Развитие электроустановок солнечных электростанций

Электроустановки солнечных электростанций. Машина Стирлинга. Самоочистка солнечных батарей. Сохранение солнечной энергии.

По данным аналитиков текущий объем рынка солнечных батарей составляет около 24 миллиардов долларов. На солнечную энергетику приходится менее 0,04% мирового производства энергии, но если покрыть солнечными панелями всего лишь 4% пустынь Земли, этого хватит, чтобы удовлетворить все потребности человечества в энергии. Пыль была одним из главных препятствий в строительстве солнечных электростанций (СЭС) в безжизненных засушливых регионах, но с новой технологией самоочистки солнечных батарей, возможно, там развернется масштабное строительство.

Не так давно, ученые нашли решение проблемы пыли. Они разработали самоочищающиеся солнечные батареи, чтобы решить проблему, которая, конечно не совсем, но тормозит развитие солнечной энергетики. Солнечные батареи будут сами очищать себя от пыли - такое раньше казалось трудно реализовать. Но ученые из Американского химического общества предложили выход - самоочищающиеся солнечные батареи на основе новых технологий, разработанных для космических полетов.

Основа инновационной технологии самоочистки солнечных батарей – тонкая прозрачная электрочувствительная пленка, которая наносится на стекло или пластиковое покрытие солнечных панелей. Если концентрация пыли достигает критического уровня - специальные датчики активизируют пленку, которая с помощью электрического разряда отталкивает пыль. Образуется «волна» пыли, которая толкает загрязняющие частицы к краям солнечной панели и сбрасывает их на землю. По такой технологии удаляется около 90% пыли в течение 2 минут. Для работы системы требуется совсем немного электроэнергии. Эта новая технология изначально разрабатывалась совместно с NASA для использования в полетах на Луну и Марс, которые известны своей пыльной и сухой средой.

Например, в Аризоне каждый месяц на солнечной панели осаждается примерно в 4 раза больше пыли, Ближний Восток, Австралия и Индия - еще более пыльные регионы. Пыль смывают водой, но это дорого, да и найти воду в пустыне, месте, где выгоднее всего устанавливать солнечные панели, весьма проблематично.

Ещё одну идею предложили американские учёные компании Stirling Energy. В большинстве солнечных электростанций (СЭС) огромные конструкции из зеркал концентрируют солнечную энергию, отдают ее теплоносителю, а тот приводит в действие большую центральную турбину. В установках компании Stirling Energy, под названием SunCatcher, каждая 13-метровая тарелка питает энергией свою машину Стирлинга, расположенную прямо в фокусе зеркала. Такая машина сама по себе выдает свои 25 кВт электричества. Таким образом, подобная установка может работать как автономно, так и в составе ансамбля из 30 000 себе подобных.

Машина Стирлинга - это система замкнутого цикла. В этой машине механическую энергию получают за счет внешнего источника тепла, что принципиально отличается от действия двигателей внутреннего сгорания, работающих под капотами большинства автомобилей. Внутри четырех цилиндров объемом по 95 см3 содержится газообразный водород – при нагревании и охлаждении он расширяется и сжимается, поршни в цилиндрах движутся туда-сюда, а от них вращается небольшой электрогенератор. И параболическая тарелка, и данный двигатель – плоды целого десятилетия упорной работы, которая проводилась в сотрудничестве с компанией Stirling Energy Systems.

Испытание электроустановки происходили в пустыне. Температура была около нуля, а небо было на 8% прозрачнее, чем обычно. Чем больше разница между холодным воздухом и жарким солнцем, тем эффективнее работает эта машина. И вот 25-киловаттная система начала выдавать электроэнергию. Коэффициент преобразования оказался самым высоким из всех, когда-либо достигнутых в коммерческих солнечных установках: 31,25% солнечной энергии, падающей на зеркальную тарелку, отдавалось в виде тока в электросеть.

Революционное преимущество новой технологии состоит в том, что солнечные лучи концентрируются в одном очень небольшом пятне. Это позволяет достичь средней температуры 800°С, сравните с 400°С, которые достигаются в рабочем режиме установки на базе параболического желоба, Кроме того, кривая, отражающая коэффициент полезного действия машины Стирлинга, имеет относительно длинное плоское плато. Иначе говоря, энергоотдача будет близка к максимуму, даже если солнце склоняется к закату или его прикрывают облака.

