5TL, комплект 15-метровых кабелей с разъемами.
• Характеристики: напряжение переменного тока – 220 В с частотой – 50 Гц, выходная контактная группа на напряжение – 220 В с герметичным винтовым зажимом, уровень выходной мощности – 1,5 кВт, рабочие диапазоны по температуре – от -25 до +60°C – для оборудования, и от -40 до +85°C – для панелей, масса – 105 кг.

Тарельчатые станции

Солнечная электростанция тарельчатого типа собирает энергию солнечных лучей аналогично сооружениям башенного типа, но, тем не менее, в их конструктивном строении есть отличия. Например модуль является опорой с ферменной конструкцией отражателя и приемника. При этом последний устанавливается на месте с максимальной концентрацией отраженного солнечного света.

Отражателем в данной системе является зеркало, изготовленное в форме тарелки, которая крепится на ферменную конструкцию. Зеркала обладают большим диаметром, который может достигать 2 метров. На одном из «полей» – участков для установки отражателей – могут быть размещены свыше нескольких десятков тарелок. Количество установок определяет конечную мощность всей системы.

На параболических концентраторах

Солнечная электростанция на параболических концентраторах отличается конструкцией, которая нагревает теплоноситель до состояния, которое пригодно для корректной работы турбогенератора. В центре сооружения устанавливается постамент, на который монтируют зеркало параболоцилиндрической формы. Оно обеспечивает фокусировку отраженного света на трубке, обеспечивающей прохождение теплоносителя. Под действием лучей он нагревается, а затем подводится к теплообменнику, отдающему тепло в воду, которая превращается в пар, подводящийся к турбогенератору.

Аэростатные

Солнечная электростанция аэростатного типа бывает одного из двух видов:

• С солнечными фотоэлементами или поверхностями, поглощающими тепло, которые располагаются на аэростате. Они обладают КПД (коэффициентом полезного действия) мене 15%.
• С покрытием из параболической металлизированной пленки, которая выгибается внутрь под воздействием газа.

Особенностью аэростатов является то, что они располагаются на высоте, превышающей 20 километров, где отсутствуют тучи, которые создают затенение и осадки. Верхушку аэростата изготавливают из армированной пленки для увеличения срока службы. В центральную часть устройства монтируют параболический концентратор, изготавливаемый из металлизированного материала. Он обеспечивает концентрацию отраженного света на термопреобразователе.

Термопреобразователь подвергается охлаждению водородом, если энергия преобразуется в результате разложения воды, или гелием – при передаче энергии дистанционным методом с использованием СВЧ (сверхвысокой частоты) излучения или радиоволны. Для ориентирования по месту расположения солнца аэростаты снабжают гироскопами, а при управлении аппаратами используют метод перекачки балласта – воды. Один аэростат может состоять из нескольких модулей – плавающих шаров.

Солнечно-вакуумные

Электростанции солнечно-вакуумного типа реализуются на использовании энергии воздушных потоков. Они создаются за счет разности температурных значений в воздушном слое у поверхности земли и на некотором удалении от нее – этот участок формируется искусственно, и представляет собой зону, закрытую стеклами. Конструкция солнечно-вакуумной станции состоит из высокой башни и участка земли, который накрыт стеклом.

В основании башни размещают воздушную турбину с генератором, вырабатывающим электричество. Рост мощности станции происходит с увеличением разницы между температурами, а разница зависит от высоты сооружения. Такая станция не ухудшает экологическую обстановку, при этом она может эксплуатироваться в круглосуточном режиме из-за использования энергии от нагретой земли.

На двигателе Стирлинга

Такие станции конструктивно представляют собой параболические концентраторы, которые фокусируют отраженный свет на двигатель Стирлинга. На практике применяют вариацию двигателей Стирлинга, которые осуществляют преобразование электроэнергии без использования кривошипно-шатунного механизма, что увеличивает эффективность аппарата. Средняя эффективность составляет 30% за счет использования гелия или водорода для получения тепла.

Комбинированные

Нередко на различного вида электростанциях устанавливается оборудование для теплообмена, которое предназначено для получения технической воды, часто используемой в системах отопления. Станции этого типа были названы комбинированными из-за того, что в них обеспечивается параллельное функционирование солнечных коллекторов и самих фотоэлементов.

Преимущества солнечных электростанций

Электростанции, работающие на солнечной энергии по сравнению с традиционными источниками обладают рядом плюсов:

• Современные установки усиливают свет при наличии большой концентрации туч, задействуют лучи, которые находятся в невидимом спектре частот, что обеспечивает им беспрерывную работу.
• Позволяют комбинировать виды энергии, получаемые из разных источников: в основном используются ветросолнечные батареи.
• Компактность. Переносные электростанции мобильного типа изготавливают небольшого размера, что помогает использовать их в качестве домашнего источника электроэнергии.
• Большой срок службы, в среднем составляющий от 30 до 50 лет. Подключая накопительные аккумуляторы, можно запасать энергию и использовать ее ночью.
• Экономия на оплате счетов, поскольку энергия солнца бесплатна.
• Дешевизна, долговечность и простота обслуживания.

Недостатки солнечных электростанций

Электростанции, работающие на солнечной энергии, по сравнению с традиционными источниками обладают рядом минусов:

• Дороговизна отдельных видов станций. Это в основном относится к оборудованию геотермального типа, которое продается только за границей.
• Необходимость использования объемных аккумуляторов с большой емкостью, если потребители нуждаются в использовании электричества ночью.
• Большая энергопотеря. Высокомощные станции преобразовывают лишь 20% от поглощенного солнечного света, а остальное идет на поддержание работы оборудования.

Видео