Термосолнечные батареи: что это такое и какие их сильные стороны

Подробный разбор вопроса, что такое термосолнечные батареи, необходимо начать с рассмотрения существующих технологий улавливания и преобразования солнечного света. Первые эффективные устройства, предназначенные для этой цели, появились более полувека назад. За это время учеными и инженерами было разработано и опробовано несколько десятков разновидностей панелей, которые объединяют два крупных класса – фотоэлектрический и термосолнечный.
Для первого типа СЭС важен поток фотонов, проходящий через слои полупроводников для возбуждения в цепи электрического тока. Во втором применяется схема промежуточного нагрева отраженными лучами того или иного теплоносителя.
Станции, использующие подобный механизм, принято разделять на четыре типа:
- солнечно-вакуумные;
- параболоцилиндрические концентрирующие;
- тарельчатые;
- башенные.
В каждом из них преимущества термосолнечных батарей реализованы по-разному.
Солнечно-вакуумные СЭС
Строятся по несколько усовершенствованной технологии, применявшейся владельцами теплиц во Франции со времен Наполеона-Бонапарта. Станции отличаются 100%-ной экологической безопасностью, поскольку используют энергию солнца исключительно для нагрева воздуха в закрытом помещении с прозрачными стенами и потолком. Современным нововведением является встроенная в стеклянный куб высокая труба, поднимающийся по которой вверх нагретый воздух вращает турбины, вырабатывающие электричество.
- Приемник излучения – стеклянные панели.
- Теплоноситель – воздух.
- КПД – менее 1%.
Плюсы и минусы термосолнечных батарей данного типа очевидны. Несмотря на чрезвычайно низкую эффективность, система обладает рядом важных преимуществ:
- минимумом затрат на возведение;
- отсутствием необходимости в обслуживании;
- способностью вырабатывать энергию даже в темное время суток за счет остаточного нагрева;
- абсолютной экологической чистотой.
Наиболее известные станции
- Испания, 1982 г. Застекленная площадь – 8 000 м2. Высота трубы – 194,5 м. Мощность – 51 кВт.
- КНР, 2010 г. Площадь – 277 000 м2. Мощность – 220 кВт.
Параболоцилиндрические концентрирующие солнечные электростанции
Вторыми по времени создания и несколько возросшему уровню эффективности стали параболоцилиндрические концентрирующие СЭС. Что такое термосолнечные батереи со столь труднопроизносимым названием, легко понять, взглянув на их конструкцию. Улавливающим излучение элементом является длинный прозрачный цилиндр с частично зеркальной поверхностью параболической формы. Геометрия отражателя позволяет концентрировать лучи в центре цилиндра, на размещенной в фокусе длинной полой трубке, наполненной жидкостью.
При нагреве до высоких температур вода превращается в пар под высоким давлением, поступающий на лопасти вращающихся турбин.
- Приемник излучения – параболические зеркала-концентраторы.
- Теплоноситель – перенасыщенный соляной раствор.
- КПД – 11-12%.
Плюсы и минусы термосолнечных батарей параболоцилиндрического типа
К достоинствам следует отнести:
- полню экологическую безопасность;
- возможность выработки энергии ночью, за счет долгого сохранения тепла расплавленной солью;
- сравнительно невысокие затраты на производство.
Среди недостатков:
- эффективность, уступающая тарельчатым и башенным конструкциям;
- значительная площадь.
Преимущества термосолнечных зеркальных панелей в прошлом столетии значительно превосходили аналогичные у распространенных ныне фотоэлектрических батарей. В жарких и солнечных регионах их установка проводилась повсеместно – в одной только Калифорнии с 1980 по 1990 годы было возведено девять крупных СЭС совокупной мощностью 355 МВт.
Наиболее известные станции
Сегодня, ввиду нерентабельности, все развитые страны от их строительства отказались. Тем не менее, в 2016 году заработала огромная СЭС в Марокко, включающая 510 000 зеркальных цилиндров на 500 МВт, снабжающая экологически чистой энергией всю юго-восточную часть страны.
