Содержание к диссертации
Введение
I. Анализ современного состояния и перспективы развития солнечных энергосистем 12
1.1. Использование концентрированного солнечного излучения в фотоэлектрических модулях ! 15
1.1.1. Анализ характеристик солнечных концентраторов 17
1.1.2. Отражающие концентраторы 19
1.1.3 Преломляющие концентраторы 23
1.1.4. Стационарные концентраторы 25
1.1.5. Гелиостатные концентраторные системы в солнечных энергоустановках '. 28
1.2. Мировые проекты крупных солнечных электростанций 32
1.2.1. Солнечные станции башенного типа 33
1.2.2. СЭС на основе параболоцилиндрических концентраторов 36
1.2.3. Станции на основе параболоидных концентраторов 39
Выводы к главе 1 41
ГЛАВА II Разработка солнечной энергетической установки со стационарным параолоцилиндрическим концентратором и системой угловых жалюзийных гелиостатов 42
2.1. Расчет и моделирование стационарных концентраторов на основе ориентированных вторичных отражателей 42
2.1.1. Ориентирование стационарных концентрирующих модулей 43
2.1.2. Методика расчета параболоцилиндрического концентратора с системой линейных жалюзийных гелиостатов 51
2.2 Методика расчета зависимости выходной мощности стационарного параболоцилиндрического концентратора от часового угла 58
2.2.1. Методика расчета угловых гелиостатов, установленных на поверхности миделя параболоцилиндрического концентратора 62
2.2.2. Методика расчета используемой площади миделя концентрирующей системы в зависимости от часового угла 66
2.2.3. Оптимальная ориентация системы вторичных отражателей 73
2.3. Параллельная и последовательная коммутация солнечных элементов фотоэлектрического модуля с системой угловых жалюзийных гелиостатов 76
Выводы к главе II 80
ГЛАВА III. Исследование солнечной концентрирующей установки с системой угловых жалюзийных гелиостатов и технико - экономическое обоснование энергосистемы 82
3.1 Исследование работы солнечного модуля с системой угловых жалюзийных гелиостатов со стационарным параболоцилиндрическим концентратором 82
3.1.1. Параметры солнечного модуля при различных способах коммутаций групп элементов 85
3.1.2. Параметры параболоцилиндрического концентрирующего модуля с системой линейных и угловых жалюзийных гелиостатов 89
3.2. Технико-экономическое обоснование использования солнечных энергетических установок с системой угловых жалюзийных гелиостатов и стационарных концентраторов солнечной энергии 94
3.2.1. Оценка стоимости установленной пиковой мощности модулей с системой угловых
жалюзийных гелиостатов со стационарными концентраторами 96
3..2.2. Расчет стоимости системы угловых жалюзийных гелиостатов со стационарным концентратором 98
3.2.3. Экологические аспекты строительства и эксплуатации солнечных установок с концентраторами 101
Выводы к главе III 105
ГЛАВА IV. Исследование возможности увеличения числа часов использования солнечных энергоустановок 106
4.2.2. Межконтинентальная энергосистема 113
4.2.3. Глобальная солнечная энергосистема 116
4.2. Общие принципы создания глобальной солнечной электростанции 122
4.3. Конструктивная схема солнечной электростанции 124
4.3.1. Производство электрической энергии 125
4.3.2. Расчет количества модулей 126
Выводы к главе IV 127
Заключение 129
Список литературы 131
- Отражающие концентраторы
- Ориентирование стационарных концентрирующих модулей
- Параметры солнечного модуля при различных способах коммутаций групп элементов
- Общие принципы создания глобальной солнечной электростанции
Введение к работе
Непрерывный рост цен на традиционные энергоносители и на электрическую энергию, получаемую в основном от сжигания ископаемого топлива, обусловлен прежде всего ростом себестоимости добываемого топлива и увеличением затрат на его транспортировку. В то же время наметилась устойчивая тенденция снижения стоимости энергии, получаемой от возобновляемых источников
Использование концентраторов в солнечных установках позволяет повысить температуру теплоносителя в случае теплового преобразования энергии При фотоэлектрическом преобразовании концентраторы позволяют увеличить эффективность и уменьшить количество дорогих солнечных элементов
Концентрирующие системы, работающие на средних и высоких концентрациях, должны иметь системы слежения, это приводит к удорожанию всей конструкции, усложнению эксплуатации и уменьшению надежности работы. Применение стационарных концентраторов с системами вторичных отражателей в виде линейных и угловых гелиостатов позволит улучшить технико-экономические показатели солнечной концентрирующей системы
