Τύποι ηλιακών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής: πύργος, δίσκος, παραβολικός-κυλινδρικός συμπυκνωτής, ηλιακός-κενός, συνδυασμένος

Για να μετατρέψετε την ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας ή με άλλα λόγια — ηλιακή θερμότητα και φως, σε ηλεκτρική ενέργεια, εδώ και πολλά χρόνια πολλές χώρες σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιούν ηλιακούς σταθμούς. Πρόκειται για κατασκευές μηχανικής με διαφορετικό σχεδιασμό, που λειτουργούν με διαφορετικές αρχές, ανάλογα με τον τύπο της μονάδας παραγωγής ενέργειας.

Αν κάποιος, ακούγοντας τον συνδυασμό "ηλιακός σταθμός παραγωγής ενέργειας", φανταστεί μια τεράστια περιοχή καλυμμένη με ηλιακούς συλλέκτες, αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, γιατί αυτός ο τύπος σταθμών παραγωγής ενέργειας, που ονομάζονται φωτοβολταϊκά, είναι πολύ δημοφιλής σήμερα σε πολλά νοικοκυριά. Αλλά αυτός δεν είναι ο μόνος τύπος ηλιακής ενέργειας.

Όλοι οι γνωστοί σήμερα ηλιακοί σταθμοί που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια σε βιομηχανική κλίμακα χωρίζονται σε έξι τύπους: πύργους, πλάκες, φωτοβολταϊκοί, παραβολικοί-κυλινδρικοί συγκεντρωτές, ηλιακοί-κενού και συνδυασμένοι.Ας ρίξουμε μια λεπτομερή ματιά σε κάθε τύπο ηλιακού σταθμού και ας δώσουμε προσοχή σε συγκεκριμένες κατασκευές σε διάφορες χώρες σε όλο τον κόσμο.

Πύργοι ηλεκτροπαραγωγικοί σταθμοί

Ηλιακός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής — Μια ηλιακή μονάδα παραγωγής ενέργειας στην οποία η ακτινοβολία από ένα οπτικό σύστημα συγκέντρωσης που σχηματίζεται από ένα πεδίο ηλιοστατών κατευθύνεται σε έναν ηλιακό δέκτη τοποθετημένο σε πύργο.

Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής πύργων βασίζονταν αρχικά στην αρχή της εξάτμισης του νερού υπό την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας. Εδώ χρησιμοποιούνται υδρατμοί ως ρευστό εργασίας. Βρίσκεται στο κέντρο ενός τέτοιου σταθμού, ο πύργος έχει μια δεξαμενή νερού στην κορυφή που είναι βαμμένη σε μαύρο χρώμα για να απορροφά καλύτερα τόσο την ορατή ακτινοβολία όσο και τη θερμότητα. Επιπλέον, ο πύργος έχει μια ομάδα αντλιών της οποίας η λειτουργία είναι να παρέχει νερό στη δεξαμενή. Ο ατμός, η θερμοκρασία του οποίου υπερβαίνει τους 500 ° C, ενεργοποιεί μια γεννήτρια στροβίλου που βρίσκεται στην επικράτεια του σταθμού.

Προκειμένου να συγκεντρωθεί η μέγιστη δυνατή ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας στην κορυφή του πύργου, είναι εγκατεστημένοι γύρω του εκατοντάδες ηλιοστάτες, των οποίων η λειτουργία είναι να κατευθύνουν την ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία απευθείας στο δοχείο νερού. Οι ηλιοστάτες είναι καθρέφτες, το εμβαδόν καθενός από τα οποία μπορεί να φτάσει δεκάδες τετραγωνικά μέτρα.

Ηλιοστάτης [ηλιοστάτης] — Επίπεδο ή εστιαζόμενο κατοπτρικό στοιχείο ενός οπτικού συστήματος συγκέντρωσης που διαθέτει ατομική διάταξη προσανατολισμού για την κατεύθυνση της ανακλώμενης άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας σε δέκτη ηλιακής ακτινοβολίας.

Τοποθετημένοι σε στηρίγματα εξοπλισμένα με σύστημα αυτόματης εστίασης, όλοι οι ηλιοστάτες κατευθύνουν την ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία απευθείας στην κορυφή του πύργου, στη δεξαμενή, καθώς η τοποθέτηση λειτουργεί ανάλογα με την κίνηση του ήλιου κατά τη διάρκεια της ημέρας.

