Термодинамическое преобразование солнечной энергии в электрическую энергию
Термодинамическое преобразование солнечной энергии в электрическую энергию - Конспект Лекций, раздел Энергетика, Конспект лекций по курсу НиВИЭ Грибанов А.И. 1 ЗАПАСЫ И РЕСУРСЫ ТРАДИЦИОННЫХ И НЕТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ3 Методы Термодинамического Преобразования Солнечной Энергии В Электрическую Ос...
Методы термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую основаны на циклах тепловых двигателей. Солнечная энергия преобразовывается в электрическую на солнечных электростанциях (СЭС), которые имеют оборудование предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС требуются аккумулятор теплоты и система автоматического управления.
Улавливание и преобразование солнечной энергии происходит с помощью оптической системы отражателей (гелиостатов) и приемника сконцентрированной солнечной энергии, которая используется для получения водяного пара или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя (рабочего тела).
В настоящее время в основном строятся солнечные тепловые электростанции двух типов: башенного и распределенного (модульного).
В башенных СЭС используются центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим высокую концентрацию солнечного излучения (рис. 2.8).
Схема устройства солнечной станции башенного типа
Концентраторы солнечного излучения имеют различную форму (рис. 2.9).
Небольшую степень концентрации (порядка 100) можно получить при использовании отражающих поверхностей, концентрирующих энергию при любом направлении прихода солнечных лучей. В этом случае слежение за Солнцем происходит с помощью упрощенной системы управления. Такими устройствами являются параболоцилиндрические отражатели, ось которых горизонтальна или перпендикулярна плоскости движения Солнца.
Управление такой установкой осуществляется в соответствии с изменениями положения Солнца на небосводе в течение дня. Средней степени концентрации (порядка 1000) можно достичь при использовании фокусирующих гелиостатов, управляемых по двум вращательным степеням свободы. Таким гелиостатом может быть зеркало в форме параболоида вращения, ось которого ориентируется на Солнце. Высокая степень концентрации осуществляется оптической системой, которая включает плоские и параболоидные концентраторы. Эта система позволяет достичь очень высоких температур. Управление системой гелиостатов осуществляется с помощью компьютера.
Сконцентрированное солнечное излучение поглощается поверхностью приемника и превращается в тепло. Для снижения потерь тепла, связанных с излучением нагретого приемника, его поверхность покрывают тонкой пленкой из селективно поглощающих материалов. Это позволяет значительно повысить КПД установки.
В качестве рабочего тела в тепловом двигателе (турбине) обычно используется водяной пар с температурой до 550 °С, который образуется в приемнике – парогенераторе. Можно также использовать воздух и другие газы, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны), жидкометаллические теплоносители.
Основными недостатками башенных СЭС является высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения солнечной электростанции мощностью 100 МВт требуется площадь 200 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны. Оптимальная мощность СЭС равна 100 МВт, а высота башни 250 м [5].
В 70-х годах XX века в мире было построено несколько станций данного типа. Крупнейшей является СЭС «Солнце-1» мощностью 10 МВт (в пиковом режиме), занимающая площадь 52 га в пустыне Мохаве (шт. Калифорния). Каждый из гелиостатов имеет по 12 граней длиной 7 м. Они следят за Солнцем и концентрируют его лучи на вершине башни высотой 95 м, где расположен приемник-парогенератор. Пар с температурой 510 °С приводит в действие турбогенератор расположенный на земле. СЭС имеет тепловой аккумулятор емкостью 3785 м3. Часть пара используется для нагревания нефти, циркулирующей в аккумуляторе, и передающий тепло гравию. За счет запасенного тепла можно вырабатывать пар в течении 4 часов.
Около десятка экспериментальных СЭС запущено в действие или строится во Франции, Японии, Германии, Испании и США.
Более перспективными являются солнечные электростанции с распределенным приемником энергии. На этих станциях концентраторы представляют собой группу параболоцилиндрических отражателей, которые вращаются вокруг одной оси и имеют трубчатые приемники, совмещенные с фокальной линией (рис. 2.10).