Повышение эффективности использования солнечной энергии в оптических установках представляет интерес не только для автономных и удаленных потребителей в виде отдельных небольших поселков, фермерских хозяйств и отдельных домов, но и для крупномасштабных солнечных электростанций, которые могут быть использованы как для решения региональных оптических задач, так и глобальных проблем энергетики
Круг решаемых в работе вопросов затрагивает не только создание фотоэлектрических модулей для комбинированного энергоснабжения, но и разработку общих принципов развития региональных и глобальных энергосистем на основе солнечных электростанций
Целью работы является повышение эффективности использования солнечной энергии в энергетических установках с концентраторами
4 Основные задачи работы:
Моделирование стационарного параболоцилиндрического концентратора солнечного излучения с системой угловых жа-люзийных гелиостатов, для увеличения времени работы стационарного модуля.
Разработка методики расчета угловых гелиостатов для стационарного параболоцилиндрического концентратора
Разработка методики расчета системы жалюзийных гелиостатов для повышения эффективности использования солнечной энергии в стационарных параболоцилиндрических концентраторах, а также исследование и оптимизация функциональных узлов крупномасштабной солнечной электростанции
Исследование фотопреобразователей и конструкций солнечных модулей (СМ) со стационарными концентраторами с системами линейных и угловых гелиостатов
Исследование возможности повышения годового числа часов использования мощности и разработка компьютерной модели глобальной солнечной энергетической системы (СЭС), состоящей из региональных солнечных энергосистем, расположенных в России, в странах Афро-Евразийского континента, а также в Австралии, Африке и Латинской Америке, соединенных линией электропередач с малыми потерями.
Научная новизна представленных разработок заключается в следующем
Проведен энергетический анализ следящих систем, с определением как временных характеристик, так и структуры поступающей на панель инсоляции
На основе анализа работ линейных жалюзийных гелиостатов создана методика расчета стационарного параболоцилиндрического концентратора с системой линейных жалюзийных гелиостатов
Разработана методика расчета системы угловых жалюзийных гелиостатов для стационарного асимметричного параболоцилиндрического концентратора, позволяющая увеличить время работы стационарного концентрирующего модуля
Разработана конструкция системы угловых жалюзийных гелиостатов для стационарного асимметричного параболоцилиндрического концентратора На солнечную энергетическую
5 установку с угловыми жалюзийными гелиостатами получен патент РФ
Проведено компьютерное моделирование национальной, Аф
ро-Евразийской и глобальной солнечных оптических систем,
состоящих из региональных солнечных электростанций Пред
лагаемые энергосистемы, защищенные патентом РФ, позволя
ют производить электроэнергию круглые сутки в течение 6-12
месяцев в году
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика расчета системы жалюзийных гелиостатов линейной угловой формы в системе солнечной энергостанции
Различные типы коммутаций СЭ в солнечном модуле для концентрирующего модуля с системой угловых жалюзийных гелиостатов
Конструкции солнечных модулей с асимметричными парабо-лоцилиндрическими концентраторами с системами линейных и угловых жалюзийных гелиостатов
Результаты экспериментальных исследований работы солнечных модулей со стационарными концентраторами с системой угловых гелиостатов
Параметры глобальной солнечной энергетической системы по результатам компьютерного моделирования, состоящей из солнечных энергосистем, расположенных в России, в странах Афро-Евразийского континента, а также в Австралии, Африке и Латинской Америке с круглосуточным производством электрической энергии
Практическая ценность работы:
Предложенная и разработанная конструкция угловых жалюзийных систем и способ коммутации солнечных элементов в концентрирующем модуле, примененные в параболоцилиндриче-ском стационарном модуле, позволяет увеличить выработку электроэнергии на 30%, время работы стационарного концентратора как в суточном, так и годовом режиме при сравнительно небольшой стоимости устройства
В результате проведенных исследований и компьютерного моделирования параметров глобальных солнечных и межрегиональных оптических систем обоснованы места установки и мощно-
сти базовых солнечных электростанций, обеспечивающих круглосуточное производство электроэнергии в масштабах, соответствующих мировому энергопотреблению
Апробация:
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях-
4-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», 12-13 мая 2004 г, г Москва, ГНУ ВИЭСХ.
5-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», 16-17 мая 2006 г, г Москва, ГНУ ВИЭСХ.
7-ой специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения Диверсификация ОПК», 17-20 октября 2006 г
III Международной конференции «Возобновляемая энергетика -2006», 20 октября 2006 г, г Москва, ВВЦ
6-ой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», 13-14 мая 2008 г, г Москва, ГНУ ВИЭСХ
11-th International Conference SOLAR ENERGY AT HIGH LATITUDES North Sun 2007, 1 June 2007 года, Riga, Latvia
8-ой специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения Диверсификация ОПК», 2-5 октября 2007 г
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 17 работ, включая 2 патента на изобретение РФ и 4 статьи в издании, рекомендованном ВАКом
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений Объем работы составляет 142 страницы, включая 3 страницы приложений, содержит 42 иллюстрации и 18 таблиц
Отражающие концентраторы
Интегральным показателем является средний коэффициент концентрации Кс, который определяется как отношение среднего значения плотности сконцентрированного лучистого потока к плотности солнечного излучения в плоскости, перпендикулярной его распространению [4]. Ранее считалось, что оптимальная степень концентрации для СЭ из кремния может лежать в диапазоне от 10 до 100 крат [70].
В настоящее время в связи со снижением стоимости кремниевых солнечных элементов оптимальная концентрация снизилась до 5-10. При концентрировании изменяется не только плотность излучения, но и его распределение в пространстве. Поверхностная облученность Ес - основная энергетическая характеристика концентрирующей системы. Для использования СЭ требование равномерности облученности поверхности является первостепенным.
Ещё одной важной характеристикой концентраторов является оптическая эффективность г}0 - отношение энергии, пришедшей на приемник, к энергии, падающей на концентратор [29].
Концентраторы могут обеспечивать не только интегральное, но и спектральное перераспределение солнечного излучения в пространстве. Это селективные и диспергирующие концентраторы, первые из которых обеспечивают избирательное (селективное) концентрирование излучения, а вторые концентрируют весь падающий на них поток солнечного излучения, но одновременно разлагают (диспергируют) его на спектральные составляющие.
В целом можно заключить, что системы концентрирования обладают достаточно широким набором функциональных возможностей, позволяющим существенно улучшить характеристики СФЭС.
Схемные и конструктивные варианты концентраторов, которые могут использоваться в СФЭС, весьма многообразны. Их классификация осуществляется на основе различных признаков [4].
По характеру взаимодействия излучения с оптическими элементами систем подразделяют на отражающие (зеркальные) и преломляющие (линзовые) системы.
По уровню повышения плотности солнечного излучения или степени его концентрирования, характеризуемой значением Кс, с определенной условностью можно разделить на слабоконцентрирующие ( 100) и сильноконцен- трирующие (Кс 100) системы.
По воздействию на спектральные характеристики сконцентрированного излучения различают селективные и неселективные системы.
Приведенные выше классификационные признаки связаны главным образом со свойствами оптических элементов рассматриваемых систем. Предварительный выбор лучшей системы в каждом конкретном случае определяется степенью ее соответствия комплексу функциональных, конструкционных и эксплуатационных требований, важнейшими из которых являются: минимальные потери энергии при концентрировании излучения; способность устойчиво обеспечивать необходимое распределение плотности излучения на СЭ; технологичность изготовления и монтажа; устойчивость к воздействию внешних факторов; удобство и простота эксплуатации; возможность ремонта и замены отдельных элементов; низкая стоимость и др.
Отражающие концентраторы
К отражающим концентрирующим системам относятся зеркальные системы с образующими в форме кривых второго порядка прямой, окружности, параболы, гиперболы, эллипса, которые либо вращаются относительно оси симметрии - оптической оси концентратора, образуя сферические, параболо- идные, параболоторические, гиперболоидные, конические поверхности [4, 26, 101, 23], либо перемещаются в параллельных плоскостях, образуя сферо- и параболоцилиндрические, плоские конические поверхности [4,26]. Кроме отдельных концентраторов используются различные системы, состоящие из нескольких зеркал: системы Кассагрена, Ньютона и т.д. [4, 32, 33].
Идеальный параболоидный концентратор (рис. 1.1) фокусирует параллельные лучи в точку, что соответствует бесконечной степени концентрации. Такое приближение не позволяет оценить реальные возможности концентратора, так как Солнце имеет конечные видимые размеры.
При расчетах считают известным фокусное расстояние/и угол полураскрытия ит, откуда с помощью представления уравнения параболы в полярной системе координат получают диаметр концентратора [26]: 1 + СО
Вычислено, что оптимальное значение ит, при котором средний коэффициент концентрации будет максимальным, равно 45 при достигаемой концентрации Ктах= 11300 крат [6]. Облученность в фокусе идеального концентратора принимает следующий вид [26]: П где - интегральный коэффициент пропускания системы; (ра - угловой радиус солнца, равный 0.004654 рад.; Еа - плотность прямой солнечной радиации.
Распределение облученности на фокальной плоскости параболоидного концентратора хорошо описывается двумерным нормальным распределением [45] по формуле:
Ориентирование стационарных концентрирующих модулей
Стационарный концентрирующий параболоцилиндрический модуль, установленный под углом, равным местной широте, способен в течение нескольких месяцев без корректировки положения концентрировать не только солнечное излучение, идущее от Солнца, но и излучение, рассеянное околосолнечными участками неба. При этом солнечные лучи, проходящие через концентрирующую систему, всегда ограничены размерами зеркальной поверхности концентратора, имеющего определенный параметрический угол.
Впервые понятие параметрического угла для концентрирующих систем ввел Баранов В.К. [124], до этого осесимметричные концентраторы (линзы Френеля, фо- коны и т.д.) определялись углом раскрытия на сторону или апертурным углом. В настоящее время применять определение «апертурный угол» для протяженных концентрирующих систем не совсем корректно. В оптике апертурный угол это действующее отверстие оптического прибора, определяемое размерами линз, зеркал или диафрагмами, т.е. для оптических осесимметричных систем [125]. Полем зрения оптической системы называется часть пространства предметов, качественно изображаемая системой и определяемая в угловой или линейной мере осесимметричной фигуры. Линейное поле определяется диаметром круга, которое видно через прибор, угловое поле равно отношению диаметра круга к фокусному расстоянию [126].
Для асимметричных параболоцилиндрических концентраторов поле зрения определяется частью сферы, вырезаемой параметрическими углами в меридиональном а и сагиттальном направлении /? (рис. 2.1).
Асимметричный параболоцилиндрический концентратор характеризуется шириной М и длиной Э входной поверхности миделя концентратора. В отличие от осесимметричных концентраторов, у которых поле зрения определяется одним параметром параметрического угла, поле зрения протяженного асимметричного концентратора имеет более сложный вид. Для параболоцилиндрического концентратора ограниченной длины поле зрения можно представить в виде неправильной четырехугольной пирамиды (рис. 2.1), характеризуемой углами: 2а - между продольными гранями 014 и 023 и 2/3 между гранями 012 и 034 [117].
Поле зрения в поперечной плоскости, характеризуемое параметрическим углом 3 в основном определяет продолжительность работы стационарно установленного концентратора.
Для определения продолжительности ежедневной работы концентратора на рис. 2.2 представлено сечение небесной сферы и суточный ход Солнца при склонении 5.
Проекция вектора СЬ определяет направление солнечного луча на приемник (рис. 2.2) и задает направление солнечных лучей на поперечную плоскость концентратора. При южной ориентации поперечная плоскость концентратора совпадает с плоскостью небесного меридиана.
