Солнечная электростанция

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

Солнечная электростанция
Углеродный след	48 удельный выброс углекислого газа[1]
Источник энергии	солнечная энергия
Медиафайлы на Викискладе

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

Модель солнечной электростанции башенного типа в Политехническом музее (г.Москва)

Данные электростанции основаны на принципе получения водяного пара с использованием солнечной радиации, являются термодинамическими солнечными электростанциями, основанными на тепловом двигателе (фактически это разновидность тепловой электростанции), используется классический цикл Ренкина на водяном паре. В центре станции стоит башня высотой от 18 до 24 метров^{[источник не указан 3453 дня]} (в зависимости от мощности и некоторых других параметров высота может быть больше либо меньше), на вершине которой находится особым образом сконструированный паровой котëл, предназначенный для преобразования энергии излучения в тепловую энергию. Поверхности нагрева этого котла покрашены в чёрный цвет для поглощения теплового и видимого излучения. Также в этой башне находится насосная группа, доставляющая воду в котёл от конденсатора турбогенератора, который находится вне башни. По кругу от башни на некотором расстоянии располагаются гелиостаты.

Гелиостат — зеркало площадью в несколько квадратных метров^{[источник не указан 3453 дня]}, 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 отражённые лучи от них попали на поверхности нагрева котла. В ясную солнечную погоду температура котла может достигать 700 °C^{0 [источник не указан 3453 дня]}. 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 3453 дня]} и высокие мощности.

СЭС тарельчатого типа

Данный тип термодинамических СЭС использует принцип получения электроэнергии, схожий с таковым у башенных СЭС, но есть отличия в конструкции самой станции, и самым главным отличием является в том числе использование другого термодинамического цикла для получения работы. Станция состоит из отдельных модулей. Модуль состоит из опоры, на которую крепится ферменная конструкция приемника и отражателя. Приёмник расположен примерно в области концентрации отражённого 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 3428 дней]}, а количество зеркал — нескольких десятков^{[источник не указан 3428 дней]} (в зависимости от мощности модуля). Такие станции могут состоять как из одного модуля (автономные), так и из нескольких десятков (работа параллельно с сетью). Приёмник излучения состоит из двигателя Стирлинга с зачернëнной поверхностью цилиндра, системой охлаждения (установлен вентилятор, прогоняющий воздух через оребрение цилиндра) и синхронного генератора.

СЭС, использующие фотоэлектрические модули

См. также: Солнечная батарея

Кош-Агачская СЭС

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.). Фотоэлектрические модули и массивы производят электричество постоянного тока. Они могут быть подключены как в последовательном, так и в параллельном электрическом устройстве к инвертору для получения любой требуемой комбинации напряжения и тока.^[2] 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.

Балконная электростанция

Балконная электростанция.

Наиболее распространены дешёвые балконные электростанции для одной-двух панелей общей мощностью 600—800 Вт. Если балконная СЭС подключается через микроинвертор к квартирной государственной сети, то требуется регистрация:

• микроинвертор должен автоматически отключать фото-панели при отключении сети 220В (при потере внешней синхронизации)
• электросчетчик должен иметь блокировку обратного хода, или быть двунаправленным в случае продажи энергии в сеть (микрогенерация)

В Австрии эксплуатация регулируется стандартом ÖNORM (ÖNORM E 8001-4-712[23]). В Германии — VDE (VDE-AR-N 4105).

СЭС, использующие параболоцилиндрические концентраторы

Принцип работы данных термодинамических СЭС заключается в нагревании теплоносителя до параметров, пригодных к использованию в турбогенераторе, точно так же как и на башенных СЭС, в них используется цикл Ренкина.

Конструкция СЭС: на ферменной конструкции устанавливается длинное параболоцилиндрическое зеркало, а в фокусе параболы устанавливается трубка с зачернëнной поверхностью и прозрачной вакуумированной оболочкой (необходима, чтобы исключить теплопотери от контакта с атмосферным воздухом), по которой течет высокотемпературный жидкий теплоноситель (чаще всего термомасло^{[источник не указан 3428 дней]}). Пройдя весь путь, теплоноситель разогревается и в парогенераторе отдаёт теплоту воде, которая при повышенном давлении превращается в пар и поступает на турбогенератор, где совершает работу.

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 %^[3]. 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 плёнка, 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 плёнки с армировкой, посредине парабола пленочного концентратора из армированной металлизированной плёнки, 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 счёт перекачки балластной жидкости(вода для водородного цикла), точная ориентировка — гироскопами. При необходимости в одном дирижабле может находиться несколько плавающих шаровидных модулей.

Комбинированные СЭС

Часто^{[источник не указан 3428 дней]} 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 стёклами 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^[4].

