В чем заключаются принципиальные трудности сооружения и применения солнечных электрических станций?

Введение
В 2017 году население планеты достигло 7,5 млрд. человек и, согласно некоторым аналитическим прогнозам, к 2050 году мировое население может увеличиться еще на 2,5 млрд. человек, тем самым обеспечивая постоянный рост потребностей в различных ресурсах, и особенно потребности в энергии - как для бытового использования, так и для промышленного производства. Использование энергии в промышленности в течение ближайших 35 лет увеличится минимум на 50% [15].
Электрическая энергия используется повсеместно и является одной из самых важных видов энергии. В современном мире без нее невозможно представить жизнь и деятельность всего человечества. От ее количества и выработки зависят не только комфортные условия существования человека, но и развитие всех сфер производства, науки и техники.
Вместе с тем задачи электроэнергетики меняются - на первый план выходят такие приоритеты как ее надежность, доступность, экологичность и безопасность. Стратегии развития энергетического сектора развитых государств включают такие задачи, как снижение энергозависимости от импорта, снижение доли энергии, получаемой за счет ископаемого топлива, повышение доли энергии, производимой за счет нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), в частности, чистой энергии солнца. Использование солнечной энергии для выработки электрической особенно актуально для экологически чистых районов, где применение традиционных источников энергии невозможно в виду их негативного влияния на окружающую среду, а так же на отдалённых объектах, где применение традиционных источников энергии нецелесообразно экономически.
Целью данного реферата является исследование методов и технологий получения электрической энергии от солнечной, а также выявление принципиальных трудностей сооружения и применения солнечных электрических станций,.
1 Использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии для электроснабжения
1.1 Основные виды нетрадиционных и возобновляемых источников энергии
На рис. 1 приведена диаграмма использования различных энергетических ресурсов, начиная с 2003 г.
Рисунок 1 - Диаграмма развития глобальной энергетики с 2003 г.
На рис. 1 показана доля использования возобновляемых источников энергии, которые представляют собой виды энергии, непрерывно возобновляющиеся в биосфере Земли. К данным источникам энергии относится:
- энергия солнца (СЭС);
- энергия ветра (ВЭС);
- энергия воды, в том числе энергия волн, энергия приливов (ГЭС);
- геотермальная энергия (ГеоЭС);
- низкопотенциальная тепловая энергия земли, воздуха, воды с применением особых теплоносителей;
- энергия биомассы, включающая в себя: отходы производства и потребления, биогаз; газ, выделяемый отходами из свалок и т.п. [1]
Так же теоретически возможна и энергетика, основанная на использовании морских течений, теплового градиента океанов и т.п.
1.2 Преимущества возобновляемых источников энергии в сравнении с традиционными
Традиционная энергетика основана на применении ископаемого топлива, запасы которого ограничены. Она зависит от величины поставок и уровня цен на него. Возобновляемая энергетика основана на разных природных ресурсах, что позволяет экономить не возобновляемые источники и использовать их в других отраслях экономики, а также сохранить для будущих поколений экологически чистую энергию.
НВИЭ экологически чистые: при их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы. Отсутствуют экологические издержки, связанные с добычей, переработкой и транспортировкой ископаемого топлива.
В большинстве случаев НВИЭ - электростанции легко автоматизируются и могут работать без прямого участия человека.
В технологиях возобновляемой энергетики реализуются новейшие достижения многих научных направлений и отраслей: метеорологии, аэродинамики, электроэнергетики, теплоэнергетики, генераторо- и турбостроения, микроэлектроники, силовой электроники, нанотехнологий, материаловедения и т.д. [2].
2 Солнечные электростанции
2.1 Основные способы преобразования энергии солнца
Солнечная энергетика — использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.
Перечислим основные способы преобразования энергии солнца [3].
1. Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов (солнечных батарей). Преобразование энергии в фотоэлементах основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств фотоэлементов, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
В составе любой солнечной электростанции (СЭС), в том числе и микро, присутствуют одни и те же элементы. Они описаны ниже [4]:
- солнечные батареи. Они требуются для преобразования солнечной энергии в электрический ток. Солнечные батареи состоят из фотоэлектрических элементов. Изменяя число фотоэлементов, можно менять мощность и напряжение батареи;
- аккумулятор. Один или несколько аккумуляторов необходимы для накопления электрической энергии, поскольку выработка ток у солнечных батарей непостоянна во времени. Аккумуляторы будут отдавать накопленную энергию ночью и в облачную погоду. Ёмкость аккумуляторов определяет время работы бытовых приборов и освещения при простое солнечных батарей;
- инвертор. Устройство, которое преобразует постоянный ток от фотоэлементов в переменный, который потребляет нагрузка;
- различные соединения, контроллеры заряда, разряда батарей, провода, крепёж и прочее.
Упрощённая схема СЭС представлена на рис. 2.
Рисунок 2 - Схема СЭС
2. Получение энергии с помощью гелиотермальной солнечной энергии. Данный вид энергии образуется в результате нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла за счет фокусирования солнечного излучения посредством сосуда с водой для последующего использования нагретой воды в системах отопления или в паровых электрогенераторах.
Рисунок 3 – Упрощённая схема гелиотермальной СЭС
Солнечный водонагреватель показан на рис. 3 и состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор

.
Нагретая таким образом вода может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.
Значение гелиотермальных технологий долгое время недооценивалось. Однако с учетом роста цен на энергоносители и появления инновационных технологий обогрева от солнечного тепла следует ожидать ускоренного развития этой отрасли в будущем.
Гелиотермальная энергия все чаще используется по всему миру для обогрева частных домов. В Европе гелиотермальные установки обеспечивают потребности в горячей воде на 100% летом и на 50–70% в расчете на год. Они состоят из коллектора площадью 3–6 м2, емкости для нагретой воды объемом 200–400 литров и способны удовлетворить потребности в горячей воде семьи из 4 человек.
В Калифорнии, США, огромными темпами наращиваются мощности альтернативной электроэнергетики. На рис. 4 приведено фото крупнейшей во всем мире мегаэлектростанции - это солнечная гелиотермальная станция.
Рисунок 4 - Гелиоцентрические установки башенного исполнения в Калифорнии, США.
Станция Иванпа Солар расположена в пустыне Мохаве к востоку от Лос-Анджелеса, введена в эксплуатацию в 2014 г (рис. 5). Ее строительство велось около трех лет, затраты составили 2 миллиарда 200 миллионов долларов. Станция вырабатывает абсолютно чистую энергию от солнца, но метод отличается от солнечных батарей.
Рисунок 5 - Станция Иванпа Солар, Лос - Анджелес, США
На рис. 5 видны три башни, окруженные тысячами зеркал - в них заключается весь секрет.
Станция Иванпа не использует уже привычные солнечные батареи, состоящие из фотоэлектрических модулей. Вместо них используются совершенно обычные зеркала (рис. 6).
Каждый зеркальный модуль, называемый гелиостатом, представляет собой систему из двух больших зеркал размером с гаражные ворота. СЭС Иванпа Солар содержит 173 тысячи таких гелиостатов.
Все эти зеркала-гелиостаты, отражают солнечные лучи на вершины трех башен, находящихся в центре (рис. 5). Каждый гелиостат подвижен, и под управлением систем автоматики постоянно разворачиваются в сторону солнца.