Модульная структура станции имеет и другое важное достоинство. Поскольку каждый 25-киловаттный SunCatcher работает на собственную машину Стирлинга и вырабатывает электроэнергию совершенно автономно, система не имеет таких узлов, которые в случае отказа угрожали бы работоспособности всей системы. В альтернативной конструкции с параболическим желобом все эти тысячи зеркал работают на одну центральную турбину, так что при остановке турбины хотя бы для профилактики подача электроэнергии сразу должна прекратиться. И еще один момент: вариант SunCatcher позволяет начать отпуск энергии задолго до того, как строительство электростанции будет закончено. Достаточно будет собрать первые 40 тарелок – «солнечную группу» – и станция начнет вырабатывать электроэнергию, для начала хотя бы 1 МВт.

Брюс Осборн, президент и компании Stirling Energy, считает этот результат просто дополнительным подтверждением тому, что он давно уже знал: система SunCatcher достаточно созрела, чтобы выйти из стен лаборатории. «Этап, который можно назвать интеллектуальным прорывом, позади, – говорит президент. – Нам остается только взять полученные прототипы и сделать из них недорогие конструкции для массового производства. Слово за инженерами». Для этой цели компания Stirling Energy заключила крупномасштабные контракты с двумя предприятиями из Южной Калифорнии. Те обещают построить 70 000 установок, которые дадут энергию для миллионов жилищ.

Проблему, которая изрядно обесценивает все варианты солнечной энергетики: солнце село – рабочий день закончен, решили США и Испания.

Как известно, в Аризоне летом жарко, как в пекле, так что кондиционеры у людей работают до 9 –10 часов вечера. Зато горячую жидкость хранить гораздо проще, чем электроэнергию. Как сказал один из промышленников, в 5-долларовом термосе с горячей водой хранится столько же энергии, сколько в 150-долларовой батарее ноутбука. Только в одном случае это тепловая энергия, а в другом – электрическая, переведенная в электрохимические связи. Принцип хранения тепловой энергии реализован в двух 50-мегаваттных электростанциях, которые к концу этого года практически построены в Испании. При них располагаются гигантские термосы, заполненные расплавленной солью. В США один такой тепловой энергоаккумулятор введён в эксплуатацию в 2011 году. Его построили в Джила-Бенд, штат Аризона. 280-мегаваттная электростанция Solana, которую строит испанская компания Albengoa Solar, тоже спроектирована по схеме параболического желоба. При ней также предполагается установить термос-теплохранилище, который позволит электростанции работать без всякого солнца в течение шести часов. «Мы можем построить станцию, которая будет работать круглые сутки, – говорит Фред Морзе, консультант из Albengoa Solar, – но только в этом нет никакого коммерческого смысла». Ведь электростанция должна удовлетворять потребность в электроэнергии в те часы, когда эта потребность существует и когда цена на электричество наиболее высока.

Выпуском солнечных батарей на пленочной основе, то есть вместо фотоэлементов на кремниевой основе использовалась тонкая пленка из теллурида кадмия, занялась компания First Solar. Себестоимость их продукции составляет вдвое меньше, чем стоимость аналогичных батарей на кремниевой основе, причем этот показатель продолжает снижаться. С 2006 по 2007 год First Solar увеличила объемы производства в четыре раза. Сейчас суммарная мощность выпускаемых за год батарей составляет 396 МВт, а в 2012 году должна достигнуть 1000 МВт.

Представители Научного центра прикладных исследований (НЦеПИ) Объединённого института ядерных исследований в Дубне представили новую разработку - "звездную батарею". В основе батареи лежит гетероэлектрик - новое вещество на основе наночастиц золота и серебра - открытый специалистами НЦеПИ и запатентованный в России. Гетероэлектрик "загоняет" состоящий из волн разной длины солнечный свет на одну частоту, тем самым, повышает эффективность батареи.