Произвольный луч, приходящий на поверхность концентратора, разложим на две векторные составляющие: на вектор луча в горизонтальной плоскости и на вектор луча в вертикальной плоскости. С целью определения графического отображения истинного часового угла со рассечение сферы производилось по горизонтальным и вспомогательным плоскостям, а для определения истинного высотного угла h0 - по вертикальным вспомогательным плоскостям, проходящим по линиям часового угла (рис. 2.3).
Дневная продолжительность работы стационарно установленного парабо- лоцилиндрического концентратора с углом раскрытия а ^ 36, равная 2-4 часам, летом явно недостаточна. Суточный ход инсоляции различных поверхностей в средних широтах представлен на рис. 2.4, из которого следует, что высокоэффективный концентратор летом должен работать не менее 10 часов, а зимой - 4 - 6 часов в сутки. Чтобы устранить такой существенный недостаток, как краткосрочность работы в годовом и суточном режиме, концентраторы оснащаются системами слежения за Солнцем. Следящие системы не только обеспечивают интегральный рост, но и приводят к качественным изменениям как временных характеристик, так и структуры, поступающей на панель инсоляции. Эффективность системы, определяемая как отношение инсоляции панели к инсоляции горизонтальной поверхности, связана с анизотропными составляющими солнечной радиации и, главным образом, с ее прямой составляющей.
Параметры солнечного модуля при различных способах коммутаций групп элементов
Система жалюзийных гелиостатов в концентрирующем модуле дает небольшое затенение воспринимающей площади концентратора, а так как максимальная выработка энергии идет в полуденные часы, затенять воспринимающую площадь концентратора в это время не рационально. Для увеличения времени работы стационарного концентратора, как в суточном, так и в годовом режиме работы, повышения суммарной выработки электроэнергии в год нами предлагается установить систему вторичных отражателей выше входной поверхности концентратора (рис. 2.21). При этом система вторичных отражателей на общей раме располагается на жесткой опоре выше входной поверхности концентратора параллельно входной поверхности миделя концентратора с возможностью изменения угла наклона гелиостатов. Рис. 2.21 Общий вид стационарного концентратора с системой вторичных отражателей установленных вне входной поверхности концентратора
Система вторичных отражателей устанавливается на расстоянии сУ от горизонта где Нконц- общая высота концентратора; А- расстояние входной поверхности концентратора; у - отраженный угол минимального угла высоты, попадающего в рабочий угол зрения концентратора; 1 -угол наклона фокальной плоскости концентратора к горизонту. И на расстоянии п от крайней точки концентратора до системы с вторичными отражателями СОБЬ) п = (2.19) где а- угол раскрытия концентратора. Установка с концентратором и системой вторичных отражателей, может изменяться в пределах =113,75-ф, 1Л =180о-(90+ф+5), 1 =180-(90+ф), где (р - широта местности, д - склонение солнечных лучей. При и \ фокальная плоскость концентратора направлена на летнее положение, 02. - на зимнее положение и в дни равноденствия под углом из.
Система вторичных отражателей может быть выполнена в разных вариантах: а) в виде линейных гелиостатов, расположенных параллельно входной поверхности концентратора, с возможностью поворота общей рамы с системой вторичных отражателей вокруг вертикальной оси (рис. 2.22, а). а) Рис. 2.22 Варианты размещения системы вторичных отражателей б) б) в виде угловых жалюзийных гелиостатов, при этом система выполнена на жесткой опоре параллельно входной поверхности миделя концентратора с возможностью изменения угла наклона гелиостатов (рис. 2.22, б).