Рисунок 6 - Использование обычных зеркал вместо солнечных батарей на СЭС Иванпа Солар
Таким образом, солнечные лучи попадают на вершины башен постоянно, пока солнце не уходит за горизонт. На верху башен высотой 148 м находятся котлы с жидкостью, которая от нагрева солнечной энергией превращается в пар. Пар идет вниз, к турбине, и вращает ее - вырабатывается электрическая энергия.
На пике дня котел может нагреваться до 700 0С и выше. Точно такие же котлы на обычных ТЭЦ нагреваются при сжигании газа или угля.
Чем выше башня, тем больше вокруг нее можно поставить зеркал.
Общая мощность станции Иванпа Солар составляет 392 мегаватт.
Преимуществом гелиотермальных электростанций перед обычными солнечными батареями является возможность запасать излишки энергии на пике, а значит работать после захода солнца. Если объяснять просто, часть разогретой жидкости временно нагнетается в специальные огромные хранилища, и постепенно выпускается оттуда после захода солнца продолжая крутить турбину. Хранилища могут обеспечить работу турбин подобных станций до 15 часов после захода солнца при полной мощности.
Таким образом, гелиотермальные станции оснащенные теплохранилищами, могут вырабатывать энергию даже после захода солнца, а некоторые даже работать круглосуточно.
Интересной особенностью строительства гелиотермальных СЭС является программа охраны экологии. Сама станция абсолютно безвредна и представляет собой обычные зеркала, нагревающие паровой котел. Но ее строительство ставило под угрозу редкие виды черепах, живущие в пустыне. Поэтому компания-владелец станции провела специальную программу стоимостью в 22 миллиона долларов: была куплена обширная территория в стороне от станции, куда было переселено около 200 редких черепах.
Иванпа Солар - только одна из 7 крупных солнечных электростанций, располоденых в солнечном штате - Калифорнии.Введение

в эксплуатацию одной такой станции эквивалентно удалению из атмосферы 400 000 тонн выбросов CO2 ежегодно.
Далее рассмотрим принцип действия основных элементов СЭС.
2.2 Основные элементы СЭС
Коллекторы и концентраторы солнечной энергии (КСЭ). Наиболее часто используют плоские КСЭ (рис. 7). Коллектор состоит из корпуса 1, теплоизоляции 2, лучепоглощающей поверхности (экрана) 3, остекление 4, патрубок для теплоносителя 5, выход нагретого теплоносителя 6, коллектор 7, трубки для нагрева теплоносителя 8.
Рисунок 7 - Коллектор солнечной энергии плоский
Принцип работы КСЭ: световые лучи проходят через панель, поглощаются экраном 3 и трубками 8, которые, нагреваясь, излучают инфракрасные лучи; панель 4 их не пропускает. Таким образом, получается как бы солнечная ловушка: энергия в коллектор проходит и уносится по трубам 8. Совокупность элементов 3 и 8 называют абсорбером.
Для повышения КПД КСЭ используются следующие методы:
Нанесение селективных пленок на абсорбер. Эти пленки изготавливают из черного хрома и черного никеля на металлической подложке. Пленки черного цвета, поглощают солнечные лучи. Вместе с тем, их излучательная способность в инфракрасной области очень низка.
Применение высококачественной теплоизоляции КСЭ.
Вакуумирование коллекторов – для уменьшения интенсивности переноса теплоты от поверхности абсорбера к корпусу коллектора теплопроводностью и конвекцией. Известно, что снижение давления до 0,01 мм рт. ст. практически полностью исключает теплопроводность и конвекцию в воздушной среде.

Рисунок 8 - Солнечный параболический коллектор, где: 1- фокус излучения; 2- ось; 3- параболическое зеркало; 4- приемник солнечного излучения
Солнечный параболический коллектор – позволяет получать более высокие температуры теплоносителя за счет фокусировки солнечных лучей параболическим зеркалом на приемник солнечного излучения.
Элемент вакуумированного коллектора (рис. 8) выполняется в виде стеклянной трубки 2; внутри – солнечноприемный экран 3, трубка 2 – для теплоносителя. Трубки монтируются в модули. По трубке приемника проходит рабочее тело (жидкость, газ), которое после восприятия тепла направляется в приемник. Нагрев возможен до 300 °С (для вакуумированных КСЭ) и до 100 °С – для не вакуумированных.
Концентраторы - это устройства в виде зеркал или линз. Зеркала изготавливаются из полированного металла, линзы – из стекла или пластмассы (рис. 9).
Рисунок 9 - Концентраторы на сферических линзах
Также широко используются концентраторы на плоских линзах - линзы Френеля, показанные на рис. 10.
Рисунок 10 - концентраторы на плоских линзах
Для солнечной электрической станции (СЭС) даже небольшой мощности требуется значительное количество зеркал. Так, например, на Крымской СЭС мощностью 5 МВт на поле радиусом 200 м установлено 1600 зеркал, а котел находится на башне высотой 80 м.
За рубежом построены и успешно эксплуатируются десятки СЭС башенного типа мощностью 5–100 МВт