Источник питания состоит из двух основных элементов: гетероэлектрического фотоэлемента, преобразующего видимый и инфракрасный свет в электричество, и гетероэлектрического конденсатора, накапливающего энергию. Подобный элемент обладает уникальной способностью работать не только днём, но и ночью, используя видимые и инфракрасные световые потоки, из-за чего его и назвали "звездной батареей". Преимущества этой батареи, в том, что эффективность преобразования видимого спектра в электроэнергию составляет 54%, а инфракрасного света в электроэнергию - 31%. Кроме того, фототок гетероэлектрического фотоэлемента вчетверо выше, чем у солнечных батарей.

Производство электроэнергии с помощью солнечных батарей экологически безопасно, но вот само их создание загрязняет окружающую среду многими вредными веществами. Поэтому профессор Дэвид Крисвелл из Института космических систем в городе Хьюстон, США, на заседании американского Геофизического союза, где обсуждались альтернативные экологические источники энергии, рассказал о своих идеях по созданию электростанций на Луне. Его лунные установки будут аккумулировать солнечную энергию и передавать ее на Землю в виде микроволновых лучей. Изобретатель утверждает, что этот способ экологичен, источник энергии почти неисчерпаем, а добыча в конечном счете не требует механических усилий и денежных затрат. А для начала, по мнению Крисвелла, нужно решить проблему строительства лунных электростанций, которые будут сооружаться из лунных материалов. Породы Луны богаты кремнием, кислородом, кальцием, алюминием, титаном, магнием и другими элементами периодической системы Менделеева, необходимыми для производства основных элементов электростанций, — кремниевых фотоэлектрических преобразователей, ферменных конструкций, кабелей, СВЧ-устройств и так далее. Строительство энергетических объектов можно будет поручить роботам, которые уже сегодня способны осуществлять такие работы.

Единственная проблема, которая, по словам ученого, может помешать осуществлению проекта, — это отказ правительства США в финансировании, хотя денег нужно всего ничего — 60 миллиардов долларов, что только в три раза превышает бюджет космической программы «Аполлон». На Луне нет атмосферы, и как следствие этого, помех для солнечного света — облаков и атмосферной пыли. На ее поверхность поступает более широкий диапазон излучений, чем на Землю. Да и гораздо выгоднее использовать уже имеющуюся площадку — Луну, нежели организовывать новые — искусственные спутники.

Серьезная угроза для безопасной работы станции на Луне — это микрометеориты, которые могут повредить поглощающие элементы. По мнению специалистов NASA, в этом случае пять таких энергостанций надо монтировать на экваторе спутника. Тогда в любой момент времени две или три из них будут находиться на дневной стороне и работать на полную мощность, а остальные — на ночной, то есть защищенной стороне. По расчетам Крисвелла, проект должен окупиться в течение пяти лет.

О том, как передать на нашу планету энергию, полученную в космосе, ученые спорили давно, были даже попытки продемонстрировать на Земле работоспособность одного из предлагаемых способов. Так называемая беспроводная передача энергии из космоса понималась как передача энергетического луча с геостационарных спутников на поверхность нашей планеты. На управляемом Францией острове Реюньон в Индийском океане полным ходом идет строительство установки для беспроволочной передачи электроэнергии. То, что недавно казалось фантастикой, становится былью: впервые в истории человечества ток будет передаваться буквально по воздуху. Опробуют новый метод в одной из деревень острова, которая находится на дне глубокого каньона. Поэтому проложить туда обычную линию электропередач невозможно.

Облегчит жизнь островитянам технология, которая применяется в обычных микроволновых печах. Действует она следующим образом: ток из сети сначала преобразуется в микроволны с помощью такого же, как в обычных печах, устройства, только работающего на иных частотах. Затем направленные волны посылаются на приемные антенны. Те улавливают пучки микроволн и снова превращают их в постоянный ток, пригодный к употреблению.

Как известно, привычное для нас электроснабжение по проводам достаточно эффективно лишь при наличии расположенной поблизости электростанции. Финансовые затраты быстро возрастают по мере увеличения расстояния до потребителя, одновременно растут и потери энергии. Поэтому специалисты считают, что микроволновая технология может оказаться востребованной при передаче энергии с Луны на Землю.