Крупнейшие солнечно-тепловые электростанции на Земле

Крупнейшие солнечные тепловые электростанции в мире

Мощность МВт	Название	Страна	Местоположение	Координаты	Тип	Примечание
510	СЭС Уарзазат		Драа — Тафилалет	30°59′ с. ш. 6°51′ з. д.HGЯO	Noor I, Noor II — параболоцилиндрический концентратор; Noor III — башенный гелиоконцентратор	с тремя хранилищами[5][6] 1-я очередь закончена в 2016 году
392	СТЭС Айвонпа		Сан-Бернардино, Калифорния	35°34′ с. ш. 115°28′ з. д.HGЯO	башенный	Введена в эксплуатацию 13 февраля 2014[7][8][9]
354	Solar Energy Generating Systems[англ.]		Пустыня Мохаве, Калифорния	35°01′54″ с. ш. 117°20′53″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	СЭС состоит из 9-ти очередей[10][11][12][13][14][15][16][17][18]
280	Mojave Solar Project[англ.]		Барстоу, Калифорния	35°00′40″ с. ш. 117°19′30″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	Строительство завершено в декабре 2014 года[19][20][21]
280	Solana Generating Station[англ.]		Аризона	32°55′ с. ш. 112°58′ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	Строительство завершено в октябре 2013 года[22][23]
250	Genesis Solar Energy Project[англ.]		Блайт, Калифорния	33°38′37″ с. ш. 114°59′16″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	В эксплуатации с 24 апреля 2014 года[24][25]
200	Solaben Solar Power Station[26]		Логросан, Испания	39°13′29″ с. ш. 5°23′26″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	3-я очередь закончена в июне 2012[27] 2-я очередь закончена в октябре 2012[27] 1-я и 6-я очереди закончены в сентябре 2013[28]
150	Solnova Solar Power Station[англ.]		Санлукар-ла-Майор, Испания	37°25′00″ с. ш. 06°17′20″ з. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	1-я и 3-я очереди завершены в мае 2010 4-я очередь завершена в августе 2010[29][30][31][32][33]
150	Andasol Solar Power Station[англ.]		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.[34][35]
150	Extresol Solar Power Station[англ.]		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[27][36][37]
110	Crescent Dunes		Най, Невада	38°14′ с. ш. 117°22′ з. д.HGЯO	башенный	в эксплуатации с сентября 2015[38]
100	KaXu Solar One[англ.]		ЮАР	28°53′40″ ю. ш. 19°35′53″ в. д.HGЯO	параболоцилиндрический концентратор	с хранилищем на 2,5 часа[39]
Мощность МВт	Название	Страна	Местоположение	Координаты	Тип	Примечание

Крупнейшие фотоэлектростанции на Земле

Солнечная генерация по странам, 2021^[40]

^{[уточнить]}

Крупнейшие фотоэлектрические установки в мире

Пиковая мощность, МВт	Местонахождение	Описание	МВт·ч / год
2245	Джодхпур, Индия	Крупнейшая в мире солнечная электростанция
1170	Абу-Даби, ОАЭ[41][42]	3 200 000 солнечных модулей
550	Калифорния, США	9 000 000 солнечных модулей
550	пустыня Мохаве, Калифорния, США
300	Калифорния, США	>1 700 000 солнечных модулей
290[43]	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.
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[44]	455 532 солнечных модулей	132 500 [45]
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[44]	355 902 солнечных модулей	100 000[46]
80,7	Финстервальде, Германия
75	Самарская СЭС, Самарская область
73	Лопбури, Таиланд	540 000 солнечных модулей	105 512
69,7	Николаевка, Крым[44]	290 048 солнечных модулей
55	Речица, Белоруссия[47][48]	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
40	Орска СЭС, Оренбургская область
34	Арнедо, Испания	172 000 солнечных модулей	49 936
33	Кюрбан, Франция	145 000 солнечных модулей	43 500
31,55	Митяево, Крым[44]	134 288 солнечных модулей	40 000 [49]
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[44]	30 704 солнечных модулей	9 683
1	Батагай, Якутия[50][51]	3 360 солнечных модулей крупнейшая СЭС за полярным кругом[50]
Пиковая мощность, МВт	Местонахождение	Описание	МВт·ч / год

Рост пиковых мощностей фотовольтаических станций

Год(a)	Название станции	Страна	Мощность МВт
1982	Lugo	США	1
1985	Carrisa Plain	США	5,6
2005	Bavaria Solarpark (Mühlhausen)	Германия	6,3
2006	Erlasee Solar Park	Германия	11,4
2008	Olmedilla Photovoltaic Park	Испания	60
2010	Sarnia Photovoltaic Power Plant	Канада	97
2011	Huanghe Hydropower Golmud Solar Park	Китай	200
2012	Agua Caliente Solar Project	США	290
2014	Topaz Solar Farm	США	550
2020	Bhadla Solar Park[англ.]	Индия	2245
(a) по году окончательного ввода в эксплуатацию

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^[52], к примеру, на СЭС Айвонпа, в Калифорнии, в среднем одно насекомое или птица погибает каждые 2 минуты^[53].

См. также

• Список солнечных электростанций России