Тарельчатые электростанции
Следующим этапом развития термосолнечной энергетики стало появление электростанций тарельчатого типа, основу которых являли поля зеркальных «тарелок» параболической формы. Фокусируя отраженные лучи на резервуарах с жидкостью (или двигателем Стирлинга), составляющих единое целое с параболой, инженеры добились повышение КПД системы до 30-35%.
Отвечая на вопрос, что такое термосолнечные батереи подобной конструкции, требуется отметить конструктивную сложность таких установок. Каждая парабола представляет собой не простую, а составную зеркальную поверхность. Количество ячеек-элементов в «тарелке», смонтированной на опоре, может достигать 80-100 единиц, а площадь поверхности – 100 и более квадратных метров.
- Приемник излучения – система ячеистых поворотных зеркал.
- Теплоноситель – вода и/или масло.
- КПД – не менее 30%.
Плюсы и минусы термосолнечных батарей тарелочного типа
Наиболее значимые преимущества:
- высокий коэффициент полезного действия;
- отсутствие в конструкции вредных веществ;
- долговечность и надежность.
Недостатки:
- дороговизна и технологическая сложность;
- обязательное использование трекеров с компьютерным управлением для слежения за солнцем.
Наиболее известные станции
- Ripasso, Южная Африка, 2015 г. Мощность – 85 МВт.
Несмотря на ряд преимуществ термосолнечных панелей данного вида в сравнении с предыдущими разновидностями, они практически полностью уступили пальму первенства станциям башенного типа.
Башенные солнечные электростанции
Сохранившаяся по сегодняшний день популярность подобных станций базируется на выгодности их размещения в жарких пустынных местностях. Что такое термосолнечные батереи башенного типа? Основой их конструкции является большой резервуар с жидкостью, смонтированный на опоре высотой в 200 и более метров. Благодаря кольцевой системе зеркал с постоянно меняющимся углом наклона, тепловая энергия излучения позволяет нагревать воду или концентрированный солевой раствор до температур 550-700°С. Высвобождающаяся энергия пара, вращающего лопасти турбин генератора, настолько велика, что эффективность системы превышает таковую у любых других типов современных панелей, включая фотоэлектрические.
- Приемник излучения – концентрические круги зеркал с башней в центре.
- Теплоноситель – вода либо раствор соли.
- КПД – 40%.
Плюсы и минусы термосолнечных батарей башенного типа
Основные достоинства:
- максимальная эффективность;
- отсутствие вреда для экологии, включая этап утилизации оборудования с истекшим сроком службы.
Недостатки:
- необходимость наличия свободных площадей от нескольких десятков гектаров и более;
- опасность для птиц, попадающих под отражаемые на резервуары высокотемпературные лучи.
Наиболее известные станции
- Израиль, 2017г., пустыня Негев. Высота опоры – 242 м. К-во гелиостатов – 50 400 шт. Позиционирование зеркал – удаленно по Wi-Fi. Температура нагрева носителя – до 700°С. Мощность СЭС – 120,8 МВт.
- Испания, 2011 г., Gemasolar. Башня – 160 м. Годовая производительность – 111 ГВт*ч. Полностью обеспечивает энергией 27,5 тыс. домохозяйств.
Альтернативные варианты СЭС
Несмотря на многочисленные преимущества термосолнечных панелей, конкурировать с инновационными фотоэлектрическими батареями последних лет выпуска они не могут. Практически повсеместно США, Германия, Китай, Австралия, ОАЭ и многие другие страны переходят на легкие, универсальные, гораздо более многофункциональные и стремительно дешевеющие тонкопленочные модели панелей.
Одной из лучших по соотношению цена/качество/производительность на сегодня является продукция компании First Solar, США (официальный представитель в Украине – фирма Green Tech Trade). Панели на базе редкоземельного теллурида кадмия CdTe от американского производителя идеально работают в рассеянном свете и значительно превосходят любые кремниевые аналоги. На сайте компании можно ознакомиться с ассортиментом продукции и сделать бесплатный расчет СЭС.