Вращение вокруг одной оси существенно уменьшаем стоимость концентратора. Причем количество получаемой энергии только на 5 % ниже энергии полученной при использовании системы слежения за Солнцем с двумя осями вращения.
Так как трубчатый приемник распложен вблизи отражателя, то фокусировка солнечного излучения может производиться с меньшей точностью. Это снижает стоимость коллектора, в состав которого входят концентратор, опорные конструкции и система слежения за Солнцем.
Первая СЭС такого типа мощностью 12,5 МВт построена в 1985 г. в США в калифорнийской пустыне Мохаве. Она занимает площадь 340 га. Компьютерная система ориентирует 540 тыс. параболоцилиндрических концентраторов таким образом, чтобы они постоянно поворачивались за солнцем. Концентраторы фокусируют солнечное излучение на трубах из нержавеющей стали имеющих селективное покрытие. Внутри трубок циркулирует синтетическое масло, которое нагревается до температуры 390 °С. Для снижения теплопотерь конвекцией металлические трубки помещают внутрь стеклянных, а между ними создается вакуум. Нагретое масло поступает в теплообменник, где превращает воду в пар, который приводит в действие турбогенератор. На этой СЭС, в случае необходимости, предусмотрена выработка электроэнергии традиционными методами. В качестве топлива используется природный газ [5].
Солнечные электростанции могут обеспечивать дополнительную выработку электроэнергии при пиковых нагрузках. При небольшой мощности СЭС модульного типа более экономичны, чем башенные.
По прогнозам в будущем СЭС займут площадь 13 млн. км2 на суше и 18 млн. км2 в океане.
Энергоресурсы планеты
Энергоресурсы – материальные объекты, в которых сосредоточена энергия. Энергию условно можно разделить на виды: химическую, механическую, тепловую, электрическую и т.д. К основным энергоресурсам от
Возможности использования энергоресурсов
Термоядерная энергия
Термоядерная энергия – это энергия синтеза гелия из дейтерия. Дейтерий – атом водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтро
Энергоресурсы России
Россия имеет огромные запасы энергоресурсов и, особенно, угля.
Теоретический потенциал – это запасы топлива, которые конкретно не подверждены.
Технический потенциа
Получение энергии на ТЭС
Как и в большинстве стран мира большая часть электроэнергии в России вырабатывается на ТЭС, сжигающих органическое топливо. В качестве топлива на ТЭС используют твердое, жидкое и газообразное топли
Переменный график электропотребления
В течении суток потребление электроэнергии не одинаково. В часы пик оно резко возрастает, а ночью значительно уменьшается. Следовательно, энергосистема должна иметь базовые мощности, работающие в п
Проблемы передачи электроэнергии
Передача электрической энергии на большие расстояния связана с потерями в ЛЭП. Теряется электрическая энергия равная произведению силы тока на эл. сопротивление провода. Передаваемая по проводам мо
Газотурбинные и парогазовые установки (ГТУ и ПГУ)
В настоящее время газотурбинные и парогазовые установки являютсяся самыми перспективными из всех установок для пр-ва тепловой и электрической энергии. Применение этих установок во многих странах ми
Магнитно-гидродинамические установки (МГДУ)
Перспективным также является использование электростанций на базе магнитогидродинамического генератора. Цикл МГДУ такой же как ГТУ, т.е адиабатное сжатие и расширение рабочего тела, изобарный подво
Топливные элементы
В настоящее время для выработки электрической энергии для выработки электроэнергии используют топливные элементы. Эти элементы преобразуют энергию химических реакций в электрическую энергию. Химиче
Тепловые насосы
ТН называют устройства, работающие по обратному термодинамическому циклу и предназначены для передачи тепла от низкопотенциального источника энергии к высокопотенциальному.
Второй закон
Место малой энергетики в энергетике России
К нетрадиционным источникам энергии можно отнести малые гидроэлектростанции, дизельные электростанции, газо-поршневые электростанции, малые АЭС.