Την πιο ζεστή μέρα, η θερμοκρασία του παραγόμενου ατμού μπορεί να ανέλθει στους 700 °C, κάτι που είναι υπεραρκετό για την κανονική λειτουργία του στροβίλου.

Για παράδειγμα, στο Ισραήλ, στο έδαφος της ερήμου Negev, μέχρι το τέλος του 2017, θα έχει ολοκληρωθεί η κατασκευή ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής με πύργο ισχύος άνω των 121 MW. Το ύψος του πύργου θα είναι 240 μέτρα (ο ψηλότερος ηλιακός πύργος στον κόσμο την εποχή της κατασκευής), και γύρω του θα υπάρχει ένας όροφος εκατοντάδων χιλιάδων ηλιοστατών που θα τοποθετηθούν μέσω ελέγχου Wi-Fi. Η θερμοκρασία του ατμού στη δεξαμενή θα φτάσει τους 540 ° C. Το έργο των 773 εκατομμυρίων δολαρίων θα καλύψει το 1% των αναγκών ηλεκτρικής ενέργειας του Ισραήλ.

Το νερό δεν είναι το μόνο πράγμα που μπορεί να θερμανθεί από την ηλιακή ακτινοβολία στον πύργο. Για παράδειγμα, στην Ισπανία, το 2011, τέθηκε σε λειτουργία ο ηλιακός σταθμός Gemasolar tower, στον οποίο θερμαίνεται ένα ψυκτικό αλάτι. Αυτή η λύση κατέστησε δυνατή τη θέρμανση ακόμη και τη νύχτα.

Το αλάτι, που θερμαίνεται στους 565 ° C, εισέρχεται σε μια ειδική δεξαμενή, μετά την οποία μεταδίδει θερμότητα στη γεννήτρια ατμού, η οποία περιστρέφει τον στρόβιλο. Ολόκληρο το σύστημα έχει ονομαστική ισχύ 19,9 MW και μπορεί να παρέχει 110 GWh ηλεκτρικής ενέργειας (ετήσιος μέσος όρος) για την τροφοδοσία ενός δικτύου 27.500 νοικοκυριών που λειτουργούν με πλήρη ισχύ 24 ώρες την ημέρα για 9 μήνες.

Σταθμοί παραγωγής ενέργειας

Κατ' αρχήν, οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής αυτού του τύπου είναι παρόμοιοι με τους πύργους, αλλά διαφέρουν δομικά. Χρησιμοποιεί ξεχωριστές μονάδες, καθεμία από τις οποίες παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Η μονάδα περιλαμβάνει και έναν ανακλαστήρα και έναν δέκτη. Ένα παραβολικό συγκρότημα κατόπτρων που σχηματίζουν έναν ανακλαστήρα είναι τοποθετημένο στο στήριγμα.

Ενισχυτής καθρέφτη — Συγκεντρωτής ηλιακής ακτινοβολίας με επίστρωση καθρέφτη.Συγκεντρωτής κατοπτρικής όψης — Κατοπτρικός συμπυκνωτής ηλιακής ακτινοβολίας που αποτελείται από μεμονωμένα κάτοπτρα επίπεδου ή καμπυλωμένου σχήματος που σχηματίζουν μια κοινή ανακλαστική επιφάνεια.

Ο δέκτης βρίσκεται στο επίκεντρο του παραβολοειδούς. Ο ανακλαστήρας αποτελείται από δεκάδες καθρέφτες, ο καθένας εξατομικευμένος. Ο δέκτης μπορεί να είναι ένας κινητήρας Stirling σε συνδυασμό με μια γεννήτρια ή μια δεξαμενή νερού που μετατρέπεται σε ατμό και ο ατμός περιστρέφει τον στρόβιλο.

Για παράδειγμα, το 2015, ο Ripasso, Σουηδία, δοκίμασε μια παραβολική ηλιοθερμική μονάδα με κινητήρα Stirling στη Νότια Αφρική. Ο ανακλαστήρας της εγκατάστασης είναι ένας παραβολικός καθρέφτης που αποτελείται από 96 μέρη και συνολική επιφάνεια 104 τετραγωνικών μέτρων.

