Солнечный электростанция. Солнечные электростанции: типы, принцип работы и эффективность использования солнечной энергии

Как работают солнечные электростанции различных типов. Каковы преимущества и недостатки разных видов СЭС. Какой КПД у современных солнечных электростанций. Где применяются СЭС и насколько они эффективны.

Основные типы солнечных электростанций и их особенности

Солнечные электростанции (СЭС) — это инженерные сооружения, преобразующие энергию солнечного излучения в электрическую энергию. Существует несколько основных типов СЭС, различающихся по конструкции и принципу работы:

• Башенные СЭС
• СЭС тарельчатого типа
• Фотоэлектрические СЭС
• СЭС с параболическими концентраторами
• Аэростатные СЭС
• Комбинированные СЭС

Рассмотрим особенности и принцип работы каждого типа солнечных электростанций подробнее.

Башенные солнечные электростанции: принцип работы и эффективность

Башенные СЭС основаны на концентрации солнечного излучения с помощью множества зеркал-гелиостатов на центральный приемник, установленный на высокой башне. Как работает башенная солнечная электростанция:

1. Сотни или тысячи зеркал-гелиостатов отслеживают положение солнца и отражают лучи на приемник на вершине башни.
2. В приемнике нагревается теплоноситель (вода или расплавленная соль) до температуры 500-700°C.
3. Горячий теплоноситель используется для получения пара, вращающего турбину и генератор.

КПД башенных СЭС достигает 20%, что довольно высоко для солнечных электростанций. Их преимущество — возможность аккумулировать тепловую энергию для работы в темное время суток.

Солнечные электростанции тарельчатого типа: конструкция и особенности

СЭС тарельчатого типа состоят из отдельных модулей, каждый из которых включает:

• Параболическое зеркало-концентратор диаметром до 10-12 м
• Приемник солнечной энергии в фокусе зеркала
• Двигатель Стирлинга с электрогенератором

Зеркало-концентратор фокусирует солнечные лучи на приемник, нагревая рабочее тело двигателя Стирлинга до 700-750°C. Эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую у лучших образцов достигает 31-32%.

Фотоэлектрические солнечные электростанции: принцип действия и применение

Фотоэлектрические СЭС — наиболее распространенный тип солнечных электростанций. Они напрямую преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую с помощью фотоэлементов. Принцип работы фотоэлектрической СЭС:

1. Солнечные лучи попадают на полупроводниковые фотоэлементы.
2. В фотоэлементах происходит разделение зарядов и возникает электрический ток.
3. Полученный постоянный ток преобразуется инвертором в переменный.

КПД современных кремниевых фотоэлементов достигает 22-25%. Фотоэлектрические СЭС широко применяются как для энергоснабжения частных домов, так и в промышленных масштабах.

СЭС с параболическими концентраторами: устройство и эффективность

Солнечные электростанции с параболическими концентраторами используют изогнутые зеркала для фокусировки солнечных лучей на приемной трубке с теплоносителем. Ключевые элементы такой СЭС:

• Параболоцилиндрические зеркала длиной до 150 м
• Приемные трубки с теплоносителем в фокусе зеркал
• Паротурбинная установка для выработки электроэнергии

Теплоноситель в трубках нагревается до 300-400°C и используется для получения пара. КПД таких СЭС составляет 14-16%. Их преимущество — возможность комбинировать с традиционными тепловыми электростанциями.

Аэростатные солнечные электростанции: перспективная технология

Аэростатные СЭС представляют собой солнечные электростанции, поднятые высоко над землей с помощью аэростатов или дирижаблей. Существует два основных типа аэростатных СЭС:

1. С фотоэлементами на поверхности аэростата (КПД до 15-18%)
2. С параболическим пленочным концентратором и термопреобразователем (теоретический КПД до 35-40%)

Преимущества аэростатных СЭС:

• Работа на большой высоте без затенения облаками
• Отсутствие ветровых нагрузок
• Возможность следования за солнцем

Однако эта технология пока находится на стадии экспериментов и требует решения ряда технических проблем.

Комбинированные солнечные электростанции: повышение эффективности использования энергии

Комбинированные СЭС сочетают несколько технологий преобразования солнечной энергии для повышения общей эффективности. Наиболее распространенные варианты:

• Сочетание фотоэлектрических панелей и солнечных коллекторов для одновременной выработки электроэнергии и тепла
• Комбинация концентрирующих СЭС с традиционными тепловыми электростанциями
• Гибридные системы с аккумуляторами и резервными дизель-генераторами

Комбинированные СЭС позволяют более полно использовать потенциал солнечной энергии и обеспечивать стабильное энергоснабжение потребителей.

Эффективность и перспективы развития солнечных электростанций

Эффективность солнечных электростанций постоянно растет благодаря совершенствованию технологий. Современные показатели КПД для разных типов СЭС:

• Фотоэлектрические СЭС: 15-25%
• Башенные СЭС: 18-22%
• СЭС с параболическими концентраторами: 14-18%
• СЭС тарельчатого типа: до 30-32%

Перспективы развития солнечной энергетики связаны с:

1. Повышением КПД фотоэлементов и концентраторов
2. Снижением стоимости производства компонентов СЭС
3. Развитием технологий накопления энергии
4. Созданием более эффективных гибридных систем

С учетом этих факторов, доля солнечной энергетики в мировом энергобалансе будет неуклонно расти в ближайшие десятилетия.

Сетевые солнечные электростанции любой мощности

Сетевая солнечная электростанция состоит из солнечных батарей и сетевого инвертора, который передает солнечную электроэнергию в существующую централизованную сеть 220 или 380 В.

Сетевая солнечная электростанция — это самый экологически чистый способ экономии электроэнергии.
Установив солнечную электростанцию вы начнете существенно экономить сразу, а в дальнейшем (при введении зеленого тарифа) — хорошо зарабатывать.

Преимущества и принципы работы сетевых солнечных электростанций:

• Отсутствие аккумуляторов в системе снижает стоимость комплекса почти на 50%.
• Аккумуляторы требуют постоянного контроля работы, регулярного обслуживания и периодической замены.
• Издержки на содержание сетевой солнечной электростанции сводятся к нулю.
• Гарантированная мощность солнечных модулей в течении 25 лет – 80%.

Воспользуйтесь нашим калькулятором для расчета
необходимого количества солнечных батарей для вашего проекта.

Калькулятор солнечных батарей

Работа солнечной сетевой электростанции устроена следующим образом:

Солнечные батареи отдают выработанную энергию сетевому инвертору для преобразования постоянного тока в переменный, с последующей передачей электроэнергии потребителю и в сеть. Инверторы применяемые в сетевых солнечных электростанциях SOFAR SOLAR имеют КПД порядка 98% с МРР трекером на входе, что дополнительно существенно повышает энерговыработку. Излишек выработанной электроэнергии может быть продан энергосбытовой компании по «зеленому» тарифу.

Даже без «зеленых» тарифов срок окупаемости у сетевых солнечных электростанций варьируется от 1 года до 5 лет, многое зависит от стоимости кВт*ч, по которому заказчик покупает электроэнергию у государства и региона установки, зная эти данные можно определить срок окупаемости установленной системы, после которого Вы будете только зарабатывать на ней.

Присоединяйтесь к тысячам домовладельцев, которые производят электрическую энергию с помощью солнечных батарей. Установив сетевую электростанцию можно сразу начать существенно экономить на оплате счетов за электричество, а в дальнейшем, когда система окупится, и хорошо зарабатывать.

Ограничение генерируемой от солнечных батарей мощности сетевым инвертором Sofar:

Применяемые в сетевых солнечных электростанциях сетевые инверторы Sofar Solar имеют встроенную уникальную функцию — возможность ограничения генерируемой мощности (делимитер) при появлении излишков солнечной электроэнергии, которые не потребляются нагрузками в доме (производстве). Трёхфазные инверторы также имеют такую возможность, но для реализации ее необходимо внешнее устройство — контроллер ARPC (Anti-reverse power controller).

Для включения этой функции необходимо подключить датчик тока (при покупке солнечного инвертора Sofar в компании Реалсолар вы получаете датчик тока в подарок) сразу после счетчика учета потребляемой электроэнергии. Датчики тока (если инвертор и сеть однофазная, то датчик будет один) отслеживают потребляемую вашей нагрузкой мощность и при генерации более чем потребляет нагрузка — дает команду сетевому инвертору снизить генерацию от солнечных батарей. Тем самым сетевой инвертор поддерживает примерно нулевое потребление от сети, если мощности солнечных батарей в данный момент хватает для питания потребителей энергии.

Эту уникальную функцию Sofar Solar разработал специально для России, т.к. нашим счетчикам без разницы куда течет энергия и они считаю всю энергию в плюс. Без функции ограничения потребителю приходится платить за отданные в сеть излишки электроэнергии.

Принцип работы солнечной электростанции

Солнечная электростанция — принцип работы

Есть три основных типа солнечных электростанций: сетевые, автономные и гибридные.

Сетевая солнечная электростанция работает без аккумуляторов и используется для уменьшения оплаты за сетевую электроэнергию.  Принцип работы прост:  выработанную от солнца электроэнергию она направляет во внутреннюю сеть, из промышленной сети берется только недостающая мощность. 

Автономная солнечная электростанция строится для электроснабжения там, где нет промышленной сети. Выработанную солнечную энергию она направляет на питание потребителей, а избытки запасает в аккумуляторных батареях. В темное время суток все электроснабжение осуществляется от аккумуляторов. 

Гибридная солнечная электростанция – это комбинированный тип сетевой и автономной солнечных электростанций. Днем солнечная энергия направляется во внутреннюю сеть, уменьшая потребление. Ночью система переходит на питание от промышленной сети или аккумуляторов. При отключении промышленной сети система работает как автономная солнечная электростанция  – энергоснабжение объекта не прерывается и осуществляется от солнечной и запасенной в аккумуляторах энергии. 

Принцип работы и виды солнечных электростанций

Солнечная электростанция (СЭС) представляет собой сооружение, с помощью которого энергия солнца преобразуется в электрическую. Варианты преобразования зависят от вида электростанции. В основном можно выделить два способа получения электричества на СЭС:

• Преобразование солнечной энергии в тепловую, а затем в электрическую;
• Преобразование солнечной энергии напрямую в электричество.

Второй способ является более перспективным, но для расширения его использования требуется увеличить КПД фотоэлементов. Сейчас в большинстве случаев КПД равен 10─15%. 

Башенные СЭС

Этот тип солнечных электростанций базируется на получении пара посредством тепловой энергии от солнца. В центре конструкции находится башня высотой 18─24 метра. Сверху башни расположен резервуар с водой. Ёмкость выкрашена в чёрный цвет, чтобы увеличить степень поглощения солнечного излучения. В башне работает группа насосов, перекачивающих из турбогенератора в нагреваемую ёмкость. Вокруг башни на большой площади находятся так называемые гелиостаты. Гелиостаты направляют солнечную энергию на ёмкость башни.

Схема башенной солнечной электростанции

СЭС на фотоэлектрических модулях

 Конструкция включает в себя большое количество отдельных фотоэлектрических модулей разной мощности и с различными параметрами на выходе. Подобные СЭС используются для энергоснабжения домов, дач, санаториев, некоторых промышленных объектов.

СЭС на фотоэлектрических модулях

Солнечные электростанции тарельчатого типа

Электростанции этого типа получают тепловую энергию солнца и преобразуют её в электрическую.

СЭС тарельчатого типа

Приёмник находится на таком месте, чтобы на нём концентрировался отражённый солнечный свет. Отражатель – это зеркала в форме тарелки, закреплённые на ферме. Диаметр может доходить до двух метров. Число зеркал может доходить до нескольких десятков. От их количества зависит мощность модуля. В состав промышленных электростанций входит нескольких десятков таких модулей.  

Аэростатные СЭС

Аэростатные СЭС могут быть двух видов:

• Солнечные фотоэлементы или поглощающая тепло поверхность находятся на аэростате. КПД в этом случае около 15 процентов;
• Этот вариант подразумевает использование параболической металлизированной плёнки, вогнутой внутрь под давлением газа. В ней концентрируется солнечная энергия. Цена такой плёнки меньше, чем у солнечных батарей и прочих отражающих поверхностей.

Аэростатные СЭС

Верхняя часть аэростата делается из армированной прозрачной пленки. В середине находится концентратор в виде параболы из металлизированного материала. Отражённый свет концентрируется на термопреобразователе. Он охлаждается водородом (преобразование энергии с разложением воды) или гелием (если энергия передаётся дистанционно посредством СВЧ излучения или радиоволн). Сам шар ориентируется на солнце посредством гироскопов, а управляется посредством перекачки балласта (вода). В одном аэростате может находиться несколько модулей (плавающих шаров).

С параболоцилиндрическими концентраторами

Конструкция таких электростанций заключается в нагреве теплоносителя для подачи турбогенератор. На постаменте закрепляется параболоцилиндрическое зеркало, которое фокусирует отражённый свет на трубке, где проходит теплоноситель. Он разогревается, попадает теплообменник, где отдаёт тепло воде. Вода переходит в пар и подаётся в турбогенератор для выработки электроэнергии.  

Солнечно-вакуумные электростанции

Этот вид электростанций использует энергию потока воздуха. Этот поток создаётся благодаря разности температур в слое воздуха у земли и на некоторой высоте (делается участок, закрытый стёклами). Конструкция таких СЭС включает в состав высокую башню и участок земли, накрытый стеклом. 

Солнечно-вакуумные электростанции

В основании башни находится воздушная турбина и генератор, вырабатывающий электроэнергию. Мощность, которую он вырабатывает, увеличивается при росте разницы температур. Эта разница зависит от высоты башни. Благодаря тому, что такая СЭС использует энергию нагретой земли, она может функционировать практически круглые сутки.

Электростанции на двигателе Стирлинга

Конструкция таких СЭС представляет собой параболические концентраторы, фокусирующие отражённый свет на двигатель Стирлинга. Есть вариации двигателей Стирлинга, преобразующих электрическую энергию без применения кривошипно-шатунных механизмов. Это даёт возможность добиться высокой эффективности установки. В среднем эффективность находится на уровне 30 процентов. Рабочим телом в таких установках является гелий или водород.  

Комбинированные

Часто на различных видах электростанций ставится теплообменная аппаратура для того, чтобы получать техническую горячую воду. Часто она используется в системе отопления. Такие станции называют комбинированными. 

Описание технологии

Солнечные батареи представляют собой полупроводниковое устройство, способное преобразовывать излучение солнца в электрическую энергию. Основной задачей такой станции является бесперебойное, экономное и надежное электроснабжение дома. Устанавливать такие устройства можно не только в тех районах, где имеются проблемы с подачей электроэнергии, но и просто для снижения расходов домовладельца на оплату коммунальных услуг.

Принцип работы устройства

Используемые фотоэлектрические преобразователи, которые состоят из нескольких кремниевых пластин, отличаются своей проводимостью и могут за счёт воздействия на них света генерировать электроэнергию. Солнечный свет попадает на отрицательно заряженные панели, появляется разность потенциалов между двумя крайними пластинами, которые покрыты бором и фосфором, что и приводит к возникновению напряжения, которое передается в преобразователи и далее направляется в электросеть дома.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Как работают электростанции на солнечной энергии

Экономичность и перспективность использования солнечной радиации в качестве альтернативного источника энергии и стали основными причинами широкого распространения гелиостанций. Их применяют как в промышленных целях, так и в частных секторах. Солнечные панели – не единственный метод использования энергии солнца. Сегодня ее преобразуют несколькими способами, которые и определяют типы солнечных электростанций (СЭС).

Пожалуй, солнце уже нельзя отнести в топ-10 необычных источников энергии. Разнообразие СЭС подтверждает изученность этой сферы энергетики. Все солнечные электростанции по конструкции подразделяются несколько видов:

• тарельчатого типа;
• применяющие фотопанели;
• работающие на основе параболоцилиндрических концентраторов;
• с двигателем Стирлинга;
• башенные;
• аэростатные;
• комбинированные.

СЭС тарельчатого типа

Тарельчатые СЭС состоят из модулей, поэтому такие станции могут применяться не только самостоятельно. Их включают в группы, тем самым повышая мощность до нескольких мегаватт. Система имеет конструкторский характер сборки. Каждый модуль такой электростанции на солнечной энергии состоит из нескольких частей:

• Опоры. Она предназначена для крепления фермы, которая служит основанием для остальных элементов.
• Приемника. Выполняет функцию концентрации солнечных лучей. Приемником может выступать двигатель Стирлинга или парогенератор.
• Отражателя. Используется, чтобы сконцентрировать солнечные лучи в генератор, расположенный прямо перед ним. Именно форма отражателя в виде тарелок дала название таким СЭС. Зеркала расположены на ферме по радиусу. Каждое из них индивидуально настроено.