Гарантом надежного электроснабжения, теплос
Газотурбинные и парогазовые малые электростанции
Газотурбинные электростанции малой мощности – компактные установки, изготовленные по блочно-контейнерному принципу. Составные части ГТЭС дают возможность вырабатывать не только электроэнергию, но и
Мини ТЭЦ
В настоящее время повысился интерес к комбинированной выработке тепла и электроэнергии с помощью небольших установок с помощью небольших установок с мощностью от нескольких десятков кВт до нескольк
Дизельные электростанции
В отдельных труднодоступных районах России куда невыгодно проводить ЛЭП для энергоснабжения населения этих районов используют бензиновые и дизельные электростанции. В районах крайнего севера число
Газопоршневые электростанции
Т.к. цены на дизельное топливо постоянно растут, то использование дизельных электростанций на дизельном топливе становятся дорогостоящим, поэтому в настоящее время в мире большой интерес проявляют
Малые гибридные электростанции
Для повышения надежности и эффективности систем электроснабжения требуется создание многофункциональной энергетических комплексов (МЭК). Также комплексы могут быть созданы на базе малых гибридных э
Малые АЭС
В последнее время значительный интерес проявляют к АЭС малой мощности. Это станции блочного испонения, они позволяют унифицировать оборудование и работу автономно. Такие станции могут быть надежные
Малая гидроэнергетика
Лидером в развитии малой гидроэнергетики является Китай. Мощность малых ГЭС (МГЭС) в Китае превышает 20 тыс. МВт. В индии установленная мощность МГЭС превышает 200 МВт. Широкое распространение МГЭС
Проблемы использования возобновляемых источников энергии
Основные невозобновляемые энергоресурсы рано или поздно будут исчерпаны. Сейчас около 80% энергопотребления на планете обеспечивается за счет органического топлива. При таком использовании органиче
Гидроэнергетика
ГЭС в качестве источника энергии использует энергию водного потока. ГЭС строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Для эффективного производства энергии на ГЭС необходимы 2 основных фактора
Солнечная энергия
Солнечная энергия является результатом реакции синтеза ядер легких элементов дейтерия, трития и гелия, которые сопровождаются огромным количеством энергии. Источником всей энергии, за исключением т
Преобразование солнечной энергии в тепловую энергию
Солнечную энергию можно превратить в тепловую с помощью коллектора. Все солнечные коллекторы имеют поверхностный или объемный поглотитель тепла. Тепло может отводится из коллектора или аккумулирова
Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии
Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии в электрическую основан на явлении фотоэлектрического эффекта – освобождения электронов проводимости в приемнике излучения под действием ква
Перспективы развития солнечной энергетики в России
В 1985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию первая в СССР солнечная электростанция башенного типа СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт.
1600 гелиостатов (плоских зер
Особенности использования энергии ветра
Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности. Энергия ветра очень велика. По оценкам Всемирной метеорологической организации запасы энергии вет
Производство электроэнергии с помощью ВЭУ
Использование ветроустановок для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом преобразования энергии ветра. При проектировании ВЭУ необходимо учитывать их следующие особенност
Ветроэнергетика России
Энергетический ветропотенциал России оценивается в 40 млрд. кВт. ч электроэнергии в год, то есть около 20000 МВт [1].
ВЭС мощностью 1 МВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с экономит 1
Происхождение геотермальной энергии
В ядре Земли температура достигает 4000 °C. Выход тепла через твердые породы суши и океанского дна происходит в основном за счет теплопроводности и реже – в виде конвективных потоков расплавленной
Техника извлечения геотермального тепла
Источники геотермальной энергии можно разделить на пять типов.
1. Источники геотермального сухого пара. Они довольно редки, но наиболее удобны для строительства ГеоТЭС.
2. Источни
Электроэнергии
Превращение геотермальной энергии в электрическую осуществляется на основе использования машинного способа с помощью термодинамического цикла на ГеоТЭС.