Η εστίαση ήταν σε έναν κινητήρα υδρογόνου Stirling εξοπλισμένο με σφόνδυλο και συνδεδεμένο με μια γεννήτρια. Το πιάτο γύριζε αργά για να ακολουθήσει τον ήλιο κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ως αποτέλεσμα, ο συντελεστής απόδοσης ήταν 34% και κάθε τέτοια «πλάκα» ήταν σε θέση να παρέχει στον χρήστη 85 MWh ηλεκτρικής ενέργειας ετησίως.

Για να είμαστε δίκαιοι, σημειώνουμε ότι στο επίκεντρο της "πλάκας" ενός ηλιακού σταθμού αυτού του τύπου, μπορεί να βρεθεί ένα δοχείο λαδιού, η θερμότητα του οποίου μπορεί να μεταφερθεί στη γεννήτρια ατμού, η οποία, με τη σειρά της, περιστρέφει το τουρμπίνα της ηλεκτρικής γεννήτριας.

Παραβολικοί σωλήνες ηλιακοί σταθμοί

Και εδώ το θερμαντικό μέσο θερμαίνεται με συγκεντρωμένη ανακλώμενη ακτινοβολία. Ο καθρέφτης έχει τη μορφή παραβολικού κυλίνδρου μήκους έως 50 μέτρων, που βρίσκεται με κατεύθυνση βορρά-νότου και περιστρέφεται ακολουθώντας την κίνηση του ήλιου. Στο επίκεντρο του καθρέφτη βρίσκεται ένας σταθερός σωλήνας κατά μήκος του οποίου κινείται ο υγρός ψυκτικός παράγοντας.Μόλις ζεσταθεί αρκετά το ψυκτικό, η θερμότητα μεταφέρεται στο νερό στον εναλλάκτη θερμότητας, όπου ο ατμός στρέφει ξανά τη γεννήτρια.

Συγκεντρωτής παραβολικού διαδρόμου — Ένας κατοπτρικός συγκεντρωτής ηλιακής ακτινοβολίας, το σχήμα του οποίου σχηματίζεται από μια παραβολή που κινείται παράλληλα με τον εαυτό της.

Στη δεκαετία του 1980 στην Καλιφόρνια, η Luz International κατασκεύασε 9 τέτοιους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, συνολικής ισχύος 354 MW. Ωστόσο, μετά από αρκετά χρόνια πρακτικής, οι ειδικοί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι σήμερα οι παραβολικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής είναι κατώτεροι τόσο από άποψη κερδοφορίας όσο και από άποψη απόδοσης από τους ηλιακούς σταθμούς πύργου και πλακών.

Ωστόσο, το 2016, μια μονάδα παραγωγής ενέργειας ανακαλύφθηκε στην έρημο Σαχάρα κοντά στην Καζαμπλάνκα. ηλιακοί συγκεντρωτές, ισχύος 500 MW. Μισό εκατομμύριο κάτοπτρα μήκους 12 μέτρων θερμαίνουν το ψυκτικό στους 393 ° C για να μετατρέψουν το νερό σε ατμό για την περιστροφή τουρμπίνων γεννήτριας. Τη νύχτα, η θερμική ενέργεια συνεχίζει να λειτουργεί αποθηκευμένη σε λιωμένο αλάτι. Με αυτόν τον τρόπο, το κράτος του Μαρόκου σχεδιάζει να λύσει σταδιακά το πρόβλημα μιας φιλικής προς το περιβάλλον πηγής ενέργειας.

Φωτοβολταϊκοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής

Σταθμοί που βασίζονται σε φωτοβολταϊκά πλαίσια, ηλιακούς συλλέκτες. Είναι πολύ δημοφιλή και διαδεδομένα στον σύγχρονο κόσμο. Οι μονάδες βασισμένες σε κυψέλες πυριτίου χρησιμοποιούνται ευρέως για την τροφοδοσία μικρών τοποθεσιών, όπως σανατόρια, ιδιωτικές βίλες και άλλα κτίρια, όπου ένας σταθμός με την απαιτούμενη ισχύ συναρμολογείται από ξεχωριστά μέρη και εγκαθίσταται στην οροφή ή σε οικόπεδο κατάλληλης περιοχής. Οι βιομηχανικοί φωτοβολταϊκοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής είναι σε θέση να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια σε μικρές πόλεις.

Ηλιακός σταθμός παραγωγής ενέργειας (SES) [ηλιακός σταθμός παραγωγής ενέργειας] — Σταθμός παραγωγής ενέργειας που έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει την ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια.

Για παράδειγμα, στη Ρωσία, το μεγαλύτερο φωτοβολταϊκό εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας στη χώρα ξεκίνησε το 2015. Ο ηλιακός σταθμός «Alexander Vlazhnev», που αποτελείται από 100.000 ηλιακούς συλλέκτες, συνολικής ισχύος 25 MW, βρίσκεται σε έκταση 80 εκτάρια μεταξύ των πόλεων Orsk και Gai. Η χωρητικότητα του σταθμού είναι αρκετή για να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια στο μισό της πόλης του Orsk, συμπεριλαμβανομένων κτιρίων επιχειρήσεων και κατοικιών.

Η αρχή λειτουργίας τέτοιων σταθμών είναι απλή. Η ενέργεια των φωτονίων φωτός μετατρέπεται σε ρεύμα σε μια γκοφρέτα πυριτίου. Το εγγενές φωτοηλεκτρικό φαινόμενο σε αυτόν τον ημιαγωγό έχει μελετηθεί από καιρό και είναι αποδεκτό από τους κατασκευαστές ηλιακών κυττάρων. Όμως το κρυσταλλικό πυρίτιο, που δίνει απόδοση 24%, δεν είναι η μόνη επιλογή. Η τεχνολογία βελτιώνεται συνεχώς. Έτσι, το 2013, οι μηχανικοί της Sharp πέτυχαν 44,4% απόδοση από ένα στοιχείο ινδίου-γαλλίου-αρσενιδίου και η χρήση φακών εστίασης καθιστά δυνατή την επίτευξη και του 46%.

Ηλιακές μονάδες ηλεκτροπαραγωγής κενού

Απόλυτα οικολογικού τύπου ηλιακοί σταθμοί. Καταρχήν, χρησιμοποιείται η φυσική ροή αέρα, η οποία συμβαίνει λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας (ο αέρας στην επιφάνεια της γης θερμαίνεται και ορμάει προς τα πάνω). Πίσω στο 1929, αυτή η ιδέα κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στη Γαλλία.

Κατασκευάζεται ένα θερμοκήπιο, το οποίο είναι ένα κομμάτι γης καλυμμένο με γυαλί. Ένας πύργος προεξέχει από το κέντρο του θερμοκηπίου, ένας ψηλός σωλήνας στον οποίο είναι τοποθετημένος ένας στρόβιλος γεννήτριας. Ο ήλιος θερμαίνει το θερμοκήπιο και ο αέρας που ορμάει προς τα πάνω μέσω του σωλήνα στρέφει τον στρόβιλο.Το βύθισμα παραμένει σταθερό όσο ο ήλιος θερμαίνει τον αέρα σε κλειστό γυάλινο όγκο και ακόμη και τη νύχτα όσο η επιφάνεια της γης διατηρεί τη θερμότητα.

Ένας πειραματικός σταθμός αυτού του τύπου κατασκευάστηκε το 1982, 150 χιλιόμετρα νότια της Μαδρίτης, στην Ισπανία. Το θερμοκήπιο είχε διάμετρο 244 μέτρα και ο σωλήνας 195 μέτρα ύψος. Η μέγιστη ανεπτυγμένη ισχύς είναι μόνο 50 kW. Ωστόσο, η τουρμπίνα λειτούργησε για 8 χρόνια μέχρι που χάλασε λόγω σκουριάς και ισχυρών ανέμων. Το 2010, η Κίνα ολοκλήρωσε την κατασκευή ενός ηλιακού σταθμού κενού που ήταν σε θέση να παρέχει 200 ​​kW. Καταλαμβάνει έκταση 277 εκταρίων.

Συνδυασμένες μονάδες ηλιακής ενέργειας

Αυτοί είναι οι σταθμοί όπου οι επικοινωνίες ζεστού νερού και θέρμανσης συνδέονται με εναλλάκτες θερμότητας, γενικά θερμαίνουν νερό για διάφορες ανάγκες. Οι συνδυασμένοι σταθμοί περιλαμβάνουν επίσης συνδυασμένες λύσεις όταν οι συγκεντρωτές λειτουργούν παράλληλα με τους ηλιακούς συλλέκτες. Οι συνδυασμένοι ηλιακοί σταθμοί είναι συχνά η μόνη λύση για εναλλακτική τροφοδοσία και θέρμανση ιδιωτικών κατοικιών.