Диаметр зеркал может достигать 2 м. Автономные СЭС работают только на одном модуле. Другой вариант конструкции, когда параллельно работают сразу несколько десятков модулей. Подобные станции особенно распространены на территории Нидерландов и в штате Калифорния в США.

СЭС башенного типа

Башенные гелиостанции работают по тому же принципу, что и тарельчатые. Основу системы составляет башня, достигающая в высоту 18-24 м. Ее располагают по центру всей установки. Составляющие башни:

• Резервуар, наполненный водой. Чтобы поглощать максимум солнечного излучения, он покрашен в черный цвет..
• Насосная группа. Образующийся пар нужно доставить на турбогенератор, что и делает насос.

Вторая составляющая станции – гелиостаты, которые окружают башню. За счет включения в общую систему позиционирования зеркала подстраиваются под положение солнца, меняя свою ориентацию. Температура в резервуаре достигает 700 °C в яркую солнечную погоду, а КПД – 20%.

СЭС с параболическими концентраторами

Электрогенерирующая способность таких СЭС тоже связана с отражательной способностью зеркал. Вместо тарелок в основе конструкции находится параболический цилиндр длиной до 50 м. Его составляют из отдельных модулей. В фокусе такого отражателя расположена трубка, предназначенная для движения жидкого теплоносителя. Чаще всего эту роль выполняет масло. Как работает солнечная электростанция:

1. При прохождении всего пути теплоноситель нагревается, передавая свое тепло воде.
2. Она преобразуется в пар, который направляют на турбогенератор.
3. Устройство преобразует полученную энергию в электричество.

Девять подобных СЭС были построены еще в 80-х годах в Калифорнии. Суммарная мощность установок составила 354 МВт. Но на практике оказалось, что эффективность таких СЭС значительно ниже, чем тарельчатого и башенного типа.

Несмотря на это, гелиостанции с параболическими концентраторами продолжают строиться. Так, в 2016 году подобную установку ввели в эксплуатацию в Марокко. Здесь ее расположили в пустыне Сахара, рядом с Касабланкой. Мощность установки достигла 500 МВт. Ее обеспечивают 0,5 млн зеркал длиной 12 м.

С двигателем Стирлинга

СЭС с двигателем Стирлинга – это разновидность гелиостанций, тоже состоящих из параболических концентраторов. Разница здесь лишь в конструкции, которую помещают в их фокусе. Здесь это именно двигатель Стирлинга, представляющий собой двигатель с маховиком. Система представлена замкнутым рабочим контуром, по которому движется газ или жидкость. В частности, для СЭС применяют водород или гелий.

Главное отличие такой установки – суммарный КПД до 34%. Принцип действия солнечной электростанции:

1. Каждый концентратор благодаря альбедо в 95% отражает солнечные лучи.
2. Они попадают на двигатель, одна из сторон которого за счет этого нагревается.
3. Вторая сторона охлаждается окружающим воздухом, а система в это время двигает поршень Стирлинга туда-сюда, что обеспечивает генерацию до 40 кВт энергии.
4. Часть ее тратится на воздухообмен и перемещение зеркал концентраторов, которые поворачиваются вслед за Солнцем.
5. Вычтя эти затраты, можно получить величину «чистой» генерации в 33 кВт, что и обеспечивает указанный выше КПД в 34%.

Получается, что станция работает за счет колебаний поршня, которые преобразуются в электроэнергию. КПД оказывается примерно в 2 раза выше, чем у обычных гелиотермальных установок. Это обусловлено также и тем, что при сочетании двигателя Стирлинга и концентраторов параболической формы рабочий зазор будет совсем небольшим. В результате затраты на нагрев воздуха между генератором и зеркалом значительно снижаются.

СЭС на фотоэлектрических модулях

Фотоэлектрические гелиостанции считают классическими. В их основе лежит применение солнечных батарей и модулей. Если электроснабжение требуется для небольших объектов, применяют модули без кремниевых элементов. Их устанавливают на крышах или участке земли.

Для промышленных объектов предусмотрены более мощные фотобатареи, которые занимают значительные площади. Принцип работы такой гелиоэлектростанции прост. Для получения электричества преобразуют энергию фотонов света. Станция может работать на отдельный насос или снабжать электричеством целый поселок. Все зависит от количества и мощности панелей. Они особенно распространены в частном секторе. Правильно выбрать солнечную батарею для дома совсем несложно.

Аэростатные СЭС

Только аэростатные СЭС собирают до 97% всей солнечной энергии. Их преимуществом считают и то, что они занимают сравнительно небольшую площадь. Основа конструкции – громоздкий баллон аэростата, который располагается в воздухе. Независимо от погоды и времени суток он поглощает все солнечные лучи. Это обеспечивается возможностью поднимать и опускать баллон.

Комбинированные СЭС

Уже из названия понятно, что комбинированные СЭС совмещают в себе разные типы гелиостанций. Часто сочетают между собой солнечные батареи и концентраторы – тарельчатые или параболические. Кроме производства энергии на солнечных электростанциях предусмотрена возможность обеспечения населения горячей водой. Ее нагрев осуществляют за счет дополнительно установленных теплообменных конструкций.

Разнообразие видов солнечных электростанций только подтверждает, что сегодня они активно развиваются. В связи с этим крупные компании продолжают вкладывать в строительство таких установок серьезные инвестиции. Гелиостанции окупают себя за несколько лет и остаются рентабельными в отличие от ископаемых ресурсов, цены на которые постепенно растут. Существующие же виды СЭС продолжают совершенствовать, чтобы устранить их основные недостатки. В будущем это позволит использовать солнечную энергию на полную мощность как в промышленных, так и в гражданских целях.

Солнечная электростанция — Википедия. Что такое Солнечная электростанция

Солнечная электростанция (СЭС) — инженерное сооружение, преобразующее солнечную радиацию в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

Типы солнечных электростанций

Все солнечные электростанции (СЭС) подразделяют на несколько типов:

• СЭС башенного типа
• СЭС тарельчатого типа
• СЭС, использующие фотоэлектрические модули (фотобатареи)
• СЭС, использующие параболические концентраторы
• Комбинированные СЭС
• Аэростатные солнечные электростанции
• Солнечно-вакуумные электростанции

СЭС башенного типа

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров^{[источник не указан 1009 дней]} (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится резервуар с водой. Этот резервуар покрашен в чёрный цвет для поглощения теплового и видимого излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая воду в резервуар от турбогенератора, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты.

Гелиостат — зеркало площадью в несколько квадратных метров^{[источник не указан 1009 дней]}, закреплённое на опоре и подключённое к общей системе позиционирования. То есть, в зависимости от положения солнца, зеркало будет менять свою ориентацию в пространстве. Основная и самая трудная задача — это позиционирование всех зеркал станции так, чтобы в любой момент времени все отраженные лучи от них попали на резервуар. В ясную солнечную погоду температура в резервуаре может достигать 700 C^{0[источник не указан 1009 дней]}. Такие температурные параметры используются на большинстве традиционных тепловых электростанций, поэтому для получения энергии используются стандартные турбины. Фактически на станциях такого типа можно получить сравнительно большой КПД (около 20 %)^{[источник не указан 1009 дней]} и высокие мощности.

СЭС тарельчатого типа

Данный тип СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приёмник расположен примерно в области концентрации отраженного солнечного света. Отражатель состоит из зеркал в форме, напоминающей тарелки (отсюда название), радиально расположенных на ферме. Диаметры этих зеркал достигают 2 метров^{[источник не указан 984 дня]}, а количество зеркал — нескольких десятков^{[источник не указан 984 дня]} (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью).

СЭС, использующие фотоэлектрические модули

СЭС этого типа в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных модулей (фотобатарей) различной мощности и выходных параметров. Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания и т. д.). Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями. Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением городов.

СЭС, использующие параболоцилиндрические концентраторы

Принцип работы данных СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе.

Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается параболоцилиндрическое зеркало большой^{[прояснить]} длины, а в фокусе параболы устанавливается трубка, по которой течет теплоноситель (чаще всего масло^{[источник не указан 984 дня]}). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в теплообменных аппаратах отдаёт теплоту воде, которая превращается в пар и поступает на турбогенератор.

СЭС, использующие двигатель Стирлинга

Представляют собой СЭС с параболическими концентраторами, у которых в фокусе установлен двигатель Стирлинга. Существуют конструкции двигателей Стирлинга, которые непосредственно преобразуют колебания поршня в электрическую энергию, без использования кривошипно-шатунного механизма. Это позволяет достичь высокой эффективности преобразования энергии. Эффективность таких электростанций достигает 31,25 %^[1]. В качестве рабочего тела используется водород или гелий.

Аэростатные СЭС

Аэростатные солнечные станции (СЭС) бывают 2 типов: первый — солнечные элементы располагаются на поверхности аэростата. При этом КПД не превышает КПД солнечных батарей и составляет около 15 % (в пределе может достигать 40 %). В конструкции второго типа в качестве рефлектора используется параболическая, вогнутая давлением газа, металлизированная пленка, которая служит для концентрации солнечной энергии. Стоимость квадратного метра которой мала в сравнении с солнечными батареями и любыми отражающими поверхностями. Располагаясь на высоте более 20 км аэростат не боится затенения при облачной погоде, а двигаясь с воздушными потоками не испытывает ветровых нагрузок. Верхняя часть выполнена из прозрачной пленки с армировкой, посредине парабола пленочного концентратора из армированной металлизированной пленки, а в фокусе — термопреобразователь, охлаждаемый легким газом-водород, для системы с разложением воды, либо гелий в случае наличия системы дистанционной передачи энергии- например радио- или свч-излучением. Ориентировка шара на солнце осуществляется за счет перекачки балластной жидкости(вода для водородного цикла), точная ориентировка — гироскопами. При необходимости в одном дирижабле может находится несколько плавающих шаровидных модулей.

Комбинированные СЭС

Часто^{[источник не указан 984 дня]} на СЭС различных типов дополнительно устанавливают теплообменные аппараты для получения горячей воды, которая используется как для технических нужд, так и для горячего водоснабжения и отопления. В этом и состоит суть комбинированных СЭС. Также на одной территории возможна параллельная установка концентраторов и фотобатарей, что тоже считается комбинированной СЭС.

Солнечно-вакуумные электростанции

Используют энергию воздушного потока, искусственно создаваемого путём использования разности температур воздуха в приземном слое воздуха, нагреваемого солнечными лучами в закрытом прозрачными стеклами участке, и на некоторой высоте. Состоят из накрытого стеклянной крышей участка земли и высокой башни, у основания которой расположена воздушная турбина с электрогенератором. Вырабатываемая мощность растет с ростом разности температур, которая увеличивается с высотой башни. Путём использования энергии нагретой почвы способны работать почти круглосуточно, что является их серьёзным преимуществом^[2].

Крупнейшие солнечно-тепловые электростанции на Земле

Крупнейшие солнечные тепловые электростанции в мире

Мощность МВт	Название	Страна	Местоположение	Координаты	Тип	Примечание
392	СТЭС Айвонпа		Сан-Бернардино, Калифорния	35°34′ с. ш. 115°28′ з. д.HGЯO	башенный	Введена в эксплуатацию 13 февраля 2014[3][4][5]
354	Solar Energy Generating Systems[en]		Пустыня Мохаве, Калифорния	35°01′54″ с. ш. 117°20′53″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	СЭС состоит из 9-ти очередей[6][7][8][9][10][11][12][13][14]
280	Mojave Solar Project[en]		Барстоу, Калифорния	35°00′40″ с. ш. 117°19′30″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	Строительство завершено в декабре 2014 года[15][16][17]
280	Solana Generating Station[en]		Аризона	32°55′ с. ш. 112°58′ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	Строительство завершено в октябре 2013 года[18][19]
250	Genesis Solar Energy Project[en]		Блайт, Калифорния	33°38′37″ с. ш. 114°59′16″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	В эксплуатации с 24 апреля 2014 года[20][21]
200	Solaben Solar Power Station[22]		Логросан, Испания	39°13′29″ с. ш. 5°23′26″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	3-я очередь закончена в июне 2012[23] 2-ая очередь закончена в октябре 2012[23] 1-ая и 6-ая очереди закончены в сентябре 2013[24]
160	СЭС Уарзазат		Марокко	30°59′40″ с. ш. 6°51′48″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	с тремя хранилищами[25][26] 1-ая очередь закончена в 2016 году
150	Solnova Solar Power Station[en]		Санлукар-ла-Майор, Испания	37°25′00″ с. ш. 06°17′20″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	1-ая и 3-я очереди завершены в мае 2010 4-ая очередь завершена в августе 2010[27][28][29][30][31]
150	Andasol Solar Power Station[en]		Гуадикс, Испания	37°13′42″ с. ш. 3°04′06″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	Заверено строительство: Andasol 1 (2008), Andasol 2 (2009), Andasol 3 (2011). Каждый имеет тепловой резервуар рассчитанный на 7,5 часов работы.[32][33]
150	Extresol Solar Power Station[en]		Торре-де-Мигель-Сесмеро, Испания	38°39′ с. ш. 6°44′ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	Строительство завершено: Extresol 1 и 2 (2010), Extresol 3 (2012). Каждый имеет тепловое хранилище рассчитанное на 7,5 часов работы[23][34][35]
110	Crescent Dunes		Най, Невада	38°14′ с. ш. 117°22′ з. д.HGЯO	башенный	в эксплуатации с сентября 2015[36]
100	KaXu Solar One[en]		ЮАР	28°53′40″ ю. ш. 19°35′53″ в. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	с хранилищем на 2,5 часа[37]
Мощность МВт	Название	Страна	Местоположение	Координаты	Тип	Примечание

Крупнейшие фотоэлектростанции на Земле

^{[уточнить]}

Крупнейшие фотоэлектрические установки в мире

Пиковая мощность, МВт	Местонахождение	Описание	МВт·ч / год
550	Калифорния, США	9 000 000 солнечных модулей
550	пустыня Мохаве, Калифорния, США
300	Калифорния, США	>1 700 000 солнечных модулей
290[38]	Агуа-Калиенте, Аризона, США	5 200 000 солнечных модулей	626 219
250	Сан-Луис-Обиспо, Калифорния, США
213	Чаранка, Гуджарат, Индия	Комплекс из 17 отдельных электростанций, самая крупная из которых имеет мощность 25 МВт.
206	округ Империал, Калифорния, США	>3 000 000 солнечных модулей Самая мощная станция в мире, использующая технологию ориентации модулей по Солнцу в течение дня.
200	Голмуд, Китай		317 200
200	округ Империал, Калифорния, США
170	округ Империал, Калифорния, США
166	Шипкау, Германия
150	округ Кларк, Невада, США
150	округ Марикопа, Аризона, США	800 000 солнечных модулей	413 611
145	Нойхарденберг, Германия	600 000 солнечных модулей
143	округ Керн, Калифорния, США
139	округ Империал, Калифорния, США	2 300 000 солнечных модулей
130	округ Империал, Калифорния, США	2 000 000 солнечных модулей
125	округ Марикопа, Аризона, США	> 600 000 солнечных модулей
105,56	Перово, Крым[39]	455 532 солнечных модулей	132 500 [40]
100	Пустыня Атакама, Чили	> 310 000 солнечных модулей
97	Сарния, Канада	>1 000 000 солнечных модулей	120 000
84,7	Эберсвальде, Германия	317 880 солнечных модулей	82 000
84,2	Монтальто-ди-Кастро, Италия
82,65	Охотниково, Крым[39]	355 902 солнечных модулей	100 000[41]
80,7	Финстервальде, Германия
73	Лопбури, Таиланд	540 000 солнечных модулей	105 512
69,7	Николаевка, Крым[39]	290 048 солнечных модулей
55	Речица, Белоруссия[42][43]	почти 218 тысяч солнечных модулей
54,8	Килия, Украина	227 744 солнечных модулей
49,97	СЭС «Бурное» с Нурлыкент, Казахстан	192 192 солнечных модулей	74000
46,4	Амарележа, Португалия	>262 000 солнечных модулей
43	Долиновка, Украина	182 380 солнечных модулей	54 399
43	Староказачье, Украина	185 952 солнечных модулей
34	Арнедо, Испания	172 000 солнечных модулей	49 936
33	Кюрбан, Франция	145 000 солнечных модулей	43 500
31,55	Митяево, Крым[39]	134 288 солнечных модулей	40 000 [44]
18,48	Соболи, Белоруссия	84 164 солнечных модулей
11	Серпа, Португалия	52 000 солнечных модулей
10,1	Ирлява, Украина		11 000
10	Ралевка, Украина	10 000 солнечных модулей	8 820
9,8	Лазурное, Украина	40 000 солнечных модулей	10 934
7,5	Родниково, Крым[39]	30 704 солнечных модулей	9 683
1	Батагай, Якутия[45][46]	3 360 солнечных модулей крупнейшая СЭС за полярным кругом[45]
Пиковая мощность, МВт	Местонахождение	Описание	МВт·ч / год

Влияние на окружающую среду

По некоторым сведениям, птицы регулярно погибают в воздухе над СЭС башенного типа, если они оказываются слишком близко к зоне концентрации солнечного света вокруг башни^[47], к примеру, на СЭС Айвонпа, в Калифорнии, в среднем одна птица погибает каждые 2 минуты^[48].