Для строительства ГеоТЭС наиболее б
Использование геотермальных источников для теплоснабжения
Более значительны масштабы использования геотермальной теплоты для отопления и горячего водоснабжения. В зависимости от качества и температуры термальной воды существуют различные схемы геотермальн
Влияние геотермальной энергетики на окружающую среду
Основное воздействие на окружающую среду ГеоТЭС связано с разработкой месторождения, строительством зданий и паропроводов. Для обеспечения ГеоТЭС необходимым количеством пара или горячей воды требу
Геотермальная энергетика России
В России разведано 47 геотермальных месторождений с запасами термальных вод, которые позволяют получить более 240×103 м3/сут. термальных вод, и парогидротерм производите
Причины возникновения приливов
Приливы – это результат гравитационного взаимодействия Земли с Луной и Солнцем. Приливообразующая сила Луны в данной точке земной поверхности определяется как разность местного значения силы притяж
Приливные электростанции (ПЭС)
Поднятую во время прилива на максимальную высоту воду можно отделить от моря плотиной. В результате образуется приливный бассейн.
Максимальная мощность, которую можно получить, пропуская в
Влияние ПЭС на окружающую среду
Возможное воздействие приливных электростанций на окружающую среду может быть связано с увеличением амплитуды приливов на океанской стороне плотины. Это может приводить к затоплению суши и сооружен
Приливная энергетика России
В России использование приливной энергии в прибрежных зонах морей Северного Ледовитого и Тихого океанов связано с большими капиталовложениями.
Первая в нашей стране Кислогубская ПЭС мощнос
Энергия волн
От морских волн можно получить огромное количество энергии. Мощность, переносимая волнами по глубокой воде, пропорциональна квадрату их амплитуды и периоду. Наибольший интерес представляют длиннопе
Энергия океанических течений
Всю акваторию Мирового океана пересекают поверхностные и глубинные течения. Запас кинетической энергии этих течений составляет порядка 7,2∙1012 кВт∙ч/год. Эту энергию с помощ
Ресурсы тепловой энергии океана
Мировой океан является естественным аккумулятором солнечной энергии. В тропических морях верхний слой воды толщиной несколько метров имеет температуру 25…30 °С. На глубине 1000 м температура воды н
Океанические тепловые электростанции
Для преобразования энергии перепада температур в океане предлагается несколько типов устройств. Наибольший интерес представляет преобразование тепловой энергии в электрическую с помощью термодинами
Ресурсы биомассы
Под термином «биомасса» понимается органическое вещество растительного или животного происхождения, которое может быть использовано для получения энергии или технически удобных видов топлива путем
Биотехнологическая конверсия биомассы
При биотехнологической конверсии используются различные органические отходы с влажностью не менее 75 %. Биологическая конверсия биомассы развивается по двум основным направлениям:
1) ферме
Экологические проблемы биоэнергетики
Биоэнергетические установки способствуют снижению загрязнения окружающей среды всевозможными отходами. Анаэробная ферментация является не только эффективным средством использования отходов животнов
Характеристика твердых бытовых отходов (ТБО)
На городских свалках ежегодно скапливаются сотни тысяч тонн бытовых отходов. Удельный годовой выход ТБО на одного жителя современного города составляет 250…700 кг. В развитых странах эта величина е
Переработка ТБО на полигонах
В настоящее время ТБО городов как правило вывозятся на полигоны для захоронения с расчетом на их последующую минерализацию. Желательно, чтобы перед захоронением ТБО прессовали. Это не только снижае
Компостирование ТБО
Вторым направлением утилизации ТБО является переработка в органическое удобрение (компост). Можно компостировать до 60 % общей массы бытовых отходов. Процесс компостирования осуществляется во враща
Сжигание ТБО в специальных мусоросжигательных установках
В экономически развитых странах все больше количество ТБО перерабатывается промышленными способами. Наиболее эффективным из них является термический. Он позволяет почти в 10 раз снизить объем отход
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов