СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
SOLAR POWER STATION

Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, в первую очередь к конструкции солнечных электростанций с концентраторами.
2
2
3
3
Известна солнечная электростанция (СЭС), содержащая параболоцилиндрический концентратор, одноосную систему слежения за Солнцем, трубчатый приемник с жидким теплоносителем, систему подачи теплоносителя, парогенератор и паротурбинную установку и электрогенератор. Солнечная электростанция имеет следующие параметры: концентрация солнечного излучения - 70, температура теплоносителя 400°C, ширина миделя концентратора 6 м, площадь концентраторов 510000 м, электрическая мощность 50 МВт, стоимость 300 миллионов евро. Общая длина приемников и концентраторов 93,6 км, размеры СЭС 1,3×1,5 км. Для перекачки 2000 м теплоносителя по трубчатому приемнику длиной 93,6 км СЭС затрачивает 10% своей мощности - 5 МВт. Электростанция потребляет в год 850000 м воды, эксплуатационные расходы составляют 5,3 млн. долл. США в год, включая зарплату 40 человек обслуживающего персонала. (Sun and Wind Energy, май 2008, с.88-90, Photon International, июнь 2009 г., с.114).
Недостатком известной солнечной электростанции с концентраторами и паротурбинными установками является низкий КПД, высокая стоимость установленной мощности и большие эксплуатационные затраты.
Известна солнечная электростанция, содержащая параболоцилиндрический фацетный концентратор, одноосную систему слежения за Солнцем и приемник на основе плоских солнечных фотоэлектрических модулей. Солнечная станция имеет геометрический коэффициент концентрации 5, реальную концентрацию 3,5, электрическую мощность 2,8 кВт, массу 600 кг. Плоскость приемников и p-n переходов фотоэлектрических модулей параллельна оптической оси концентратора и перпендикулярна потоку солнечного излучения. (Sun and Wind Energy, 2009, №2, с.93).
Недостатком известной электростанции является высокая металлоемкость и большая стоимость установки.
Задачей настоящего изобретения является снижение стоимости установленной мощности и вырабатываемой энергии.
Технический результат достигается тем, что в солнечной электростанции, содержащей концентратор, выполненный в виде линейной одноосной концентрирующей системы, систему слежения и фотоприемник с p-n переходами в фокальной области, фотоприемник выполнен в виде одной или более секций твердотельной матрицы из последовательно скоммутированных миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами и с p-n переходами, плоскости которых параллельны двум из четырех боковых граней матрицы, и имеет защитное прозрачное покрытие на двух рабочих поверхностях матрицы, которые перпендикулярны плоскости p-n переходов, оптическая ось и фокальная плоскость концентратора перпендикулярна плоскости p-n переходов приемника, а плоскость поперечного сечения концентратора и направление потока концентрированного солнечного излучения параллельны плоскости p-n переходов фотоприемника, фотоприемник установлен в прозрачной цилиндрической оболочке вдоль ее оси и снабжен устройством для прокачки охлаждающей жидкости через прозрачную цилиндрическую оболочку и теплообменником для отвода теплоты, а плоскости p-n переходов перпендикулярны оси цилиндрической оболочки.
В варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из одной секции и установлен в диаметральной плоскости внутри прозрачной цилиндрической оболочки.
В другом варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из двух скоммутированных равновеликих секций.
Еще в одном варианте солнечной электростанции фотоприемник выполнен из трех и более скоммутированных секций.
В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде параболоцилиндрического концентратора.
В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде линейных линз Френеля.
В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде линейного зеркала Френеля.
В варианте солнечной электростанции линейная одноосная концентрирующая система выполнена в виде множества плоских зеркальных отражателей, установленных с тыльной стороны фотоприемника.
В варианте солнечной электростанции защитное прозрачное покрытие и прозрачная цилиндрическая оболочка выполнены из стекла.
В варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость выполнена из кремнийорганических компонентов.
В варианте солнечной электростанции охлаждающая жидкость выполнена на основе очищенной воды.
В варианте солнечной электростанции теплообменник соединен с двумя контурами для прокачки охлаждающей силиконовой жидкости и воды.
В варианте солнечной электростанции теплообменник снабжен радиатором воздушного охлаждения.
В варианте солнечной электростанции фотоприемник имеет линейную плотность размещения миниатюрных солнечных элементов с диодными структурами 2000-5000 на 1 метр длины фотоприемника и напряжение 20-50 кВ на каждые 20 метров длины фотоприемника, а солнечная электростанция подключена к высоковольтной линии электропередач постоянного тока для передачи энергии на потребительскую подстанцию без дополнительных преобразующих устройств.
На фиг.1 представлена солнечная электростанция с параболоцилиндрическим концентратором, поперечное сечение, с фотоприемником в виде одной секции в диаметральной плоскости цилиндрической оболочки, на фиг.2 - поперечное сечение СЭС с фотоприемником в виде двух секций, установленных по образующей прозрачной цилиндрической оболочки; на фиг.3 - поперечное сечение СЭС с фотоприемником из пяти скоммутированных секций, плоскости p-n перехода фотоприемника перпендикулярны оси цилиндрической оболочки; на фиг.4 - продольное осевое сечение фотоприемника солнечной электростанции с системой охлаждения; на фиг.5 - схема подключения солнечной электростанции к высоковольтной линии электропередач постоянного тока.
+
+
o
На фиг.1 солнечная электростанция содержит параболоцилиндрический концентратор 1 с системой слежения (на фиг. не показана) и одной секции фотоприемника 2, установленного в диаметральной плоскости 3 цилиндрической стеклянной оболочки 4. Диаметральная плоскость 3 совпадает с фокальной плоскостью 5 концентратора 1. Плоскость n-p-p переходов 6 перпендикулярна фокальной плоскости 5 и параллельна направлению падающих солнечных лучей i и отраженных лучей i от концентратора 1.
o
На фиг.2 фотоприемник 2 состоит из двух равновеликих секций 7 и 8, установленных по образующей цилиндрической оболочки 4 со стороны концентратора 1, а плоскости p-n переходов 6 секций 7 и 8 фотоприемника 2 перпендикулярны оси 9 цилиндрической оболочки 4 и параллельны потоку прямой i отраженной i солнечной радиации.
o
На фиг.3 фотоприемник 2 выполнен из 5 секций 10, 11, 12, 13, 14, установленных вдоль образующей цилиндрической оболочки 4, а плоскости p-n переходов 6 всех секций фотоприемника 2 перпендикулярны оси 9 цилиндрической оболочки 4 и совпадающей с ней оптической оси 15 концентратора 1 и параллельны прямой i и отраженной i от концентратора 1 солнечной радиации.
+
+
o
Фотоэлектрический приемник 2 на фиг.4 установлен вдоль оптической оси 15 концентратора 1 и оси 9 в цилиндрической стеклянной оболочке 4. Фотоприемник 2 состоит из секций 16 последовательно скоммутированных матричных солнечных элементов 17, каждый из которых содержит диодную n-p-p структуру 18. Плоскости p-n переходов 6 в диодной структуре параллельны падающему i и отраженному излучению i. Фотоприемник 2 имеет защитное покрытие 19 из стекла, которое присоединено к фотоприемнику 2 с помощью оптического прозрачного клея (на фиг. не показано). Токовыводы 20 фотоприемника 2 присоединены к крайним выводам секций 16 матричных солнечных элементов 17. Свободное от фотоприемника 2 пространство в цилиндрической стеклянной оболочке 4 заполнено кремнийорганической охлаждающей жидкостью 21. Устройство охлаждения фотоприемника 2 состоит из трубопроводов 22, присоединенных к началу 23 и концу 24 цилиндрической оболочки 4, насоса 25 и теплообменника 26, к которому подключен водяной контур 27.
В другом варианте исполнения теплообменник присоединен к воздушному радиатору.
-1
На фиг.5 секции 16 из матричных солнечных элементов 17 и диодные структуры 18 соединены последовательно с помощью контактов 28 и имеют линейную плотность размещения миниатюрных солнечных элементов 3000 м вдоль фотоприемника 2 и напряжение 35 кВ на каждые 20 м длины фотоприемника 2. Токовыводы 20 фотоприемника 2 солнечной электростанции через измерительный управляющий блок 29 и выключатель 30 присоединен к высоковольтной линии 31 постоянного тока напряжением 110-750 кВ, которая может быть выполнена как в воздушном, так и в кабельном исполнении.
Пример выполнения солнечной электростанции (СЭС)
o
2
СЭС имеет параболоцилиндрический концентратор длиной 150 м, размерами миделя воспринимающей поверхности 6 м×150 м. В фокальной области вдоль оптической оси 15 установлены секции фотоприемника 2 на основе матричных солнечных элементов размерами 0,06 м × 150 м, у которых плоскости p-n переходов 6 перпендикулярны оптической оси концентратора 5 и параллельны падающей i и отраженной i солнечной радиации. Фотоприемник 2 заключен в прозрачную стеклянную оболочку 4 внешним диаметром 70 мм, которая заполнена кремнийорганическим теплоносителем 21. Концентратор 1 ориентирован с севера на юг, имеет коэффициент концентрации 70. СЭС имеет пиковую мощность 150 кВт при освещенности 1 кВт/м, температуре 25°C и КПД 20%. Напряжение на выходе матричных солнечных элементов составляет 1800 B на 1 погонный метр длины фотоприемника. Напряжение на выходе СЭС от 500 B до 270 кВ в зависимости от числа параллельно и последовательно соединенных секций фотоприемника 2.
o
Расположение плоскости p-n переходов 6 параллельно концентрированному потоку i солнечного излучения позволяет получить два важных преимущества СЭС по сравнению с известной конструкцией.
o
ф
o
o
Поток i отраженного концентрированного излучения в фотоприемнике ортогонален потоку I генерированных излучением носителей заряда через p-n переходы 6, что позволяет снизить оптические потери в легированном слое и в базовой области секций фотоприемника 2 и улучшить условия отвода тепла за счет использования металлических контактов 28, расположенных по всей площади p-n переходов 6, в качестве теплопроводящих слоев для отвода тепла из объема фотоприемника 2 к обеим рабочим поверхностям. Инфракрасная составляющая отраженного концентрированного потока излучения i за краем полосы поглощения с длиной волны более 1,12 мкм для секций кремниевого фотоприемника 2 проходит параллельно плоскости p-n переходов 6 через объем фотоприемника 2 без существенного поглощения, что также примерно на 20% снижает затраты на охлаждение фотоприемника 2. Наличие просветляющего покрытия на обеих рабочих поверхностях фотоприемника 2 снижает потери на отражение и увеличивает пропускание нефотоактивной части спектра падающего прямого и отраженного концентрированного солнечного излучения i.
2
2
Удельная мощность на известной паротурбинной СЭС на 1 м площади земли 25 Вт/м, на 1 погонный метр приемника 537 Вт/м.
Рассчитаем пиковую электрическую мощность СЭС согласно изобретению:
эл
0
опт
эл
миделя
P=E·η·η·S,
0
где E - стандартная солнечная радиация;
опт
η - оптический КПД СЭС;
эл. фп
η - электрический КПД фотоприемника.
0
опт
эл. фп
миделя
эл
2
2
Принимая E=1 кВт/м, η=0,85, η=0,2, S=6 м на один погонный метр СЭС, получим Р=1,02 кВт/м, что почти в 2 раза выше, чем у паротурбинной СЭС с концентраторами.
3
Из других преимуществ предлагаемой СЭС отметим сокращение потребления воды в объеме 850000 м/год, отсутствие необходимости в котле-парогенераторе и паротурбинном энергоблоке, возможность быстрого ввода в эксплуатацию СЭС в виде отдельных энергоблоков мощностью 150 кВт длиной 150 м с автономным слежением за Солнцем.
Еще одним преимуществом СЭС является генерация высокого напряжения 1800 B на 1 погонный метр или 270 кВ на 1 энергоблок длиной 150 м и передача электрической энергии к месту потребления по высоковольтным линиям постоянного тока без использования преобразователей и трансформаторов высокого напряжения на передающей подстанции.