Примечания

1. ↑ Установлен новый рекорд эффективности
2. ↑ Михаил Берёзкин. Укрощение Солнца (рус.) // Наука и жизнь : журнал. — 2013. — № 12. — С. 19—25. — ISSN 0028-1263.
3. ↑ Large Solar Energy Projects, California Government
4. ↑ PG&E and BrightSource Sign Contracts for Over 1,300 MW of Solar Thermal
5. ↑ World’s Largest Solar Thermal Power Project at Ivanpah Achieves Commercial Operation
6. ↑ Solar Electric Generating Station I
7. ↑ Solar Electric Generating Station II
8. ↑ Solar Electric Generating Station III
9. ↑ Solar Electric Generating Station IV
10. ↑ Solar Electric Generating Station V
11. ↑ Solar Electric Generating Station VI
12. ↑ Solar Electric Generating Station VII
13. ↑ Solar Electric Generating Station VIII
14. ↑ Solar Electric Generating Station IX
15. ↑ csp-world.com Abengoa’s Mojave 250 MW CSP plant enters commercial operation, 2 December 2014
16. ↑ Abengoa: Plants under construction — United States Архивировано 19 июня 2013 года.
17. ↑ CSP World: Abengoa closes $1.2 billion financing for the Mojave Solar Project and starts construction
18. ↑ Abengoa Solar: Abengoa’s Solana, the US’s first large-scale solar plant with thermal energy storage system, begins commercial operation
19. ↑ SolarServer: Concentrating solar power: Solana CSP plant begins commercial operation Архивировано 16 октября 2013 года.
20. ↑ CSP World Архивировано 4 апреля 2014 года.
21. ↑ Another Huge Solar Plant Goes Online in California’s Desert Архивировано 15 мая 2016 года., Chris Clarke, REWIRE, May 5, 2014
22. ↑ Abengoa Solar begins construction on Extremadura’s second solar concentrating solar power plant
23. ↑ ^{1 2 3} Mapa de proyectos en España Архивировано 27 октября 2014 года.
24. ↑ CSP World: Abengoa closes financing and begin operation of Solaben 1 & 6 CSP plants in Spain
25. ↑ Saudi Power Developer Gives Spanish Firms Work in Morocco
26. ↑ King Mohammed VI of Morocco will inaugurate the first phase of solar plant «Noor I,» on Sunday in Ouarzazate, according to Minister Delegate in Charge of Environment Hakima El Haite
27. ↑ Abengoa Rakes in $426M for 4 Solar Power Plants
28. ↑ Abengoa Begins Operation of 50MW Concentrating Solar Power Plant. SustainableBusiness.com News (6 мая 2010). Проверено 7 мая 2010.
29. ↑ Abengoa Solar begins commercial operation of Solnova 1 Архивировано 7 июля 2011 года.
30. ↑ Abengoa Solar begins commercial operation of Solnova 3 Архивировано 15 июня 2010 года.
31. ↑ Abengoa Solar Reaches Total of 193 Megawatts Operating (недоступная ссылка)
32. ↑ Andasol 1 has started test run
33. ↑ The Construction of the Andasol Power Plants
34. ↑ Solar Thermal Power Generation — A Spanish Success Story Архивировано 18 марта 2009 года.
35. ↑ ACS Launches the Operation Phase of its Third Dispatchable 50 MW Thermal Power Plant in Spain, Extresol-1 Архивировано 20 июля 2011 года.
36. ↑ Tonopah Solar Energy
37. ↑ Abengoa Solar :: Our plants :: Operating facilities :: South Africa. Abengoa Solar. Проверено 5 мая 2015. Архивировано 6 апреля 2015 года.
38. ↑ http://www.firstsolar.com/Projects/Agua-Caliente-Solar-Project
39. ↑ ^{1 2 3 4 5} Данный объект расположен на территории Крымского полуострова, бо́льшая часть которого является объектом территориальных разногласий между Россией, контролирующей спорную территорию, и Украиной. Согласно федеративному устройству России, на спорной территории Крыма располагаются субъекты Российской Федерации — Республика Крым и город федерального значения Севастополь. Согласно административному делению Украины, на спорной территории Крыма располагаются регионы Украины — Автономная Республика Крым и город со специальным статусом Севастополь.
40. ↑ Крымская солнечная электростанция «Перово» стала крупнейшей в мире
41. ↑ В Крыму завершено строительство солнечной электростанции «Охотниково» мощностью 80МВт Архивировано 23 января 2012 года.
42. ↑ Самая большая в Беларуси солнечная электростанция открыта возле Речицы (рус.), Белорусское телеграфное агентство (13 октября 2017). Проверено 14 октября 2017.
43. ↑ Самая мощная солн

Схемы и типы солнечных электростанций

Солнечные электростанции – самый экологичный, доступный и экономически выгодный источник электроснабжения любых объектов. Они преобразуют энергию солнца в электрическую, которую можно использовать для электроснабжения любого объекта: дачи, дома, коттеджа, предприятия, офиса, гостиницы и т.д. Уже сейчас стоимость киловатта солнечной энергии – самая дешевая из всех типов генерации. Стремительный рост их популярности приводит к тому, что все больше домов, компаний и даже целых городов полностью отказываются от традиционных (загрязняющих атмосферу) видов генерации  в пользу солнечной и ветровой энергетики. Например, в Австралии солнечная электростанция есть на каждом 4-м доме! Профессионально спроектированная и построенная солнечная электростанция требует минимального обслуживания и обеспечит качественное энергоснабжение на десятилетия, многократно окупив первоначальные вложения.

Есть три основных типа солнечных электростанций: сетевые, автономные и гибридные. Так же есть системы резервного электроснабжения. Кратко описание каждой из них находится ниже. Для перехода в раздел с подробным описанием и примерами готовых решений кликните ссылку в соответствующем разделе или меню слева.

Сетевые солнечные электростанции

Сетевая солнечная электростанция работает без аккумуляторов и используется для уменьшения оплаты за сетевую электроэнергию.  Принцип работы прост:  выработанную от солнца электроэнергию она направляет во внутреннюю сеть, из промышленной сети берется только недостающая мощность. Например, если выработка от солнца 10кВт, а потребление 15 кВт, то из сети берется всего 5 кВт. В темное время суток система переходит в режим ожидания, и вновь включается с восходом солнца. Данный тип солнечных электростанций очень быстро окупается (3-5 лет), не требует обслуживания, а срок службы составляет более 35 лет. Идеально подходит для офисов и предприятий с дневным пиком потребления.  В любое время к сетевой солнечной электростанции можно добавить гибридный инвертор с аккумуляторными батареями, что сделает ее гибридно-сетевой солнечной электростанцией.

Автономные солнечные электростанции

Автономная солнечная электростанция строится для электроснабжения там, где нет промышленной сети. Выработанную солнечную энергию она направляет на питание потребителей, а избытки запасает в аккумуляторных батареях. В темное время суток все электроснабжение осуществляется от аккумуляторов. Если к солнечной электростанции добавить ветрогенератор с контроллером, то при наличии ветра он сможет заряжать АКБ в любое время – такой тип электростанции будет называться автономная ветро-солнечная электростанция.

Гибридные солнечные электростанции

Гибридная солнечная электростанция – это комбинированный тип сетевой и автономной солнечных электростанций. Днем солнечная энергия направляется во внутреннюю сеть, уменьшая потребление. Ночью система переходит на питание от промышленной сети или аккумуляторов. При отключении промышленной сети система работает как автономная солнечная электростанция  – энергоснабжение объекта не прерывается и осуществляется от солнечной и запасенной в аккумуляторах энергии. Если в гибридной электростанции в качестве солнечного контроллера используется сетевой инвертор (что увеличивает эффективность), она называется гибридно-сетевая солнечная электростанция.

Системы резервного электроснабжения

Система резервного электроснабжения имеет в своем составе аккумуляторные батареи и инвертор. Пока есть промышленная сеть, она просто поддерживает полный заряд аккумуляторных батарей. При ее пропадании инвертор мгновенно переключается на энергоснабжение от аккумуляторных батарей (оно не прерывается ни на секунду). При необходимости длительного разерва в систему добавляется бензо/дизель-генератор с автоматическим управлением, который будет заводится только на время быстрой подзарядки аккумуляторов(все остальное время будет отключен). Так же, при необходимости, в любой момент в систему можно добавить солнечные батареи с контроллером, что сделает ее гибридной солнечной электростанцией.

Солнечные тепловые электростанции — Управление энергетической информации США (EIA)

Солнечные тепловые электростанции используют концентрированную солнечную энергию

Солнечные системы тепловой энергии / выработки электроэнергии собирают и концентрируют солнечный свет для производства высокотемпературного тепла, необходимого для выработки электроэнергии. Все солнечные тепловые энергетические системы имеют коллекторы солнечной энергии с двумя основными компонентами: отражатели (зеркала), которые улавливают и фокусируют солнечный свет на приемник .В большинстве типов систем жидкий теплоноситель нагревается и циркулирует в ресивере и используется для производства пара. Пар преобразуется в механическую энергию в турбине, которая приводит в действие генератор для производства электроэнергии. Системы солнечной тепловой энергии имеют системы слежения, которые удерживают солнечный свет на приемнике в течение дня, когда солнце меняет свое положение в небе. Солнечные тепловые электростанции обычно имеют большое поле или массив коллекторов, которые поставляют тепло турбине и генератору.Некоторые солнечные тепловые электростанции в Соединенных Штатах имеют две или более солнечных электростанций с отдельными массивами и генераторами.

Солнечные тепловые энергетические системы могут также иметь компонент системы накопления тепловой энергии, который позволяет системе солнечного коллектора нагревать систему накопления энергии в течение дня, а тепло от системы накопления используется для производства электроэнергии вечером или в пасмурную погоду. Солнечные тепловые электростанции также могут быть гибридными системами, которые используют другие виды топлива (обычно природный газ) для дополнения энергии солнца в периоды низкой солнечной радиации.

Типы концентрирующих солнечных тепловых электростанций

Линейные обогатительные системы

Линейные концентрирующие системы собирают солнечную энергию с помощью длинных прямоугольных изогнутых (U-образных) зеркал. Зеркала фокусируют солнечный свет на приемники (трубки), которые проходят по длине зеркал. Концентрированный солнечный свет нагревает жидкость, текущую по трубкам. Жидкость направляется в теплообменник для кипячения воды в обычном паротурбинном генераторе для производства электроэнергии.Существует два основных типа систем линейных концентраторов: системы с параболическим желобом, в которых приемные трубки расположены вдоль фокальной линии каждого параболического зеркала, и системы с линейными отражателями Френеля, где одна приемная трубка расположена над несколькими зеркалами, чтобы обеспечить большую подвижность зеркал в отслеживание солнца.

Линейная электростанция с концентрирующим коллектором имеет большое количество, или , поле , коллекторов в параллельных рядах, которые обычно выровнены в направлении север-юг для максимального сбора солнечной энергии.Эта конфигурация позволяет зеркалам отслеживать солнце с востока на запад в течение дня и непрерывно концентрировать солнечный свет на приемных трубках.

Параболические желоба

Параболический желобный коллектор имеет длинный отражатель параболической формы, который фокусирует солнечные лучи на приемной трубе, расположенной в фокусе параболы. Коллектор наклоняется вместе с солнцем, чтобы солнечный свет фокусировался на приемнике, когда солнце движется с востока на запад в течение дня.

Благодаря своей параболической форме желоб может фокусировать солнечный свет от 30 до 100 раз больше его нормальной интенсивности (коэффициента концентрации) на приемной трубе, расположенной вдоль фокальной линии желоба, достигая рабочих температур выше 750 ° F.

Электростанция с параболическим желобом

Источник: стоковая фотография (защищена авторским правом)

Линейные концентрирующие системы с параболическим желобом используются в самой продолжительной в мире солнечной тепловой электростанции — Солнечной системе производства энергии (SEGS).Объект с девятью отдельными заводами расположен в пустыне Мохаве в Калифорнии. Первая станция в системе, SEGS I, работала с 1984 по 2015 год, а вторая, SEGS II, — с 1985 по 2015 год. SEGS III – VII (3–7), каждая из которых имеет летнюю генерирующую мощность 36 мегаватт (МВт). , вступили в строй в 1986, 1987 и 1988 годах. SEGS VIII и IX (8 и 9), каждая из которых имеет чистую летнюю электрическую мощность 88 МВт, начали работу в 1989 и 1990 годах соответственно. В совокупности семь действующих в настоящее время электростанций SEGS III – IX имеют общую чистую летнюю электрическую мощность около 356 МВт, что делает их одними из крупнейших солнечных тепловых электростанций в мире.

• Электростанция Солана: двухэлектростанция мощностью 280 МВт с компонентом хранения энергии в Хила-Бенд, Аризона
• Проект солнечной энергии в Мохаве: объект мощностью 280 МВт с двумя заводами в Барстоу, Калифорния
• Genesis Solar Energy Project: двухэлектростанция мощностью 250 МВт в Блайте, Калифорния
• Nevada Solar One: электростанция мощностью 69 МВт недалеко от Боулдер-Сити, Невада

Линейные отражатели Френеля

Системы с линейным отражателем Френеля (LFR) похожи на системы параболического желоба в том, что зеркала (отражатели) концентрируют солнечный свет на приемнике, расположенном над зеркалами.В этих отражателях используется эффект линзы Френеля, который позволяет получить концентрирующее зеркало с большой апертурой и коротким фокусным расстоянием. Эти системы способны концентрировать солнечную энергию примерно в 30 раз по интенсивности. Компактные линейные отражатели Френеля (CLFR), также называемые концентрирующими линейными отражателями Френеля, представляют собой тип технологии LFR, которая имеет несколько поглотителей в непосредственной близости от зеркал. Несколько приемников позволяют зеркалам изменять свой наклон, чтобы свести к минимуму то, насколько они блокируют доступ к соседним отражателям для солнечного света.Такое расположение повышает эффективность системы и снижает потребности в материалах и затраты. Демонстрационная солнечная электростанция CLFR была построена недалеко от Бейкерсфилда, Калифорния, в 2008 году, но в настоящее время не работает.

Башни солнечной энергии

Система солнечной энергетической башни использует большое поле плоских зеркал, отслеживающих солнце, называемых гелиостатами, для отражения и концентрации солнечного света на приемнике на вершине башни. Солнечный свет может концентрироваться до 1500 раз.В некоторых градирнях в качестве теплоносителя используется вода. Передовые разработки экспериментируют с расплавом нитратной соли из-за его превосходных возможностей теплопередачи и хранения энергии. Возможность хранения тепловой энергии позволяет системе вырабатывать электроэнергию в пасмурную погоду или ночью.

• Солнечная электростанция Иванпа: объект с тремя отдельными коллекторными полями и башнями с комбинированной чистой летней производственной мощностью 399 МВт в Айвенпа-Драй Лейк, Калифорния
• Crescent Dunes Solar Energy Project: объект с одной башней мощностью 110 МВт с компонентом хранения энергии в Тонапе, Невада

Башня солнечной энергии

Источник: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL)

Солнечная антенна / двигатели

Источник: стоковая фотография (защищена авторским правом)

Солнечная антенна / двигатели

В системах солнечной антенны / двигателя используется зеркальная антенна, похожая на очень большую спутниковую антенну.Для снижения затрат зеркальная тарелка обычно состоит из множества плоских зеркал меньшего размера, сформированных в форме тарелки. Тарельчатая поверхность направляет и концентрирует солнечный свет на тепловом приемнике, который поглощает и собирает тепло и передает его двигателю-генератору. Наиболее распространенным типом теплового двигателя, используемого в системах тарелка / двигатель, является двигатель Стирлинга. Эта система использует жидкость, нагретую ресивером, для перемещения поршней и создания механической энергии. Механическая энергия запускает генератор или генератор переменного тока для производства электроэнергии.

Солнечные тарелки / двигатели всегда направлены прямо на солнце и концентрируют солнечную энергию в фокусе тарелки. Коэффициент концентрации солнечной тарелки намного выше, чем у линейных концентрирующих систем, и она имеет температуру рабочей жидкости выше 1380 ° F. Электрогенерирующее оборудование, используемое с солнечной тарелкой, может быть установлено в центральной точке тарелки, что делает его хорошо подходящим для удаленных мест, или энергия может собираться из нескольких установок и преобразовываться в электричество в центральной точке.

Армия США разрабатывает систему мощностью 1,5 МВт на армейском складе Туэле в штате Юта с 429 солнечными антеннами двигателя Стирлинга.

Последнее обновление: 22 января 2020 г.

Солнечная тепловая электростанция — Energy Education

Рисунок 1. Солнечная тепловая электростанция в Испании. ^[1]

Солнечные тепловые электростанции — это электростанции, которые используют энергию Солнца для нагрева жидкости до высокой температуры.Затем эта жидкость передает свое тепло воде, которая затем становится перегретым паром. Затем этот пар используется для вращения турбин на электростанции, и эта механическая энергия преобразуется в электричество генератором. Этот тип генерации по существу аналогичен производству электроэнергии, в котором используется ископаемое топливо, но вместо сжигания ископаемого топлива для нагрева пара используется солнечный свет. ^[2] В этих системах используются солнечные коллекторы, чтобы концентрировать солнечные лучи в одной точке для достижения подходящей высокой температуры.

Существует два типа систем для сбора и хранения солнечного излучения: пассивные системы и активные системы. Солнечные тепловые электростанции считаются активными системами. ^[3] Эти установки спроектированы для работы с использованием только солнечной энергии, но большинство установок могут использовать сжигание ископаемого топлива для увеличения производительности, когда это необходимо. ^[2]

Виды растений

Несмотря на то, что существует несколько различных типов солнечных тепловых электростанций, все они одинаковы в том, что в них используются зеркала для отражения и концентрации солнечного света на точке.В этот момент солнечная энергия собирается и преобразуется в тепловую энергию, которая создает пар и запускает генератор. Это создает электричество.

Параболические желоба

основная статья

Рисунок 2. Коллекторы с параболическим желобом. ^[4]

Эти желоба, также известные как коллекторы линейного фокуса, состоят из длинного отражателя параболической формы, который концентрирует падающий солнечный свет на трубе, идущей вниз по желобу. Коллекторы иногда используют одноосную систему слежения за Солнцем, чтобы отслеживать Солнце по небу, когда оно движется с востока на запад, чтобы гарантировать, что на зеркала всегда падает максимальная солнечная энергия.Приемная труба в центре может достигать температуры выше 400 ° C, так как желоб фокусирует Солнце с интенсивностью в 30-100 раз больше его нормальной. ^[2]

Эти желоба выстроены рядами на солнечном поле. Жидкий теплоноситель нагревается, поскольку он проходит по трубам в параболическом желобе. Затем эта жидкость возвращается в теплообменники в центральном месте, где тепло передается воде, образуя перегретый пар высокого давления. Затем этот пар приводит в движение турбину, чтобы привести в действие генератор и вырабатывать электричество.Затем теплоноситель охлаждается и возвращается через солнечное поле. ^[2]

Параболические блюда

основная статья

Рисунок 3. Параболический сборщик посуды. ^[5]

Это большие параболические тарелки, которые используют двигатели для отслеживания Солнца. Это гарантирует, что они всегда получают максимально возможное количество поступающего солнечного излучения, которое затем концентрируется в фокусе антенны. Эти тарелки могут концентрировать солнечный свет намного лучше, чем параболические желоба, а температура жидкости, проходящей через них, может достигать 750 ° C. ^[2]

В этих системах двигатель Стирлинга преобразует тепло в механическую энергию, сжимая рабочую жидкость в холодном состоянии и позволяя нагретой жидкости расширяться наружу в поршне или перемещаться через турбину. Затем генератор преобразует эту механическую энергию в электричество. ^[2]

Солнечные башни

основная статья

Рисунок 4. Солнечная башня. ^[6]

Башни солнечной энергии — это большие башни, которые действуют как центральный приемник солнечной энергии.Они стоят посреди большого массива зеркал, которые концентрируют солнечный свет на точке в башне. Это большое количество плоских зеркал, отслеживающих солнце, известно как гелиостаты. В градирне установлен теплообменник, в котором нагревается теплоноситель. Тепло, сконцентрированное в этой точке, может быть в 1500 раз сильнее падающего солнечного света. ^[2] Затем горячая жидкость используется для создания пара, который запускает турбину и генератор, вырабатывая электричество. Одним из недостатков этих башен является то, что они должны быть очень большими, чтобы быть экономичными.

Преимущества и недостатки

Поскольку эти системы могут генерировать пар с такими высокими температурами, преобразование тепловой энергии в электричество более эффективно. Кроме того, эти электростанции решают проблему неспособности эффективно хранить электроэнергию за счет возможности накапливать тепло. Хранение тепла более эффективно и рентабельно, чем хранение электроэнергии.

Кроме того, эти установки могут производить управляемую энергию базовой нагрузки, что важно, поскольку это означает, что эти установки производят надежное количество энергии и могут включаться или включаться по желанию, удовлетворяя потребности общества в энергии. ^[7] В дополнение к этому, солнечные тепловые электростанции представляют собой тип технологии производства электроэнергии, который чище, чем производство электроэнергии с использованием ископаемого топлива. Таким образом, это одни из самых чистых вариантов выработки электроэнергии. Несмотря на это, все еще существует сопутствующее экологическое воздействие этих заводов, поскольку анализ полного жизненного цикла может показать все связанные выбросы углекислого газа, связанные со строительством этих заводов. Однако выбросы все еще намного ниже, чем выбросы, связанные с установками, работающими на ископаемом топливе.

К числу недостатков можно отнести большое количество земли, необходимое для эффективной работы этих заводов. Кроме того, потребность этих заводов в воде также может рассматриваться как проблема, поскольку для производства достаточного количества пара требуются большие объемы воды. ^[8] Последним потенциальным воздействием использования больших фокусирующих зеркал является вредное воздействие этих растений на птиц. Птиц, которые летят на пути сфокусированных лучей Солнца, можно сжечь. Согласно некоторым сообщениям о гибели птиц на таких электростанциях, как эта, погибает примерно одна птица каждые две минуты. ^[9]

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Обзор крупнейших в мире солнечных электростанций — pv magazine International

В третьем из четырех блогов пионер солнечной энергии Филип Вулф перечисляет крупнейшие в мире солнечные электростанции. В этих статьях «солнечная установка» определяется как отдельная генерирующая станция.

18 июня 2019 г. Филип Вулф, основатель, Wiki-Solar

Самые большие «солнечные парки» теперь имеют около 2 ГВт (2000 МВт) генерирующих мощностей и расширяются до 5 ГВт.Однако, как описано в блоге на прошлой неделе, эта выходная мощность обеспечивается несколькими — часто десятками — отдельных солнечных электростанций, обычно мощностью от 10 до 250 МВт каждая.

Солнечная электростанция — это отдельная генерирующая станция, спроектированная одним разработчиком (или консорциумом) и обычно с одним экспортным подключением к сети. В некоторых случаях он может быть настроен на нескольких близлежащих земельных участках, а большие солнечные электростанции часто строятся поэтапно. В этом блоге рассматриваются самые большие из этих отдельных солнечных электростанций, выделяя те, которые превышают 500 МВт.

Sweihan Independent Power Project

Эта электростанция в Абу-Даби, ОАЭ, все еще строится, но ожидается, что она станет крупнейшей в мире электростанцией мощностью 938 МВт _AC, после ввода в эксплуатацию в этом году.

При разработке, возглавляемой Marubeni и JinkoSolar, используются небольшие углы наклона с массивами (всего 1,177 МВт _P ), ориентированными на восток и запад. Как показывает этот вид с воздуха на строящуюся установку, эта конфигурация обеспечивает очень высокую плотность упаковки на участке площадью 800 га.

1. Солнечный парк Янчи

В Китае расположены крупнейшие действующие в настоящее время электростанции; во главе с так называемым солнечным парком Янчи к югу от Гаошаво в районе Янчи города Нинся. Его солнечные батареи 1 ГВт _P дают мощность около 820 МВт. Завод работает с 2016 года. Несмотря на название, это не «солнечный парк», как мы определяем его ниже.

2. Датун «Front Runner»

Дальше на восток, в провинции Шаньси, еще один проект мощностью 800 МВт (1 ГВт _P ) был установлен в районе Датун в рамках демонстрационной программы Китая для проектов такого масштаба. .Солнечные батареи распределены на вершинах холмов на большой территории, поэтому их трудно увидеть на спутниковых снимках (даже если они обведены белой рамкой, как на этом частичном изображении).

Другой проект аналогичного размера находится в районе Или в Синьцзяне, но, поскольку он занимает такую ​​обширную территорию, мы не включили его как отдельное предприятие в этот список. Мы также не включаем еще один GW _P вокруг Алашана во Внутренней Монголии.

3. Солнечная гидроэлектростанция Longyangxia

В провинции Цинхай солнечная гидроэлектростанция Longyangxia мощностью 697 МВт получила свое название, так как она подключена к гидроэлектростанции на плотине на близлежащем озере Лунъянся.Он стал крупнейшим в мире, когда в 2014 году вторую фазу подключила компания China Power Investment (ныне Государственная энергетическая инвестиционная корпорация). На этом снимке растение обведено белой рамкой, а другие проекты видны на северо-западе.

4. Проект солнечной электростанции Камути

Самая большая солнечная электростанция Индии была построена Адани в штате Тамил Наду в 2016 году. Солнечная электростанция Камути занимает площадь около 1200 гектаров и имеет мощность переменного тока 648 МВт.

5. Вильянуэва

Мексика украла мантию для крупнейшего в Америке солнечного проекта, когда в ноябре прошлого года была завершена третья фаза завода в Вильянуэва. Сейчас его эксплуатационная мощность составляет 640 МВт. Завод в штате Коауила все еще расширяется итальянской компанией ENEL Green Power.

6. Solar Star

Крупнейшая солнечная электростанция США расположена в долине Антилоп, Калифорния, рядом с несколькими другими фотоэлектрическими станциями.Он имеет белую окантовку, чтобы выделить его на этом ракурсе. Solar Star была построена в два этапа в 2013–2014 годах с использованием модулей Sunpower Corporation. Он имеет общую мощность 579 МВт и принадлежит группе Berkshire Hathaway Уоррена Баффета.

7. Hongshagang

Обратно в Китай за №. 8, эта многофазная установка сосредоточена вокруг Хуншаганчжэня в провинции Ганьсу. Он был построен компанией China Singyes, с эксплуатационной мощностью не менее 574 МВт и конечной мощностью 820 МВт.

8.Topaz

При мощности 550 МВт проект Topaz компании First Solar на короткое время был крупнейшей электростанцией в США после ввода в эксплуатацию в 2014 году. Он построен на равнине Карризо в центральной Калифорнии и по совпадению включает в себя место, где был построен первый в мире проект многомегаваттной солнечной энергии. в 1980-е гг.

9. Иньчуань Синцин

В долинах к востоку от столицы Нинся Иньчуань (частично показано на этом спутниковом снимке) находится еще один конгломерат горных массивов.Проект Yinchuan Xinqing имеет общую мощность чуть более 500 МВт и был введен в эксплуатацию в середине 2018 года.

10. НП Кунта Гринко

Самая большая фотоэлектрическая установка в одном из солнечных парков, перечисленных на прошлой неделе, — это станция мощностью 500 МВт, построенная в 2017 году для Greenko Energy в солнечном парке Анантапур.

Откройте для себя Путеводитель Филипа Вулфа по крупнейшим в мире солнечным электростанциям и крупнейшим в мире паркам солнечных батарей

Об авторе

Филип Вулф работает в сфере возобновляемых источников энергии с 1970-х годов и является основателем Wiki- Солнечная.Его книга о солнечной энергии в коммунальном масштабе была опубликована в 2012 году, а в прошлом году была опубликована книга о первых годах земного фотоэлектрического сектора.

Взгляды и мнения, выраженные в этой статье, принадлежат автору и не обязательно отражают точку зрения pv magazine .

Этот контент защищен авторским правом и не может быть использован повторно. Если вы хотите сотрудничать с нами и хотели бы повторно использовать часть нашего контента, свяжитесь с нами: [email protected].

Как работает солнечная электростанция? | Глобальные идеи | DW

Есть два типа солнечных электростанций.Они различаются в зависимости от того, как энергия солнца преобразуется в электричество — либо с помощью фотоэлектрических элементов, либо «солнечных батарей», либо с помощью солнечных тепловых электростанций.

Фотоэлектрические установки

Фотоэлектрический элемент, обычно называемый солнечным элементом или фотоэлектрическим элементом, представляет собой технологию, используемую для преобразования солнечной энергии непосредственно в электричество. Фотоэлемент обычно изготавливается из кремниевых сплавов.

Частицы солнечной энергии, известные как фотоны, ударяются о поверхность фотоэлектрического элемента между двумя полупроводниками.

Эти полупроводники проявляют свойство, известное как фотоэлектрический эффект, которое заставляет их поглощать фотоны и высвобождать электроны. Электроны захватываются в виде электрического тока — другими словами, электричества.

Солнечные тепловые электростанции

Солнечные тепловые электростанции вырабатывают тепло и электричество за счет концентрации солнечной энергии. Это, в свою очередь, создает пар, который помогает питать турбину и генератор для производства электроэнергии.

Есть три типа солнечных тепловых электростанций:

1) Параболические желоба

Это наиболее распространенный тип солнечных тепловых станций.«Солнечное поле» обычно содержит множество параллельных рядов солнечных параболических желобов. Они используют отражатели в форме параболы, чтобы фокусировать солнце в 30–100 раз больше нормальной.

Этот метод используется для нагрева жидкости особого типа, которая затем собирается в центральном месте для образования перегретого пара высокого давления.

2) Башня на солнечной энергии

В этой системе используются от сотен до тысяч плоских зеркал, отслеживающих солнце, называемых гелиостатами, для отражения и концентрации солнечной энергии на центральной приемной башне.Энергия может быть сконцентрирована в 1500 раз больше, чем энергия, поступающая от солнца.

Испытательная солнечная энергетическая башня существует в Юлихе в западной немецкой земле Северный Рейн-Вестфалия. Он расположен на площади 18 000 квадратных метров (194 000 квадратных футов) и использует более 2000 зеркал, отслеживающих солнце, для отражения и концентрации солнечной энергии на центральной приемной башне высотой 60 метров (200 футов).

Концентрированная солнечная энергия используется для нагрева воздуха в башне до 700 градусов Цельсия (1300 градусов по Фаренгейту).Тепло улавливается котлом и используется для производства электроэнергии с помощью паровой турбины.

Солнечные коллекторы тепловой энергии работают даже в неблагоприятных погодных условиях. Они используются в пустыне Мохаве в Калифорнии и выдерживают град и песчаные бури.

3) Солнечный пруд

Это бассейн с соленой водой, который собирает и накапливает солнечную тепловую энергию. Он использует так называемую технологию градиента солености.

По сути, нижний слой пруда очень горячий — до 85 градусов Цельсия — и действует как прозрачный изолятор, позволяя удерживать солнечный свет, из которого тепло может быть отведено или сохранено для дальнейшего использования.

Эта технология используется в Израиле с 1984 года для производства электроэнергии.

Автор: Мартин Шрейдер (sp)

Редактор: Дженнифер Абрамсон

Производство электроэнергии за счет солнечной энергии, технологии и экономики

(Технология и экономика)

Земля получает от Солнца больше энергии всего за час, чем население Земли потребляет за год.

Полный поток солнечной энергии, перехватываемый Землей в любой конкретный день, составляет 4,2 X 10 ¹⁸ Вт-часов или 1,5 X 10 ²² Дж (или 6,26 X 10 ²⁰ Дж в час). Это эквивалентно сжиганию 360 миллиардов тонн нефти (тнэ) в день или 15 миллиардов тнэ в час.

Фактически, общее мировое потребление энергии во всех формах в 2000 году составляло всего 4,24 X 10 ²⁰ Дж.В 2005 году это было 10 537 Мтнэ (Источник: Статистический обзор мировой энергетики ВР за 2006 г.)

Солнечное излучение

Солнечный свет бывает многих цветов, в нем сочетаются инфракрасные фотоны низкой энергии (1,1 эВ) с фотонами ультрафиолетового излучения высокой энергии (3,5 эВ) и все фотоны видимого света между ними.

На приведенном ниже графике показан спектр солнечной энергии, падающей на плоскость, прямо обращенную к Солнцу, за пределами атмосферы Земли на среднем расстоянии Земли от Солнца.Площадь под кривой представляет полную энергию в спектре. Известная как «Солнечная постоянная» G ₀ , она равна 1367 Вт на квадратный метр (Вт / м ² ).

Энергия излучения, попадающая в видимый спектр, составляет около 43% от общей, из которых около 52% приходится на инфракрасную область и 5% — на ультрафиолетовую.

На графике ниже показана энергия на уровне моря.

Прямая энергия — это энергия, получаемая непосредственно от солнца.

Глобальная энергия включает энергию, рассеянную, рассеянную или отраженную облаками, и энергию, повторно излучаемую самой Землей.

Энергия, полученная на уровне моря, составляет около 1 кВт / м ² в полдень около экватора

Облучение и инсоляция

Общее солнечное излучение определяется как количество лучистой энергии, излучаемой Солнцем на всех длинах волн, а не только в видимом свете, падающую каждую секунду на перпендикулярную плоскость площадью 1 квадратный метр вне атмосферы Земли на заданном расстоянии от Солнца.Она примерно постоянна и колеблется всего на несколько частей на тысячу изо дня в день.

На внешней поверхности атмосферы Земли энергетическая освещенность известна как солнечная постоянная и равна примерно 1367 Вт на квадратный метр.

Количество солнечной энергии, которая фактически проходит через атмосферу и ударяет в определенную область на Земле за определенное время, зависит от широты, времен года и погоды и известна как инсоляция (падающая солнечная радиация).

Когда Солнце находится прямо над головой, инсоляция, то есть падающая энергия, поступающая на поверхность земли перпендикулярно солнечным лучам, обычно составляет 1000 Вт на квадратный метр. Это происходит из-за поглощения энергии Солнца атмосферой Земли, которая рассеивает от 25% до 30% лучистой энергии.

Инсоляция увеличивается с высотой

Термины «освещенность» и «инсоляция» часто используются как синонимы для обозначения одного и того же.

Доступная солнечная энергия

Так как площадь поперечного сечения Земли составляет 127 400 000 км², общая мощность Солнца, перехватываемого Землей, составляет 1,740 × 10 ¹⁷ Вт, но при вращении в течение ночи энергия не поступает, а энергия Солнца распределяется по всей Земле. площадь поверхности, большая часть которой не нормальна для солнечных лучей в течение большей части дня, так что средняя инсоляция составляет только четверть солнечной постоянной или около 342 Вт на квадратный метр.Принимая во внимание сезонные и климатические условия, фактическая мощность, достигающая земли, обычно составляет менее 200 Вт на квадратный метр. Таким образом, средняя мощность, перехватываемая земной поверхностью в любое время, составляет примерно 127,4 X 10 ⁶ X 10 ⁶ X 200 = 25,4 X 10 ¹⁵ Вт или 25 400 Тераватт.

Суммируя эту мощность за год, общая солнечная энергия, полученная Землей, составит:

25 400 ТВт X 24 X 365 = 222 504 000 Тераватт-часов (ТВтч)

Для сравнения: общий годовой объем электроэнергии (а не всей энергии), потребляемой в мире из всех источников в 2011 году, составил 22 126 ТВт-ч (Международное энергетическое агентство (МЭА)).Таким образом, доступная солнечная энергия более чем в 10 056 раз превышает мировое потребление. Солнечная энергия, конечно, должна быть преобразована в электрическую, но даже при низкой эффективности преобразования, составляющей всего 10%, доступная энергия будет составлять 22 250 400 ТВт-ч или более чем в тысячу раз больше потребления. Используя такую ​​же низкую эффективность преобразования, весь мировой спрос на электроэнергию может быть обеспечен с помощью солнечной панели длиной 127 000 км ² . Теоретически это может быть обеспечено шестью солнечными электростанциями протяженностью 21 100 км, ² или 145,3 км с каждой стороны, по одной станции в каждой из жарких и бесплодных континентальных пустынь Австралии, Китая, Ближнего Востока, Северной Африки, Южной Америки и других стран. США или одна большая солнечная установка, покрывающая 1% пустыни Сахара.

К сожалению, щедрость Солнца может быть получена только в светлое время суток, и некоторая энергия должна быть сохранена для использования в темное время суток, а требование распространять энергию на большие расстояния туда, где это необходимо, делает это предложение непрактичным. Пример служит просто для иллюстрации обилия солнечной энергии.

Однако практично построить более эффективные солнечные электростанции меньшего размера для удовлетворения потребностей местных сообществ с использованием бесплатной солнечной энергии, когда она доступна в сочетании с другими другими источниками энергии или некоторыми местными накопителями энергии, где это возможно.Несмотря на это, менее 0,1% мирового спроса на первичную энергию обеспечивается солнечной энергией.

Хотя использование фотоэлектрических солнечных элементов для обеспечения мировых потребностей в электроэнергии может быть технически практичным, все же это самый дорогой способ производства электроэнергии. См. Диаграмму затрат на производство электроэнергии и экономики отечественной солнечной фотоэлектрической системы

.

Эквивалентные часы полного солнца (EHS)

Из-за различий в интенсивности солнечного излучения в течение дня, а также вариаций продолжительности дня, трудно сравнивать солнечную энергию, падающую на Землю в разных местах.На графике напротив показан пример, в котором инсоляция достигает 1000 Вт / м 2 в полдень, когда солнце находится в самой высокой точке неба. Инсоляция 1000 Вт / м 2 известна как «полное солнце». В большинстве случаев падающая энергия ниже этого значения, потому что она зависит от угла падения солнечных лучей на землю, увеличиваясь в течение дня с очень низкого значения на рассвете, когда Солнце поднимается до пика в полдень и снова падает. как солнце садится. (См. Угол падения ниже).Точно так же инсоляция будет уменьшаться в более высоких широтах из-за влияния воздушной массы (см. Ниже). График также показывает, что в этом случае общая полученная энергия за 10 часов дневного света составит 3,5 кВтч. Если бы инсоляция была постоянной на уровне 1000 Вт / м 2 , такое же количество энергии было бы получено за 3,5 часа. Эквивалентные часы полного солнечного света — это мера средней инсоляции в разных местах.В этом случае EHS составляет 3,5 часа. Доступная солнечная энергия и, следовательно, Эквивалентные часы полного солнечного света (EHS) также зависят от атмосферных условий облачности и загрязнения. См. «Доступная энергия — практические системы» ниже. Концепция EHS полезна для сравнения потенциала солнечных энергетических систем при установке в разных географических точках.

Улавливание солнечной энергии

Солнечная энергия может улавливаться в двух формах: в виде тепла или в виде электрической энергии.

• Тепловые системы

Тепловые системы улавливают тепловую энергию Солнца (инфракрасное излучение) в какой-либо форме солнечного коллектора и используют ее в основном для обеспечения горячей воды или обогрева помещений, но тепло также может использоваться для выработки электроэнергии путем нагрева рабочей жидкости в тепловом двигателе. который, в свою очередь, приводит в действие генератор.

• Фотоэлектрические системы

Фотоэлектрические системы улавливают солнечное излучение более высокой частоты (видимое и ультрафиолетовое) в виде массива полупроводников, фотоэлектрических элементов, которые преобразуют лучистую энергию непосредственно в электричество.

Фактическая солнечная энергия или инсоляция, достигающая солнечного коллектора или массива, зависит от его положения на Земле, его ориентации, а также непрерывно изменяется со временем, а также от погодных условий.

Количество захваченной энергии прямо пропорционально площади фронта солнечной энергии, перехваченной коллектором.

Немного геометрии

Ориентация солнечного коллектора или фотоэлектрической батареи по отношению к положению Солнца является основным определяющим фактором эффективности солнечной энергетической системы.

Угол падения Количество энергии, падающей на коллектор или решетку, прямо пропорционально площади волнового фронта излучения, который он перехватывает.Для оптимального захвата энергии коллектор должен быть перпендикулярен солнечным лучам при угле падения 90 °. Для плоской пластины на земле это происходит только тогда, когда Солнце находится прямо над головой. К сожалению, если вы не живете в тропиках, этого никогда не будет, и солнечные батареи должны быть наклонены к Солнцу, чтобы получить максимальную инсоляцию. Когда падающая энергия не перпендикулярна коллектору, угол падения составляет (90 ° — Θ) , а эффективная площадь коллектора составляет A.cosΘ , где A — площадь коллектора, а Θ — отклонение от перпендикуляра излучения.

На приведенной выше диаграмме воздушная масса соответствует коэффициенту ( 1 / cosΦ )

Масса воздуха Воздушная масса — это безразмерная величина, определяемая как отношение между фактической длиной пути солнечного излучения через атмосферу и длиной вертикального пути через атмосферу на уровне моря. Если излучение Солнца не перпендикулярно Земле, путь прохождения через атмосферу Земли будет длиннее и, следовательно, энергия, поглощаемая на пути к коллектору или массиву, будет больше. Эффект от более длинного маршрута через атмосферу заключается в увеличении поглощения энергии (или потерь энергии) в 1 / cos Φ , где Φ — это отклонение от перпендикуляра излучения, также называемое зенитным углом. Таким образом, в полярных регионах, когда Φ приближается к 90 градусам ( cosΦ> 0 ), инсоляция очень мала, даже если коллектор направлен прямо на Солнце, из-за более длинного пути через атмосферу.

• Высота

Инсоляция увеличивается с высотой, поскольку излучение проходит через меньшую воздушную массу, следовательно, поглощение энергии атмосферой меньше.

Немного астрономии

Чтобы вычислить, как солнечная инсоляция меняется со временем и с положением коллектора на поверхности Земли, нам нужно немного знать астрономию.

Хотя Земля движется вокруг Солнца, для целей расчета энергии, перехватываемой нашими коллекторами, часто удобно предположить, что Земля неподвижна, а Солнце движется относительно Земли во многом так же, как это делали древние до Коперника. указал на их ошибку.Если предположить, что Земля не вращается, видимая траектория Солнца следует в двухмерной плоскости неба, называемой эклиптикой.

• Позиция

Положение Солнца на небе относительно наблюдателя на Земле определяется его высотным углом α (угол возвышения Солнца) и его азимутальным углом Ψ .

• Орбита Земли

Земля вращается вокруг Солнца с одним оборотом в год по эллиптической орбите, при этом Солнце находится в одном из фокусов эллипса.Однако два фокуса орбиты расположены очень близко друг к другу, так что орбита почти круговая, расстояние до Солнца от перигелия, точка на его орбите, ближайшая к Солнцу, всего на 3% меньше, чем расстояние от афелия, самое дальнее расстояние.

Поскольку орбита почти круговая, влияние орбиты на солнечное излучение остается практически постоянным в течение всего года, пока Земля вращается вокруг Солнца. Фактическая энергия, получаемая на любом расстоянии от Солнца, определяется законом обратных квадратов.Таким образом, изменение расстояния на 3% приводит к изменению освещенности на 6%.

• Вращение Земли

Вращение Земли один раз в день определяет наш день и ночь. Когда Земля вращается, инсоляция в любой точке ее поверхности повышается до максимума в середине дня и падает до нуля в течение ночи, поскольку Земля обращена к Солнцу другим лицом. Для максимальной эффективности ориентация коллектора должна следовать за Солнцем, когда оно проходит над головой с востока на запад.

• Широта

Солнечный коллектор или массив, размещенный на земле, получает максимальную инсоляцию только тогда, когда Солнце находится прямо над головой. Поскольку Земля имеет примерно сферическую форму, угол между плоскостью поверхности Земли и падающим солнечным излучением будет постепенно увеличиваться с 90 градусов по мере удаления от экватора к верхним и нижним широтам на угол Θ , равный широте наблюдателя.В этот момент угол высоты α Солнца будет ( 90 — Θ ) градусов. Из-за увеличения наклона земной поверхности инсоляция, принимаемая коллектором, размещенным на поверхности, будет постепенно уменьшаться.

Этот недостаток можно преодолеть, наклонив коллектор так, чтобы он был перпендикулярен солнечным лучам. Величина подъема от горизонтали, угол наклона, должен быть равен углу Θ широты местоположения коллектора.

Для максимального эффекта ось наклона должна быть перпендикулярна полярной оси. То есть в северном полушарии направление коллектора должно указывать строго на юг.

Обратите внимание, что полярная ось не совпадает с пеленгом компаса, потому что магнитные полюса не обязательно точно совпадают с геометрическими полюсами. Угол между магнитным и географическим меридианами в любом месте называется магнитным склонением или вариацией и может достигать 20 градусов и более.Он выражается в градусах востока или запада, чтобы указать направление магнитного севера от истинного севера.

К сожалению, кажется, что Солнце не движется по постоянной траектории в экваториальной плоскости Земли. Кажется, что летом он движется на север, а зимой на юг. Фактически Солнце находится в неподвижном состоянии, и эффект вызван наклоном оси вращения Земли.

• Наклон Земли

Ось вращения Земли наклонена примерно на 23 °.45 градусов от плоскости его орбиты. Этот наклон по существу постоянен, поддерживается в этом направлении из-за гироскопического действия вращения Земли и всегда указывает в одном направлении относительно звезд, так что Северный полюс указывает на звезду Полярную, Полярную звезду. Однако в течение очень долгих периодов времени, измеряемых тысячами лет, направление земной оси медленно меняется из-за гироскопической прецессии.

Фиксированная ориентация в пространстве оси Земли, когда она вращается вокруг Солнца, определяет продолжительность дня и создает времена года в мире.В день летнего солнцестояния самый длинный день. северная половина Земли указывает на Солнце, создавая лето в Северном полушарии. Зимнее солнцестояние, самый короткий день в северном полушарии, наступает, когда Земля совершает поворот на 180 градусов по своей орбите, а северное полушарие направлено в сторону от Солнца.

С Земли кажется, что ось вращения Земли раскачивается назад и вперед. Кажущийся наклон оси Земли соответствует угловому положению Солнца в его наивысшей точке на небе относительно точки наблюдения на плоскости экватора и называется склонением Солнца δ (не путать с магнитным вариация, также называемая склонением).

Весеннее (весеннее) и осеннее равноденствия в марте и сентябре, когда день и ночь имеют одинаковую продолжительность, происходят, когда Земля находится на полпути между солнцестояниями. Тогда плоскость наклона перпендикулярна направлению Солнца от Земли, так что инсоляция одинакова в обоих полушариях.

В результате наклона Земли интенсивность инсоляции меняется в течение года, что приводит к смене времен года.Это не потому, что наклон заставляет точку на поверхности Земли перемещаться ближе или дальше от Солнца. Изменение расстояния незначительно. Это связано с тремя факторами:

• Кажущийся наклон Земли изменяет угол падения солнечной радиации, изменяя ее инсоляцию на единицу площади, как показано на диаграмме выше.
• В то же время наклон также изменяет длину пути излучения через атмосферу, что, в свою очередь, изменяет количество энергии Солнца, поглощаемой атмосферой.(также показано на той же диаграмме выше).
• Наклон также меняет количество светового дня.

Все эти факторы работают вместе, чтобы уменьшить как интенсивность, так и суточную продолжительность инсоляции в зимние месяцы.

Если смотреть из северного полушария Земли, склонение Солнца изменяется в течение года от минус 23,45 ° летом до плюс 23 °.45 ° зимой.

С учетом склонения Солнца высотный угол α Солнца составляет ( 90 — Θ ± δ ) градусов.

Угол наклона солнечных коллекторов от горизонтали для максимальной эффективности должен составлять ( Θ ± δ ) градусов, и коллектор должен иметь возможность следить за этим изменением наклона в течение года.

• Время

К счастью, Солнце как источник возобновляемой энергии гораздо более предсказуемо, чем ветер.Оно возникает каждое утро и уходит каждую ночь. Интенсивность ветра может быть очень разной, но он доступен 24 часа в сутки, а солнечная энергия доступна только в светлое время суток. По крайней мере, солнечная энергия надежна и доступна тогда, когда она больше всего нужна — в часы пиковой нагрузки.

Хотя инсоляция подвержена двум временным изменениям, суточному (суточному) циклу из-за вращения Земли и ежегодному циклу из-за наклона оси Земли, мы точно знаем величину этих эффектов в любое время, поэтому можем спроектировать наши солнечные энергосистемы соответственно.Однако менее предсказуемо влияние погоды.

Если они не подключены к сети, системы, которые должны обеспечивать энергией по запросу, нуждаются в каком-либо накопителе энергии или альтернативном источнике энергии на время темноты.

Немного метеорологии

К сожалению, мы не контролируем погоду. В пасмурную погоду может значительно снизиться энергия, получаемая от земли.Очевидно, что солнечные электростанции лучше всего размещать в регионах с минимальной облачностью, запыленностью и загрязнением воздуха. По крайней мере, у нас обычно есть статистика о погодных условиях в регионах, чтобы помочь в выборе подходящего места для солнечных электростанций.

Для определения размеров солнечной энергосистемы важно знать количество часов дневного света, ожидаемое в месте расположения объекта. Обычно его можно получить в национальных метеорологических службах и учреждениях по исследованию окружающей среды, а также в НАСА в США.Еще больше помогает, если они могут предоставить таблицы ожидаемой солнечной энергии для региона.

Примечание. Важно проверить основу данных. Некоторые организации ссылаются на солнечную инсоляцию на горизонтальной поверхности, то есть на земле. Другие основывают свои данные на инсоляции коллектора с фиксированным углом наклона, соответствующим широте местоположения.

Захват энергии и ориентация коллектора / массива

В таблице напротив показано, как эффективность солнечной батареи или коллектора уменьшается по мере того, как их ориентация и наклон смещаются от оптимального положения. Пример показывает, что для захвата максимальной солнечной энергии массивом, расположенным на широте 35 ° северной широты, оптимальная ориентация массива направлена ​​на юг, а оптимальный наклон такой же, как и широта, в данном случае 35 °. Если массивная система должна быть установлена ​​на крыше с уклоном 45 ° на здании, направленном на юго-запад, она получит максимум около 90% доступной солнечной энергии.

Солнечное слежение

Как указано выше, количество энергии, захваченной солнечной системой, может быть увеличено до максимума, если коллектор может следовать по эклиптическому пути Солнца, так что плоскость коллектора или массива всегда перпендикулярна направлению Солнца.

Автоматические механические системы слежения позволяют отслеживать как азимут, так и высоту положения Солнца для максимального захвата энергии.

Обратите внимание на более низкий зенит и уменьшенный диапазон азимута зимнего Солнца. На диаграмме ниже показано, что в Великобритании доступная энергия зимнего Солнца составляет от одной шестой до одной двенадцатой энергии летнего Солнца в зависимости от широты.

• Отслеживание азимута

Отслеживание азимута удерживает коллектор направленным на Солнце во время вращения Земли.

Инсоляция колеблется от нуля до максимального значения в течение каждого дня и остается около максимального значения в течение относительно короткого периода времени. Отслеживание азимута позволяет коллекционеру следить за Солнцем с востока на запад в течение дня и приносит максимальную пользу.

Пассивные системы обеспечивают простейшую форму отслеживания азимута. У них нет двигателей, контроллеров или редукторов, и они не расходуют энергию, захваченную коллектором.Они зависят от дифференциального нагрева двух соединенных между собой трубок газообразных хладагентов, по одной с каждой стороны коллектора. Если коллектор не направлен на Солнце, одна сторона нагревается сильнее, чем другая, и испаряет хладагент. Результирующее изменение веса используется в механическом приводном механизме для поворота коллектора к Солнцу, где он останется, когда температура и вес двух трубок будут уравновешены.

Активное отслеживание также возможно за счет использования датчиков температуры и системы управления с линейными исполнительными двигателями, получающими мощность привода от системы.

• Отслеживание высоты / высоты

Отслеживание высоты позволяет сборщику отслеживать сезонные изменения высоты Солнца, но экономические выгоды меньше, чем при отслеживании азимута.

По сравнению с суточными колебаниями инсоляции, сезонные колебания очень медленные, а диапазон колебаний из-за склонения Солнца гораздо более ограничен.Из-за этого разумный прирост эффективности можно получить, просто регулируя высоту коллекторов вручную каждые два месяца. Чтобы избежать затрат и сложности отслеживания высот, может быть более рентабельным просто указать более крупные коллекторы.

• Двухосевое слежение

Комбинация слежения за азимутом и возвышением позволяет установке захватывать максимальную энергию с использованием минимально возможных коллекторов, но системы сложны, и многие установки обходятся только отслеживанием азимута.

Солнечные коллекторы

Солнечный коллектор — это просто поверхность, собирающая тепло, которая улавливает излучаемую энергию Солнца и нагревает рабочую тепловую жидкость. В практических тепловых системах обычно более удобно направить тепловую энергию Солнца на небольшой приемник, чтобы получить более высокий рост температуры рабочей жидкости. Такие коллекторы называют концентраторами. Единицы, используемые сообществом концентраторов солнечной энергии для выражения степени концентрации системы зеркал, аналогично коэффициенту увеличения линзы, называются «Солнца» . Обратите внимание, что эта единица не является точно определенной величиной.

Концентраторы

Типичные концентраторы состоят из параболических зеркал, которые отражают параллельные солнечные лучи в одну точку в фокусе зеркала.

• Параболическая тарелка

Параболическая тарелка улавливает энергию, перехваченную тарелкой, и концентрирует ее на подходящем поглотителе тепла, расположенном в фокусе. Количество захваченной энергии и, следовательно, повышение температуры поглотителя будет пропорционально площади тарелки. Ограничения по размеру антенны ограничивают ее применение в небольших системах мощностью от 10 до 50 кВт.

• Параболический желоб

В более крупных системах используются массивы зеркал в форме параболических желобов, ориентированных с севера на юг для концентрации солнечного излучения. Обычно они также включают в себя систему слежения, позволяющую отслеживать путь Солнца в течение дня.

Источник: Министерство энергетики США (EERE)

Тепловой поглотитель, трубка, расположенная вдоль фокальной линии зеркала, содержит рабочую жидкость, которая нагревается солнечным излучением до высокой температуры и используется для привода теплового двигателя.

• Power Tower

Альтернативная конфигурация концентратора — Power Tower, в которой используется большой набор параболических зеркал, сфокусированных на солнечной печи, установленной на вершине башни. Из-за большого фокусного расстояния зеркала почти плоские.

Как и в случае желобных концентраторов, солнечная печь используется для подъема пара для привода турбогенератора.

• Heliostats — это зеркала, отслеживающие солнце, которые используются для отражения солнца на вершине башни солнечной энергии.

Источник Давид66

Это пример гелиостата экспериментальной станции THÉMIS во Франции.Зеркало вращается как по азимуту, так и по углу места.

Источник: НАСА США

На этой фотографии ниже показан проект солнечно-тепловой энергии недалеко от Даггетта, Калифорния. Каждое зеркало в поле гелиостата непрерывно отражает солнечный свет на приемник на вышке.

Доступная энергия — Практические системы

Таблица ниже показывает доступную солнечную энергию на двух крайних широтах и ​​дает представление о верхнем и нижнем пределе солнечной энергии, падающей на Землю. Инсоляция (кВтч / м ² / день) — это среднемесячная падающая энергия, падающая на горизонтальную поверхность в данном месте. Также называется «эквивалентными солнечными часами» или «часами полного солнца» (см. Определение)

Солнечная энергия доступна в разных широтах
Расположение	Широта Градусов	Высота Счетчики	Отслеживание	Изоляция кВтч / м 2 / день
				июня	Декабрь
Анкоридж, Аляска	61.17 ° с.ш.	35	Нет	4,5	0,6
			2 оси	6,8	0,7
Кито, Эквадор	0.47 ° ю.ш.	2851	Нет	4.38	4,81
			2 оси	6.09	6,62

Из-за облачности и загрязнения указанные часы «полного Солнца» существенно меньше, чем фактические часы дневного света.В более солнечном климате в среднем 33% солнечного излучения исходит от рассеянного света, но для большинства мест это обычно более 50%. Эквивалентные часы полного Солнца учитывают влияние пасмурного или частично облачного неба.

Определение размеров системы — захват энергии

Требуется большая осторожность при указании размеров солнечных батарей для удовлетворения требований к мощности системы.Использование среднегодовых показателей инсоляции для выбранного местоположения может быть приемлемым, если все, что требуется, — это подключенная к сети система со средней годовой производительностью, но это почти никогда не имеет места и, конечно, не относится к автономным системам.

Средние значения могут вводить в заблуждение даже в течение месяца.

В следующей таблице приведены среднемесячные и среднегодовые значения инсоляции в двух местах в Великобритании.

Суточные уровни инсоляции (кВтч / м 2 / день) в местах нахождения в Великобритании
Расположение	Широта	Долгота	Янв	фев	мар	апр	Май	июня	июля	августа	сентябрь	октябрь	ноя	декабрь	Среднее
Эдинбург	55 ’55 «N	3 «10» Вт	0.44	0,94	1,86	3,18	4,33	4,34	4,13	3,41	2.43	1,2	0,59	0,32	2,26
Лондон	51 ’32 «N	0 ‘5 «W	0.67	1,26	2,22	3,48	4,54	4,51	4,74	4.01	2.86	1,65	0,89	0,52	2,61

Среднемесячный уровень инсоляции на горизонтальной поверхности (кВтч / м ² / день)

Источник НАСА

Если бы мощность системы была основана на среднегодовой величине, для большинства практических установок был бы избыток энергии летом и нехватка зимой.Автономная система должна быть рассчитана таким образом, чтобы обеспечивать максимальную нагрузку в зимние месяцы, в противном случае должен быть предусмотрен вспомогательный источник энергии. В этом случае система будет переоценена для летних месяцев, и необходимо будет найти некоторую форму уменьшения мощности или сброса избыточной энергии. Гибридная система, сочетающая энергию ветра и солнца, может быть ответом.

Накопитель электрической энергии

Поскольку в темное время суток питание не подается, автономные системы должны генерировать и хранить достаточно энергии в течение дня, чтобы удовлетворить пиковую дневную нагрузку.Хранения также должно хватить на несколько дней при отсутствии солнечного света. Батареи обычно используются в качестве буфера для обеспечения необходимого хранилища, чтобы гарантировать краткосрочное бесперебойное снабжение, путем накопления излишков энергии в течение дня для использования в ночное время и в периоды пасмурного неба. К сожалению, хранить излишки энергии летом для использования зимой непрактично. См. Альтернативное устройство хранения тепла ниже

Производство солнечной энергии (тепловой)

Производство электроэнергии на гелиотермической установке происходит в два этапа.Сначала улавливается тепловая энергия Солнца и используется для нагрева рабочей жидкости, которая затем используется на втором этапе преобразования энергии для выработки электричества. Обратите внимание, что тепловая энергия исходит от солнечного излучения, а не от воздуха, температура которого обычно намного ниже температуры рабочего тела. Фактическая рабочая температура, достигаемая рабочей жидкостью, будет зависеть от скорости, с которой тепловая энергия извлекается рабочей жидкостью (скорость потока) и доставляется в систему производства электроэнергии.

Солнечная тепловая электростанция обычно имеет систему зеркал для концентрации солнечного света на поглотителе, а поглощенная энергия затем используется для питания теплового двигателя, который, в свою очередь, приводит в действие роторный генератор. В крупномасштабных системах тепловой двигатель обычно представляет собой турбину, приводимую в действие паром или другой парообразной рабочей жидкостью. В небольших системах тепловым двигателем может быть двигатель Стирлинга.

Электроэнергетические системы

Крупные солнечные тепловые установки

Система, представленная ниже, предназначена для улавливания тепловой энергии, излучаемой солнцем.

Тепловая энергия от Солнца улавливается концентратором, который фокусирует энергию на поглотителе тепла, содержащем рабочую жидкость, обычно синтетическое масло, которое нагревается солнечным излучением до высокой температуры, обычно 400 ° C. В системе может использоваться бинарный цикл, в котором нагретое масло проходит через теплообменник для получения пара, который используется для привода обычной турбины и генератора в отдельном контуре.

Для поддержания теплового КПД турбины рабочему телу, выходящему из теплообменника, нельзя позволять остывать. Поэтому солнечные электростанции дополняются газовыми котлами, которые вырабатывают около четверти всей выходной мощности и поддерживают температуру в течение ночи.

Несколько таких установок в модулях мощностью 80 МВт в настоящее время работают, и эффективность преобразования солнечной энергии составляет от 15% до 23%.Каждый модуль требует около 50 гектаров земли и требует очень точного проектирования и контроля. Стоимость электроэнергии в два-три раза выше, чем у обычных источников.

Накопитель тепловой энергии

Недавно было продемонстрировано использование расплавов солей для улавливания, хранения и высвобождения солнечной энергии. (См. Альтернативное хранилище). Солнечная тепловая энергия может улавливаться непосредственно расплавом соли, который имеет высокую теплоемкость в «силовой башне», или косвенно в теплообменнике из горячих рабочих жидкостей, циркулирующих через массивы солнечных концентраторов.Подходящая соль, такая как нитрат калия, является жидкой при температуре выше 370 ° C (698 ° F) и действует как вторая рабочая жидкость. Он отдает свое тепло, когда требуется, чтобы вода во втором теплообменнике образовывала пар для привода турбины.

Концентрирующая солнечная тепловая установка Solana в Аризоне, в которой используется хранилище расплавленной соли, может обеспечивать электроэнергию в течение шести часов после захода солнца.

Малые тепловые установки

Паровые турбины подходят только для очень больших установок.Двигатели Стирлинга часто используются в небольших системах для привода электрогенератора.

Солнечный Стирлинг

В бытовых теплоэлектростанциях обычно используется набор заполненных водой панелей или небольшой набор концентраторов параболического желоба для улавливания тепловой энергии Солнца. Очень маленькая система, такая как та, что используется в космических приложениях, может просто использовать параболическую антенну для захвата энергии.

Затем рабочая жидкость используется в качестве внешнего источника тепла для питания двигателя Стирлинга, который, в свою очередь, приводит в действие роторный генератор.

Автономная солнечная электрическая система вне сети должна иметь батареи, поддерживаемые компонентами Balance-of-System (BOS), включая зарядные устройства, инверторы и контроллеры для управления потоками энергии с целью обеспечения питания по запросу.Это делает систему очень дорогой. Системам, подключенным к сети, также необходимы кондиционеры и системы управления, если излишки энергии должны быть проданы обратно коммунальной компании.

Эффективность, достигаемая с помощью небольших систем, составляет от 18% до 23%.

Приложения для отопления воды в домах — Краткое отклонение

Многие небольшие домашние солнечные тепловые системы используются только для нагрева воды, а не для выработки электроэнергии.

• Практические системы

Рабочая жидкость — вода, которая циркулирует через установленную на крыше солнечную панель и подается непосредственно в систему горячего водоснабжения. В качестве альтернативы, рабочая жидкость может быть пропущена через теплообменник, состоящий из спиральной трубы в резервуаре для горячей воды, для косвенного нагрева воды.

Передняя поверхность солнечной панели имеет двойное остекление, позволяющее проникать солнечному излучению и нагревать воду, протекающую через панель, при этом предотвращая потерю тепла более теплой водой из-за конвекции и теплопроводности в противоположном направлении (от панели к более холодная атмосфера).Задняя поверхность панели также изолирована, чтобы предотвратить потерю тепла в этом направлении.

Система работает в холодную погоду, потому что вода нагревается солнечным излучением, а не окружающим воздухом, от которого она изолирована.

• Температура воды

Элегантное саморегулирующееся решение для поддержания температуры воды обеспечивается включением небольшой дополнительной фотоэлектрической панели (см. Ниже) для выработки электроэнергии, необходимой для питания циркуляционных насосов воды, вместо использования электроэнергии из сети.

На рассвете насос остается выключенным до тех пор, пока вода не достигнет своей рабочей температуры, после чего насос включается. По мере увеличения солнечного излучения в утренние часы температура воды будет расти, но в то же время насос на солнечной энергии будет работать быстрее, увеличивая поток воды и, таким образом, быстрее передавая тепло от панели к резервуару для горячей воды. Выбрав соответствующий размер насоса и фотоэлектрической панели, скорость теплопередачи от панели может быть согласована со скоростью поглощения тепла от Солнца, таким образом поддерживая постоянную температуру воды.По мере того, как полученная энергия Солнца уменьшается во второй половине дня, процесс меняется на противоположный, насос работает медленнее, снижая скорость, с которой тепло отводится от панели, таким образом поддерживая ее температуру. Будучи полностью независимыми от электросети, эти системы имеют дополнительные экономические и экологические преимущества, заключающиеся в том, что электрическая энергия не потребляется из сети для работы насосов.

• Пределы температуры

При использовании воды в качестве рабочего тела система склонна к замерзанию и кипению, если не будут приняты специальные меры.Недорогие системы позволяют воде замерзать в очень холодных и темных условиях за счет использования гибких морозостойких трубопроводов из силиконовой резины, которых достаточно для компенсации расширения воды, когда она превращается в лед. Объем воды, используемой в солнечных тепловых панелях, очень мал, обычно около 2 или 3 литров, и распределяется по очень большой площади для захвата максимальной солнечной радиации. Высокое принимаемое излучение, воздействующее на небольшой объем воды, позволяет воде очень быстро нагреваться, но по той же причине делает ее восприимчивой к кипению.Если не будет постоянного потока воды в резервуар для хранения с заменой нагретой воды в панели на холодную воду из резервуара, вода может достичь температуры 150 градусов C или более, и по этой причине водяные насосы должны быть постоянно включены. . Даже в этом случае возможность закипания все еще остается, даже при работающем насосе, если система неправильно рассчитана. Достигнутая равновесная температура будет зависеть от баланса между солнечной энергией, захваченной панелью, и тепловой энергией, поглощенной в накопительном баке, скоростью, с которой она отводится из бака, и тепловыми потерями системы.Использование очень маленькой панели, соединенной с очень большим резервуаром с высоким потреблением горячей воды, приведет к низкой температуре воды в резервуаре. И наоборот, использование очень большой панели с очень маленьким резервуаром может привести к кипению, особенно если потребление горячей воды очень мало. Это не должно быть катастрофой, поскольку содержание воды в панели очень низкое, и система может быть спроектирована так, чтобы в случае кипения пар мог выходить.

