Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 оC.
Первая башенная электростанция под названием "Solar One" близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать "Solar One" для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из "холодного" бака при температуре 288 оC и проходит через приемник, где нагревается до 565 оC, а затем возвращается в "горячий" бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 - 13 часов.

"Solar Two" - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - это прототип крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли при температуре 550 оC, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в любую погоду. Успешное завершение проекта "Solar Two" должно способствовать строительству таких башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт.

Для обеспечения эффективной работы преобразователей теп­ла необходимо располагать плотностями тепловых потоков зна­чительно превосходящими плотность солнечного излучения за пределами земной атмосферы. Это достигается путем соответст­вующей концентрации солнечного излучения в весьма ограниченной по размерам области с помощью отражателей-концентрато­ров. Концентрирующая способность отражателя, т. е. способность обеспечивать ту или иную степень повышения плотности излуче­ния, прежде всего определяется его конфигурацией, а также гео­метрическим совершенством и оптическими свойствами зеркаль­ной поверхности. В качестве концентраторов могут использовать­ся отражатели различной геометрии, в том числе имеющие форму любой поверхности вращения 2-го порядка (конус, эллипсоид, параболоид, полусфера и т. д.); цилиндрические поверхности (параболоцилиндр, круговой цилиндр), а также сложные оптические системы, состоящие из нескольких элементов (например, двухзеркальная система с параболоидными и сферическими отражателя­ми).

Рис. 1. Схемы отражателей-кон­центраторов различной формы: а — параболоид вращения; б — сфероид; в — двухзеркалъная система с параболоидными отражателями

Рис. 2. Геометрические параметры концентратора, имеющего форму параболоида вращения.

Схемы некоторых отражателей-концентраторов показаны на рис. 1. Наиболее эффективными из них являются концентра­торы, имеющие форму параболоида вращения, которые и рас­сматриваются в дальнейшем.

На рис. 2 изображено меридианальное сечение такого па­раболоида и обозначены параметры, которыми обычно характе­ризуется его геометрия. Используя уравнение параболы в поляр­ных координатах

,

можем записать основное соотношение, связывающее диаметр концентратора D_K, его фокусное расстояние f и угол раскры­тия U_K :

.

Площадь отражающей поверхности концентратора определяется уравнением:

.

Геометрия параболоидного отражателя характеризуется обычно двумя независимыми параметрами: углом раскрытия U_к (или отношением ) и диаметром D_K (либо фокусным расстоя­нием f). Третий параметр, согласно уравнению, является производным.

Концентрирующая способность отражателей зависит не толь­ко от геометрических характеристик, но и от свойств отражаю­щего покрытия, обеспечивающего зеркальность отражения лу­чистых потоков. В качестве отражающих покрытий для концен­траторов, используемых в солнечных тепловых энергетических установках (СТЭУ), могут использоваться различные металлы: алюминий, серебро, золото и др. В качестве отражающего покры­тия для изготавливаемых в настоящее время концентраторов СТЭУ используется, как правило, алюминий. Интегральный оп­тический коэффициент отражения полированного алюминия по отношению к солнечному излучению за пределами земной атмо­сферы оценивается величиной = 0,90 0,92.

Для предохранения отражающего слоя алюминия от воздей­ствия внешней среды его обычно покрывают защитной пленкой моноокиси кремния. Это приводит к снижению коэффициента от­ражения до величины = 0,87 0,89. Заметим, однако, что при­меняя многослойные дифракционные защитные покрытия, можно не только не снижать, но даже повышать отражательную способ­ность концентратора.

Коэффициент отражения концентраторов СТЭУ зависит не только от физических свойств материала покрытия, но и от мик­рогеометрии отражающей поверхности. Практически невозможно получить настолько гладкую поверхность, чтобы отражение бы­ло полностью зеркальным. Реальная поверхность всегда имеет микронеровности (шероховатости), которые вызывают частич­ное рассеяние отраженного излучения. Степень рассеяния зави­сит от соотношения между длиной волны излучения и размерами микронеровностей.

Потери на диффузное рассеяние можно учесть так называе­мым коэффициентом зеркальности k₃, который показывает, какая доля отраженного поверхностью излучения отражается зеркаль­но. Для концентраторов с высококачественным покрытием коэф­фициент зеркальности близок к единице. Таким образом, общие потери энергии при отражении солнечного излучения от поверхности реального концентратора должны оцениваться коэффи­циентом зеркального отражения R₃:

Этот коэффициент можно рассматривать и как к. п. д. концентра­тора, поскольку он представляет собой отношение зеркально от­раженного сконцентрированного потока лучистой энергии к пото­ку энергии, падающему на концентратор.

Коэффициент отражения металлических поверхностей, вообще
говоря, зависит от угла падения лучей.

Однако эта зависимость проявляется ощутимо лишь при достаточно больших значениях угла падения (от 40° и выше). Поскольку угол раскрытия концентрато­ров СТЭУ обычно не превосходит 50— 70°, то даже для периферийных областей отражателей влиянием угла падения на коэффициент зеркального отражения R₃ допустимо пренебречь.

С учетом изложенного можно считать, что из каждой точки k отражающей по­верхности (рис. 3) концентратора исхо­дит пучок отраженных лучей, имеющих одинаковую яркость и заключенных в круговом коническом пучке, угол при вершине которого равен углу при верши­не пучка солнечных лучей 2 , падающих в эту точку. Если в окрестности точки k выделить элементарную площадку dS_K, то энергия лучей в отраженном пучке будет определяться лучистым потоком

,

где dS_K —проекция площадки dS_K на плоскость, перпендикулярную направлению падающего солнечного излучения; Е_с — сол­нечная постоянная, равная за пределами атмосферы ~1400Вт/м². Угол между осью отраженного пучка и нормалью к пло­щадке dS_K определяется законом зеркального отражения, т. е. равен углу , который составляет ось падающего пучка с этой нормалью. Следовательно, при заданном положении отражающей поверхности относительно направления солнечного излучения направление оси отраженного пучка будет зависеть от про­странственной ориентации площадки dS.