О повышении эффективности солнечных электростанций башенного типа
Президентом Республики Казахстан Н.А.Назарбаевым было уделено большое внимание энергетической безопасности Казахстана и развитию «зеленых» энергетических технологий в «Стратегии «Казахстан-2050». В связи с этим прорабатываются новые проекты для получения энергии без нанесения ущерба окружающей среде.
«Начиная все активнее использовать альтернативные источники энергии, мы уменьшаем экологические риски, стремимся к устойчивому развитию. Однако, хотелось бы, чтобы процесс был более быстрым, для чего Казахстану стоит усилить развитие альтернативных источников энергии», – сказал Гумарбек Даукеев, ректор Алматинского университета энергетики и связи. Как отметила Стрикелева Екатерина, глава Агентства по развитию экологических инициатив (Ecological Initiative Development Agency –EcoIDEA): «Для Казахстана солнце – это прекрасный вариант перехода к более чистой энергетике, хочется, чтобы солнечная гелиоэнергетика твердо заняла свою нишу в энергообеспечении Казахстана
О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику – энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям, так как полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: солнечные электростанции (СЭС) башенного типа и солнечные электростанции (СЭС) распределенного (модульного) типа. Последние являются более экономичными при небольших мощностях, там же где требуется получение высоких мощностей целесообразно использовать СЭМ башенного типа, которые также обладают более высоким КПД.
СЭС башенного типа основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции расположена башня высотой от 18 до 24 метров, на вершине которой находится резервуар с водой, покрашенный в чёрный цвет для поглощения теплового излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая пар на турбогенератор, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты. Гелиостат – зеркало площадью в несколько квадратных метров, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. Таким образом, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача при проектировании СЭС — это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар.
Для того чтобы максимальное количество солнечной энергии отражалось в приемник излучения, необходимо отслеживать положение Солнца с высокой степенью точности. В современных проектах СЭС используется система слежения открытого типа, которая основана на принципе регулирования без обратной связи. В такой системе положение гелиостатов регулируется в зависимости от времени суток и географических координат местности благодаря использованию известных координат Солнца в каждый момент времени. Система состоит из контроллера, приемника сигнала GPS (глобальной системы позиционирования), моторов для управления положением гелиостатов, адаптера питания и управляющей программы регулирования.
Контроллер на основе данных, передаваемых на приемник GPS со спутников, регулирует положение каждого гелиостата с помощью двух однополюсных шаговых электромоторов. Такая система имеет высокую точность регулирования, при этом она проста и надежна. Однако, проанализировав принцип и условия работы подобных систем, можно прийти к обратному выводу. Для получения высокой точности наведения необходимо снабдить такой системой каждый гелиостат в отдельности, что отрицательно скажется на надежности функционирования системы в целом, а так же приведет к увеличению материальных затрат, что в свою очередь отразится на стоимости всей электростанции. Системы на микроконтроллерах хоть и обладают высокой точностью проведения операций, в то же время очень подвержены влиянию внешних факторов (таких как температура, электромагнитный и радиационный фон). Помехи могут исказить (или даже заглушить) сигналы со спутников GPS. Так же подобные системы не учитывают влияние погодных условий на преломляющую способность атмосферы, в результате чего КПД может заметно снизиться от расчетного во время рассвета и заката.
Большую эффективность и надежность слежения обеспечат системы, управляющие положением отражателя гелиостата не по календарю и сигналам GPS, а по фактическому положению Солнца на небе. К тому же совсем не обязательно строить логическую часть системы на базе микроконтроллеров и компьютеров, достаточно воспользоваться дискретными компонентами.
Примером подобной системы управления является система, в которой ориентировку на солнце можно отслеживать с помощью двух опторезисторов, направленных под некоторым углом относительно направления ориентирования (рисунок 2). Подобный принцип используется для ориентировки ветроагрегатов, только в случае ветроэлектростанций применяются не оптические датчики, а два анемометра. Расположение датчиков под некоторым углом обеспечивает большую точность отслеживания.
Если опторезисторы включить в электрический мост, то при изменении направления светила появится некоторое рассогласование потенциалов в узлах моста. В свою очередь изменение потенциалов даст команду электродвигателям повернуть конструкцию на нужный угол (до исчезновения рассогласования).
Для правильной ориентации отражателей необходимо отслеживать перемещение Солнца в двух плоскостях. Для этого систему наведения необходимо оснастить двумя взаимно перпендикулярными парами опторезисторов.
Если заранее задать системе расположение башни СЭС (активной её части), то угол между башней и Солнцем в обеих плоскостях будет всегда в два раза больше необходимого угла поворота отражателя. Поворот зеркала на половину угла изменения положения Солнца можно реализовать механически с помощью шестереночной передачи. Так же систему необходимо снабдить способностью разворота зеркал в начальное положение, т.е. ориентировать их на восток после заката. Эту операцию не сложно выполнить при помощи дискретных логических компонентов.
Таким образом, можно построить систему ориентирования отражателей СЭС не использующую никаких внешних сигналов кроме света Солнца, что значительно повысит точность ориентирования. Применение простейших логических компонентов позволить сократить затраты на производство и упростить наладку и обслуживание системы автоматики. Кроме того, рассмотренную систему можно внедрить и на других типах СЭС, использующих фотобатареи или параболические концентраторы с двигателями Стирлинга. Благодаря увеличению точности наведения гелиостатов, внедрение подобных систем управления позволит существенно повысить эффективность СЭС, тем самым увеличить КПД их работы, снизить стоимость конструкции в целом и существенно уменьшить срок окупаемости станции.
Литература:
- Юдасин Л.С. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 2001.
- Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика: Учебное пособие для вузов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008.
- Сарнацкий Э.В., Чистович С.А. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения. – М.: Стройиздат, 1990.
- Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. – М.: Энергоатомиздат, 1991.