• КПД

Эффективность преобразования энергии, достигаемая в этих чисто тепловых приложениях, может в три или четыре раза превышать эффективность фотоэлектрических приложений, хотя их применения гораздо более ограничены.

• Экономика

В более высоких широтах доступной солнечной энергии, улавливаемой практическими бытовыми установками, может быть достаточно для обеспечения горячей водой для мытья и душа, но недостаточно для удовлетворения потребностей в отоплении помещений в холодные месяцы. Следовательно, для удовлетворения этих требований потребуются резервные системы отопления для обслуживания базовой нагрузки. Поскольку подача солнечной энергии осуществляется с перебоями, обычная система отопления должна заполнять пробелы, и существует небольшая возможность ее уменьшить.Следовательно, домовладельцу, скорее всего, придется оплатить капитальные затраты на систему с базовой нагрузкой, способную обеспечить полную тепловую нагрузку, а также на систему солнечного отопления, даже если обычная система отопления не будет работать на полную мощность большую часть времени.

Бытовые солнечные тепловые системы не могут вырабатывать электричество напрямую, но они способствуют сокращению использования электроэнергии и связанных с этим затрат.

• Пример

Собранная полезная энергия

Таблица выше показывает, что в Великобритании среднее количество полученной солнечной радиации составляет около 2.5 кВтч / м ² / сутки. Таким образом, одна солнечная панель площадью 3 M ² будет улавливать 2,5 x 3 x 365 = 2737 кВтч энергии в год. При эффективности преобразования системы около 40% и менее оптимальной ориентации типичной солнечной панели, установленной на крыше, максимальная полезная энергия, получаемая однопанельной системой, будет составлять около 1000 кВтч. Это примерно эквивалентно энергии, вырабатываемой погружным нагревателем мощностью 3 кВт, используемым в течение одного часа в день. Однако, как всегда, средние значения могут вводить в заблуждение.Летом солнечная панель может выдавать «в среднем» около 5 кВтч тепловой энергии в день, но зимой это может быть всего 0,4 кВтч в день. Улавливаемую энергию, конечно, всегда можно увеличить, увеличив количество солнечных панелей, используемых в системе.

Экономия затрат

Экономия затрат будет зависеть от того, будет ли солнечная система заменять 1000 кВтч тепловой энергии, поставляемой газовой или электрической системой водяного отопления, и от соответствующего тарифа, взимаемого за энергию.С учетом того, что внутренний газ в Великобритании в настоящее время стоит менее 0,03 фунта стерлингов за кВтч (0,045 доллара США), а электроэнергия стоит около 0,10 фунта стерлингов за кВтч (0,15 доллара США), годовая экономия, вероятно, составит от 30 до 100 фунтов стерлингов (от 50 до 150 долларов США).

Поскольку типичная однопанельная установка стоит около 2500 или 3000 фунтов стерлингов (от 4000 до 5000 долларов США), если системы не подпадают под государственную субсидию или не происходит очень большого увеличения затрат на электроэнергию, время окупаемости инвестиций будет измеряться скорее десятилетиями. чем лет.Спасти планету может быть довольно дорого.

Углеродный след

Как и в случае с ветроэнергетикой, если инвестиции не пройдут общепринятые экономические тесты, понятие углеродного следа часто используется для оправдания расходов, исходя из потенциала сокращения количества парниковых газов, выбрасываемых альтернативными методами производства электроэнергии.

См. Также экономику отечественной солнечной фотоэлектрической системы ниже.

Производство солнечной энергии (гальваническая)

Производство солнечной энергии — это прямое преобразование солнечной энергии в электричество.

Солнечный свет бывает разных цветов, сочетая в себе инфракрасные фотоны с низкой энергией (1,1 электронвольт (эВ)) с ультрафиолетовыми фотонами с высокой энергией (3,5 эВ) и всю радугу фотонов видимого света между ними.Солнечные элементы, также называемые фотоэлектрическими или фотоэлектрическими элементами, представляют собой полупроводниковые устройства, предназначенные для захвата этих фотонов и преобразования их энергии непосредственно в электрическую.

Как работают солнечные элементы

Когда фотон с достаточной энергией сталкивается с полупроводником, он может передать достаточно энергии электрону, чтобы освободить его от связей валентной зоны полупроводника, чтобы он мог свободно перемещаться и, таким образом, переносить электрический ток.Переход в полупроводниковом диоде создает необходимое электрическое поле, чтобы заставить ток течь во внешней цепи.

Более подробное объяснение того, как работают солнечные элементы, дано в разделе фотоэлектрических диодов.

Эффективность преобразования

Типичное выходное напряжение фотоэлемента составляет от 0,5 до 0,6 В, а эффективность преобразования энергии колеблется от менее 10% до более 20%.Таким образом, массив ячеек может генерировать около 200 Вт электроэнергии на квадратный метр при освещении солнечным излучением мощностью 1000 Вт на квадратный метр. Соответствующая плотность тока будет около 400 Ампер / м ² . Из-за климатических условий интенсивность инсоляции редко достигает 1000 Вт / м ² .

Практические ячейки также намного меньше одного квадратного метра, а фактические размеры имеющихся в продаже ячеек колеблются от примерно одного квадратного сантиметра до 15 квадратных сантиметров.Соответствующая выходная мощность для этих ячеек составляет от 20 милливатт до примерно 4 Вт.

Солнечные фотоэлектрические системы

являются одними из наименее эффективных способов выработки электроэнергии (см. Таблицу сравнения эффективности), но эта низкая производительность связана не только с низкой эффективностью преобразования фотоэлектрических элементов, которая с каждым годом улучшается благодаря постоянным исследованиям и разработкам. В основном это происходит из-за отсутствия доступного солнечного света, и никакие исследования и разработки не могут это исправить.

КПД преобразования фотоэлектрической системы, равный 15%, может показаться очень низким, но он находится на одном уровне с эффективностью преобразования энергии, используемой для привода автомобиля с бензиновым / бензиновым двигателем.

Параметры фотоэлементов и модулей

• Стандартные условия испытаний (STC )

Для того, чтобы сравнивать солнечные элементы на аналогичной основе, был определен набор стандартных условий испытаний (STC).

Условия: нормальная освещенность 1000 Вт / м ² , температура ячейки 25 ° C (77 ° F) и масса воздуха = 1,5

• Масса воздуха

Приемная поверхность, соответствующая AM 1.5, определяется как наклонная плоскость под углом 37 ° (средняя широта в США) к экватору, обращенная к солнцу. В этом случае нормаль к поверхности указывает на Солнце на высоте 48,81 °, его зенитный угол, над горизонтом.

• Номинальная мощность

Номинальная мощность определяется как максимальная мощность (Вт или кВт), генерируемая элементом или модулем в стандартных условиях испытаний.

Альтернативный рейтинг фотоэлементов

Условия лабораторных испытаний STC не совсем репрезентативны для типичных условий эксплуатации на открытом воздухе, и по этой причине был разработан более реалистичный набор условий испытаний: NOCT, .

• Нормальная рабочая температура ячейки (NOCT )

Нормальная освещенность 800 Вт / м ² , температура воздуха 20 ° C (68 ° F), скорость ветра (охлаждение) 1 метр в секунду (2,24 мили в час), задняя сторона солнечной панели открыта для воздушный поток.

• Масса воздуха и Номинальная мощность аналогично STC

Интерпретация и применение рейтингов STC и NOCT .

Ниже приводится пример ключевых данных, взятых из спецификации известного производителя для солнечной панели мощностью 250 Вт.

• Предоставлена ​​информация:

  Рейтинг STC 250 Вт

  NOCT raring 183,3 Wp

  Размеры ячейки 156 мм X 156 мм

  Кол-во ячеек 60

Нет упоминания о районе

Без упоминания об эффективности преобразования

• Что это означает на практике
• Рейтинги STC и NOCT — это выходная мощность, достигаемая в условиях испытаний.
• Условия испытаний предназначены для представления максимальной солнечной энергии, которая может быть получена в идеальных условиях.
• На практике вы никогда не достигнете такой мощности при солнечном свете
• Рейтинги STC и NOCT предполагают постоянный высокий уровень освещенности (1000 Вт / м ² или 800 Вт / м ² ). Это просто разные стандартные уровни входной мощности, используемые для испытаний, поэтому любая ячейка обычно генерирует большую выходную мощность в условиях STC по сравнению с условиями NOTC.
• За пределами тропиков освещенность от Солнца на уровне земли на типичных солнечных батареях редко даже приближается к этим тестовым уровням.
• Инсоляция, которая представляет собой средний эффект солнечной освещенности с учетом часовых, суточных и сезонных колебаний, а также широты и местных климатических условий, будет намного ниже, чем испытательная освещенность. Карты NREL на странице Going Solar показывают ожидаемые региональные уровни инсоляции.Следствием этого является то, что средняя солнечная энергия, улавливаемая панелями, будет очень маленькой, и соответствующая выходная электрическая энергия от панелей также будет очень маленькой.
• Фактическая уловленная солнечная энергия также зависит от конфигурации солнечных панелей и от того, способны ли они отслеживать Солнце во время его движения по небу.
• Какая будет средняя выходная электрическая мощность указанной выше солнечной панели «250 Вт»?

Это зависит от местоположения и типа солнечной батареи, а также от эффективности преобразования солнечных фотоэлементов.Предполагая, что фиксированная солнечная батарея расположена на северо-востоке США, обращена на юг и наклонена к Солнцу под углом, соответствующим широте места, карта NREL показывает, что инсоляция составляет около 4 кВтч / м ² / день . На более солнечном Юго-Западе инсоляция будет примерно на 50% больше при 6 кВтч / м ² / день, что напрямую приведет к увеличению выходной электрической мощности от тех же солнечных панелей на 50%.

Солнечная панель на 60 ячеек имеет эффективную площадь 60 X 0.156 м ² = 1,46 м ²

Таким образом, на северо-востоке эта панель будет перехватывать 1,46 X 4 = 5,84 кВт · ч солнечной энергии в день.

Эта инсоляция эквивалентна постоянной (средней) солнечной мощности 5840/24 = 243,3 Вт в течение 24-часового дня.

Эффективность преобразования солнечных элементов рассчитывается на основе указанной производителем выходной электрической мощности, полученной от указанной потребляемой мощности NOCT.

Энергия, перехватываемая панелью 1,46 м ² в условиях NOCT, будет 1,46 X 800 = 1168 Вт

Указанная электрическая выходная мощность панели составляет 183,3 Вт

Таким образом, эффективность преобразования = 183,3 / 1168 X100 = 15,7%

Применение этой эффективности преобразования к фактической инсоляции 243,3 Вт дает среднюю выходную электрическую мощность с панели 243.3 X 0,157 = 38,2 Вт (соответствует электрической мощности 26,2 Вт / м ² )

Неплохо для солнечной панели на 250 Вт ?!

Рабочие характеристики солнечных батарей

На приведенном ниже графике показано, что при постоянной освещенности выходное напряжение ячейки или массива ячеек падает, поскольку они должны подавать больший ток.

Максимальная подача мощности происходит, когда напряжение упало примерно до 80% от напряжения холостого хода.

Коэффициент заполнения (FF) определяется как отношение между мощностью в точке максимальной мощности и произведением напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. Обычно для солнечных батарей хорошего качества он лучше 75%.

Ток короткого замыкания (КЗ) напрямую связан с количеством фотонов, поглощаемых полупроводниковым материалом, и, таким образом, пропорционален интенсивности света. Эффективность преобразования поэтому достаточно постоянна, так что выходная мощность пропорциональна энергетической освещенности до довольно низких уровней, однако эффективность снижается, если температуре ячейки позволяют повышаться. Напряжение холостого хода (OC) незначительно меняется в зависимости от силы света.

По мере увеличения температуры ширина запрещенной зоны собственного полупроводника сжимается, и напряжение холостого хода (Voc) уменьшается. В то же время более низкая ширина запрещенной зоны позволяет поглощать больше падающей энергии, потому что больший процент падающего света имеет достаточно энергии для подъема носителей заряда из валентной зоны в зону проводимости.Увеличивается фототок. Однако при повышении температуры внутреннее сопротивление материала увеличивается, а электрическая проводимость уменьшается. Таким образом, увеличение тока при заданном повышении температуры пропорционально ниже, чем уменьшение напряжения. Следовательно, эффективность ячейки снижается.

КПД солнечной батареи

На следующих графиках показана та же информация, что и на приведенных выше, но в несколько иной форме, показывающей, как повышение температуры снижает эффективность.

Как правило, выходная мощность фотоэлементов снижается примерно на 0,5% с повышением температуры на каждый градус Цельсия.

В реальных наружных условиях номинальная пиковая мощность Wp достигается редко, поскольку температура модуля обычно находится в диапазоне от 40 ° C до 60 ° C. Эффективность может быть повышена за счет охлаждения элементов, и некоторые системы были разработаны с учетом использования тепла, поглощаемого охлаждающей жидкостью в системах солнечного отопления.

ПРИМЕЧАНИЕ: жаркий солнечный день — палка о двух концах для фотоэлемента. Несмотря на то, что эффективность преобразования снижается по мере нагрева элемента, общая собранная мощность может возрасти из-за увеличения солнечного света на элементе.

Типы солнечных элементов

Несколько типов солнечных элементов были разработаны с целью снижения затрат и повышения эффективности.

• Солнечные элементы из кристаллического кремния

Благодаря производственному опыту полупроводниковой промышленности кристаллический кремний является ведущим материалом для солнечных элементов, хотя и относительно дорогим. Монокристаллические элементы вырезаны из монокристаллов кремния высокой чистоты, пригодного для электроники. Эффективность этих ячеек в лучшем случае составляет около 25 процентов. При использовании более простого в изготовлении поликристаллического кремния, вырезанного из блока кристаллов или менее чистого, так называемого кремния «солнечного качества», эффективность может составлять всего около 15% или 16% из-за влияния границ зерен или примесей, но они стоят незначительно. монокристаллических ячеек для электроники.

• Солнечные элементы из аморфного кремния
Аморфный кремний

уже много лет используется в производстве солнечных элементов, используемых для питания электронных калькуляторов и часов, и обещает возможность создания недорогих элементов с большей мощностью. Аморфный материал выглядит как твердое тело, но не имеет регулярной структуры кристаллической решетки. Стекло — пример таких материалов. Присутствие контролируемых количеств определенных «примесных» элементов, таких как водород, и беспорядочное формирование кристаллической решетки на самом деле увеличивает в остальном очень низкую эффективность преобразования.Типичный КПД ячейки составляет от 5% до 10%.

Производственная мощность по-прежнему является проблемой, и клетки разрушаются под воздействием солнца.

• Тонкопленочные кремниевые солнечные элементы

Тонкопленочные элементы изготавливаются путем нанесения активного фотоэлектрического материала, такого как аморфный кремний или другой полупроводник, на стекло или другую подложку вместе с необходимыми токосъемными контактами. Конструкция ячейки намного дешевле, чем использование полупроводниковых пластин, и процесс производства также проще, а также подходит для изготовления элементов с гораздо большей площадью и, следовательно, способностью выдерживать ток.Эта конструкция обеспечивает КПД от 11% до 14%.

Фотоэлектрические системы

на гибких полимерных подложках также были изготовлены с использованием активного материала селенида меди, индия, галлия (CIGS) с эффективностью 10%.

• Органические фотоэлектрические солнечные элементы

Различные группы проводят интенсивные исследования по использованию органических полупроводников в конструкции фотоэлементов. Устройства могут быть изготовлены посредством процесса печати из однослойных или двухслойных пленок из органического полимера, помещенных между парой электродов.Производство не связано с высоким энергопотреблением, связанным с кристаллическими полупроводниками, и дает возможность печатать большие объемы недорогой продукции на гибких пленках. В настоящее время эффективность преобразования довольно низкая — около 12%. но ожидается, что это улучшится.

• Многослойные (тандемные) солнечные элементы

Повышение эффективности преобразования возможно за счет использования нескольких слоев из разных полупроводниковых материалов, оптимизированных для разных длин волн, в одном устройстве.Это может поднять теоретический предел эффективности, который в настоящее время составляет около 30% для устройства с одним переходом, до около 45% для элемента с тремя переходами.

Практические устройства уже достигли КПД более 33%.

• Экзотические материалы

Такие материалы, как арсенид галлия, диселенид меди, индия, теллурид кадмия и нитрид индия, были использованы для обеспечения определенных характеристик для оптимизации солнечных элементов для конкретных приложений.

Арсенид галлия используется в военных и аэрокосмических приложениях в различных ячейках в сочетании с другими элементами из-за его пригодности для захвата фотонов высокой энергии (ультрафиолетовое излучение), высокой эффективности преобразования потенциала и его способности выдерживать высокие температуры. Однако его труднее производить, и элементы, использующие арсенид галлия, могут быть в 100 раз дороже, чем коммерческие элементы на основе кремния.

Диселенид меди, индия и теллурид кадмия используются в поликристаллической форме в недорогих тонкопленочных элементах из-за простоты их изготовления и разумного выхода.Однако эффективность низкая — от 8% до 14%

Нитрид индия

подходит для улавливания фотонов низкой энергии (инфракрасное излучение), что делает его пригодным для устройств полного спектра при использовании в тандемных солнечных элементах в сочетании с другими материалами, такими как арсенид галлия, которые улавливают фотоны высокой энергии.

• Электрохимические солнечные элементы — сенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC или элементы Гретцеля)

Относительно новые, эти элементы представляют собой недорогие устройства, в которых для генерации тока используется сенсибилизированный красителем диоксид титана в сочетании с жидким электролитом.До сих пор они доступны только в небольших размерах с эффективностью от 7% до 10%.

Солнечные фотоэлектрические коллекторы

Солнечные элементы обычно продаются в модулях, состоящих из ряда элементов, расположенных последовательно и / или параллельно, чтобы обеспечить удобные или обычно используемые напряжения и номинальные мощности.

Солнечные батареи

Модули

можно аналогичным образом соединять между собой для создания массивов большего размера с желаемыми пиковыми значениями постоянного напряжения и тока.

Концентраторы

Как и в случае с тепловыми коллекторами, возможна концентрация падающей энергии на меньшей поверхности. Для очень небольших приложений используются оптические зеркала и линзы.

Отслеживание точки максимальной мощности (MPPT)

Источник питания передает свою максимальную мощность на нагрузку, когда нагрузка имеет такое же полное сопротивление, что и внутреннее сопротивление источника питания.(Закон Якоби). К сожалению, аккумуляторы далеки от идеальной нагрузки для солнечной батареи, и несоответствие приводит к серьезным потерям эффективности.

Типичный фотоэлектрический массив, предназначенный для зарядки 12-вольтных батарей, обеспечивает максимальную мощность при рабочем напряжении около 17 вольт. Свинцово-кислотные батареи обычно заряжаются до 14 вольт, хотя напряжение быстро падает до 12 вольт, когда они начинают подавать ток, и еще ниже, когда глубина разряда (DOD) увеличивается.
В простейшей форме зарядка осуществляется путем подключения фотоэлектрической батареи непосредственно к батарее.Однако батарея сама по себе является источником питания и представляет собой напряжение, противоположное солнечной батарее. Это понижает рабочее напряжение массива до напряжения разряженной батареи, а это далеко от оптимальной рабочей точки массива.

На приведенной ниже диаграмме показаны характеристики фотоэлектрической батареи 17 В, 4,4 А, 75 Вт, используемой для подзарядки 12-вольтной батареи. Если фактическое напряжение батареи составляет 12 Вольт, результирующий ток будет только около 2.5 ампер, и мощность, выдаваемая массивом, будет чуть более 50 Вт вместо указанных 75 Вт: потеря эффективности более 30%.
Отслеживание точки максимальной мощности предназначено для решения этой проблемы.

Модуль отслеживания мощности — это форма регулятора напряжения, которая размещается между фотоэлектрической панелью и батареей.Он представляет собой идеальную нагрузку для фотоэлектрической батареи, позволяя ей работать при оптимальном напряжении, в данном случае 17 В, обеспечивая полную мощность в 75 Вт независимо от напряжения батареи. Преобразователь постоянного / постоянного тока в модуле автоматически регулирует выход постоянного тока из модуля в соответствии с напряжением батареи 12 вольт.
При понижении напряжения в преобразователе постоянного / постоянного тока ток будет повышаться в том же соотношении. Таким образом, зарядный ток будет 17/12 X 4,4 = 6,2 А, и, при условии отсутствия потерь в модуле, мощность, подаваемая на батарею, будет 12 X 6.23 = полные 75 Вт, генерируемые массивом PV.
На практике потери преобразователя могут достигать 10%. Тем не менее возможно существенное повышение эффективности.

Однако этого недостаточно, чтобы согласовать напряжение в указанной точке максимальной мощности (MPP) фотоэлектрической матрицы с изменяющимся напряжением батареи по мере ее зарядки. Из-за изменений интенсивности излучения, падающего на решетку в течение дня, а также из-за изменений температуры окружающей среды, рабочая характеристика фотоэлектрической батареи постоянно изменяется, а вместе с ней изменяется и MPP фотоэлектрической батареи.Таким образом, у нас есть движущаяся точка отсчета и движущаяся цель. Для оптимальной передачи мощности система должна отслеживать MPP при изменении интенсивности солнечного излучения и температуры окружающей среды, чтобы обеспечить динамическую опорную точку для регулятора напряжения.

Высокопроизводительные модули MPPT могут включать программные алгоритмы, учитывающие изменения солнечного света и температуры. Типичная работа для нечеткой логики или нейронной сети.В качестве альтернативы оптимизация может быть выполнена аппаратно с помощью сигнала возмущения, включенного в контур обратной связи, который переводит рабочую точку системы в точку MPP.

На фотоэлектрическое напряжение накладывается небольшое напряжение дизеринга, и его влияние на выходной ток регулятора, питающего батарею, контролируется. Если ток, потребляемый батареей, увеличивается при увеличении напряжения дизеринга, то рабочая точка переместилась в сторону MPP и, следовательно, рабочее напряжение должно увеличиваться в том же направлении.С другой стороны, если ток в батарее уменьшается, то рабочая точка сместилась от MPP, и рабочее напряжение должно быть уменьшено, чтобы вернуть его.

Крупномасштабные фотоэлектрические установки

В мире построено несколько крупных фотоэлектрических электростанций, подключенных к сети, в основном мощностью от 300 кВт до 500 кВт, но некоторые из них достигают 300 МВт и более. До настоящего времени развертывание крупномасштабных установок ограничивалось экспериментальными установками из-за высокой стоимости солнечных панелей.При типичном КПД около 15% для электростанции мощностью 500 кВт потребуется около 20 000 квадратных метров фотоэлектрических панелей по цене около 1 доллара США за ватт, а также крупномасштабные инверторы, способные обеспечить полную выходную мощность системы. См. Пример солнечной фотоэлектрической системы сетевого масштаба.

Малые фотоэлектрические установки и бытовые применения

На схеме ниже показаны основные строительные блоки небольшой автономной автономной фотоэлектрической системы генерирования энергии.Система, подключенная к сети, не будет нуждаться в батарее и системе отслеживания мощности MPPT. Тем не менее, им нужны альтернативные мощности, чтобы побывать в потоке и нести груз в темное время суток.

Расчет параметров фотоэлектрической системы

• Размеры массива для фотоэлектрической системы

В следующем примере показаны размеры массива, необходимые для выработки 10 кВтч полезной энергии при средней дневной инсоляции 2 кВтч / м. ² / день.Обратите внимание, что результаты во многом зависят от используемых предположений эффективности.

Само собой разумеется, что массив не должен затеняться такими объектами, как деревья или здания.

• Пример

Энергия, полученная на единицу площади = Инсоляция X Эффективность преобразования солнечной энергии.

Таким образом:

Площадь, необходимая для данного захвата энергии = Требуемая энергия ÷ (Инсоляция в желаемом месте X эффективность преобразования солнечной энергии)

При использовании эффективного (дорогого) фотоэлектрического массива с эффективностью преобразования 15% площадь массива будет:

10 ÷ (2 X 0.15) = 33,3 м ²

Данные об инсоляции обычно предоставляются для энергии, падающей на плоскую поверхность. Наклоняя решетку под углом, соответствующим широте местоположения, можно уловить дополнительные 10% энергии, уменьшив требуемую площадь до 30 м ² . См. Диаграмму, показывающую ориентацию массива

.

Однако это преимущество будет потеряно, если массив будет установлен на крыше, которая не оптимально выровнена по направлению к Солнцу.

Если массив свободно стоит на земле и не ограничен для использования на крыше, можно использовать систему слежения за солнцем, чтобы улавливать больше солнечной энергии.Возможно улучшение на 30%, уменьшив требуемую площадь массива примерно до 21 м ²

Обратите внимание, что на выходе фотоэлектрической матрицы используется электрическая мощность постоянного тока.

Для обеспечения питания переменным током в регуляторе напряжения, инверторе и цепях управления будут дополнительные электрические потери от 10% до 20%.

• Системы, подключенные к сети

При 20% потерях в электрической системе потребуется фиксированная фотоэлектрическая батарея площадью около 36 м ² или солнечная фотоэлектрическая батарея с отслеживанием 25 м ² для обеспечения 10 кВтч электроэнергии переменного тока в день.

• Автономные системы
Системы

, работающие вне сети, имеют те же параметры производительности, что и системы, подключенные к сети, однако, поскольку они также используют аккумуляторную батарею, они страдают от дополнительной потери эффективности до 30% из-за обратной ЭДС батареи.

Если для уменьшения этих потерь не используется система отслеживания MPPT, массив должен быть на 30% больше для компенсации. Таким образом, чтобы обеспечить те же 10 кВтч электроэнергии переменного тока в день в автономной системе, требуемая площадь фотоэлектрической панели должна составлять 47 м ² для стационарной установки и 33 м ² для системы слежения за солнечными батареями.

Потребление электроэнергии во многих домашних хозяйствах в Европе и США в 2 или 3 раза больше, чем 10 кВт / ч в день, особенно для тех, кто готов инвестировать в производство электроэнергии с помощью солнечных фотоэлектрических систем. (См. Таблицу энергопотребления). Это означает, что для удовлетворения их потребностей в энергии потребуются очень большие фотоэлектрические батареи с площадью до 150 м ² или более, вероятно, больше, чем имеющаяся поверхность крыши, обращенная на юг.

Все вышеперечисленное основано на средней инсоляции 2 кВтч / м. ² / день, но в северных зонах умеренного климата зимняя инсоляция, вероятно, будет менее четверти среднего значения для данной местности.См. Таблицу доступности и захвата энергии выше. Таким образом, доступная энергия будет только 2,5 кВтч / день в зимние месяцы, или системы должны быть в четыре раза больше, чтобы обеспечивать те же 10 кВтч / день электроэнергии зимой.

Экономика отечественной солнечной фотоэлектрической системы

Пример

• Стоимость

Согласно данным Фонда энергосбережения правительства Великобритании, затраты на установку солнечной фотоэлектрической системы сильно различаются.Средняя бытовая система довольно мала, вырабатывая около 2,2 кВт и стоит около 12 000 фунтов стерлингов (18 000 долларов США). Более крупные солнечные системы электричества могут стоить от 4500 фунтов стерлингов (7000 долларов США) до 8000 фунтов стерлингов (12000 долларов США) за кВт / ч, что немного снижается по мере увеличения размера системы.

• Преимущества

Система мощностью 2,2 кВтп выдает полную мощность 2,2 кВт только при стандартных условиях испытаний 1000 Вт / м. ² инсоляция. Он будет вырабатывать 52,8 кВтч (52,8 единиц) электроэнергии в день, если бы Солнце находилось прямо над головой и постоянно светило днем ​​и ночью.Но приведенная выше таблица показывает, что средняя инсоляция в Великобритании составляет всего около 2,5 кВтч / м ² / день. Это эквивалентно 2,5 часам полного Солнца (см. EHS выше) в сутки, а не 24 часам. Таким образом, фактическая выработка электроэнергии из фотоэлектрической системы в Великобритании составит около 5,5 кВтч в день или 2000 кВтч в год.

• Окупаемость

Покупка 2000 кВт / ч электроэнергии у местной коммунальной компании будет стоить 200 фунтов стерлингов (300 долларов США), при текущих затратах на электроэнергию 0 фунтов стерлингов.10 (0,15 $) за единицу. Без учета затрат на техническое обслуживание это дает срок окупаемости в шестьдесят лет.

К счастью, многие правительства предоставляют щедрые гранты для субсидирования установки и / или эксплуатации солнечных энергетических систем, таким образом сокращая капитальные затраты и сокращая время окупаемости инвестиций.

• Продажа излишков энергии обратно коммунальной компании

Среднее домашнее хозяйство в Великобритании потребляет около 5 000 кВтч электроэнергии в год или около 14 единиц в день.Вероятность того, что домашняя установка, как описано выше, будет иметь регулярные излишки, весьма мала.

Кроме того, подача электроэнергии обратно в сеть включает обязательную установку дополнительных дорогостоящих систем учета и безопасности, а также электроники синхронизации, так что этот вариант экономически оправдан только для установок с относительно большими излишками.

Остерегайтесь, когда приходит продавец солнечных батарей!

См. Также экономику и практичность сетевых солнечных фотоэлектрических систем

См. Также Домашнее солнечное отопление и сравнение затрат на производство электроэнергии для различных видов топлива.

• Баланс компонентов системы (BOS)

Связанные компоненты BOS, необходимые для завершения системы, описаны в разделе «Маломасштабные системы».

• Другие аспекты фотоэлектрической системы

Преобразование постоянного тока на выходе фотоэлектрической матрицы в переменный ток дорого и неэффективно.Некоторых из этих затрат и потерь можно избежать, если использовать бытовую технику, рассчитанную на питание от постоянного тока, где они есть.

Точно так же нецелесообразно запускать нагреватели от фотоэлектрических систем.

Солнечная энергия может быть бесплатной, но преобразование ее в электрическую — нет.

См. Также Электромагнитное излучение

См. Также Генераторы

Вернуться к Обзор электроснабжения

Чем солнечная электростанция Rewa соответствует аналогичным установкам в Индии и за рубежом?

Автор: Экономическое бюро ENS, под редакцией Explained Desk | Нью-Дели | Обновлено: 12 июля 2020 г., 14:18:32 Вид на проект солнечной электростанции мощностью 750 МВт, торжественное открытие премьер-министром Нарендрой Моди посредством видеоконференцсвязи в Реве.(Фото PTI)

Солнечная электростанция Rewa мощностью 750 мегаватт в Мадхья-Прадеше была посвящена стране премьер-министром Нарендрой Моди в пятницу (10 июля). Солнечная электростанция была создана Rewa Ultra Mega Solar Limited, совместным предприятием Мадхья-Прадеш Urja Vikas Nigam Limited и Индийской корпорацией солнечной энергии (SECI). Проект также получил финансовую помощь в размере 138 миллионов рупий от центрального правительства.

Завод состоит из трех солнечных энергоблоков, которые расположены на участке земли площадью 500 га внутри солнечного парка площадью 1500 га.Mahindra Renewables Pvt, Arinsun Clean Energy Pvt и ACME Jaipur Solar Power Pvt — три компании, получившие мандат на строительство трех энергоблоков, большая часть оборудования для которых поступает из Китая.

Это самая большая солнечная электростанция в Азии?

Солнечная электростанция мощностью 750 МВт является довольно большой по масштабу и, как ожидается, резко сократит выбросы в стране на сумму, эквивалентную 15 лакх тоннам углекислого газа в год.Но хотя это одна из крупнейших однопроцентных солнечных электростанций в Индии, она не является крупнейшей в Азии.

Вторая по величине в мире фотоэлектрическая электростанция досталась солнечному парку Бхадла мощностью 2245 МВт в районе Джодхпур в Раджастхане и солнечному парку Павагада в районе Тумкур, Карнатака, мощностью 2050 МВт. По данным Bloomberg New Energy Finance, девять солнечных электростанций больше, чем в Rewa.

📢 Express Explained теперь в Telegram.Нажмите здесь, чтобы присоединиться к нашему каналу (@ieexplained) и оставаться в курсе последних новостей

Солнечная электростанция Rewa будет снабжать энергией Мадхья-Прадеш, а также метро Дели. (Фото PTI)

Что входит в состав установки?

В проекте три блока по 250 МВт каждый. Процесс обратного аукциона в торгах по проектам был впервые опробован в Индии для этого проекта, при этом Mahindra Renewables, ACME Solar Holdings и Solengeri Power стали победителями по трем единицам проекта по тарифам 2 рупия.979, 2,970 и 2,974 рупий соответственно за первый год.

Международная финансовая корпорация, компания группы Всемирного банка, инвестировала в проект около 440 миллионов долларов или 2800 крор рупий, а Power Grid Corporation of India разработала межгосударственную систему электропередачи 220/400 кВ в зеленом коридоре для облегчения эвакуации электроэнергии. с сайта проекта потребителям.

В проекте три блока по 250 МВт каждый.