Параллельная и последовательная коммутация солнечных элементов фотоэлектрического модуля с системой угловых жалюзийных гелиостатов
Для обеспечения заданной потребителем электрической мощности солнечных модулей необходимо собрать и преобразовать энергию солнечного излучения с достаточно большой площади. При этом либо вся площадь может быть покрыта солнечными фотопреобразователями, либо излучение собирается концентратором и направляется на панели фотопреобразователей меньшей площади. И в том и другом случае количество задействованных фотопреобразователей необходимо соединять в оптимальную электрическую схему [25]. Вследствие неидентичности, разброса характеристик фотопреобразователей [50] возникают потери мощности, которые можно уменьшить, выбрав наиболее подходящую для данных конкретных условий электрическую схему коммутаций элементов. (2.20)
Для увеличения выходного напряжения солнечной батареи солнечные элементы соединяются последовательно в цепочки элементов. Если все элементы обладают одинаковыми параметрами и освещенность их также одинакова, то выходное напряжение, даваемое цепочкой из п солнечных элементов, равно и„ = и,п а 1 I а ток, даваемый цепочкой, зависит от числа элементов п, и максимальная мощность цепочки Ра исходя из [40] имеет вид: (2.21) где -ток в нагрузке; г ф -генерируемый освещением фототок; г ток насы- АкТ где А е щения р-п перехода; последовательное сопротивление; ит = параметр вольтамперной характеристики; Т- температура перехода; к- постоян ная Больцмана; е- заряд электрона.
В реальных условиях часть элементов оказывается затененной, и ток цепочки определяется наиболее затененным элементом. При больших часовых углах, т.е. в утреннее и вечернее время освещается только часть фотоприемника, и образуются полосы затенения фотоприемника - п, а часть солнечных лучей - т проходит мимо него (рис.2.23).
Прохождение падающих солнечных лучей - 3 на концентрирующую систему - 1, с солнечными элементами -2; п - площадь затенения концентрирующей системы; т- площадь проскока солнечных лучей
Соответственно напряжение, генерируемое каждым из элементов цепочки, различаются и формула (2.20) становится приближенной, а при существенно различающихся уровнях освещенности элементов и неприменимой далее для приближенных оценок. С другой стороны, и в условиях одинаковой освещенности фототоки ф, генерируемые элементами, различаются, что так же приводит к некорректности (2.20). Аналогичная ситуация создается и в отношении мощности, снимаемой с цепочки, потери мощности на последовательном сопротивлении растут пропорционально квадрату тока.
Для обеспечения необходимой мощности солнечная батарея собирается из параллельно соединенных цепочек солнечных элементов. Для решения этого вопроса предлагается упрощенная процедура [25]. Она заключается в следующем. При параллельном соединении элементов напряжение на них считается равным напряжению, генерируемому наименее облученным элементом. При последовательном соединении параллельных секций ток определяется наихудшей секцией. Исходя из этих правил, ведется суммирование токов и напряжений и вычисляется полная мощность солнечной батареи.
Подводя итог изложенному, можно сказать, что анализ параллельного соединения, основанный на правилах Кирхгофа без дополнительных предположений, исходящих из особенностей солнечных элементов физического свойства, возможен только численными методами. Причем анализируемые уравнения оказываются достаточно громоздкими. В частности поэтому оценивают отдаваемую группой мощность по упрощенной методике [25]. Считается, что напряжение на группе определяется напряжением на наиболее затененном элементе, а ток, отдаваемый группой в нагрузку, равен току, отдаваемому в условиях отсутствия затенения.
Для повышения КПД концентрирующей системы и выработки электроэнергии нами предлагается фотоприемник изготавливать в виде групп СЭ, по следовательно соединенных между собой. Группы соединены между собой параллельно (рис. 2.24). Тогда при больших значениях азимутного угла часть группы СЭ будет работать в утреннее время, часть в вечернее время, а днем работают все солнечные элементы.
Общие принципы создания глобальной солнечной электростанции
Экваториальная энергетическая линия, а также широтная энергетическая линия Лиссабон - Владивосток будет замкнута через Тихий и Атлантический океан, Северную и Центральную Америку. Сеть меридиальных и широтных энергетических линий образуют объединенную энергетическую Систему Земли.
Было проведено компьютерное моделирование параметров глобальной солнечной энергетической системы, состоящей из солнечных энергосистем, расположенных в России, в странах Афро-Евразийского континента, а также в Австралии, Африке и Латинской Америке, соединенных линией электропередач с малыми потерями. При моделировании использовались данные по солнечной радиации за весь период наблюдений. КПД СЭС принимался равным 20%. В разработке использовались программы расчетов к.т.н. Иродионова А.Е. (ВИЭСХ).
Подключение к существующей энергосистеме мощных солнечных электростанций может серьезно усложнить задачу согласования режимов выработки и потребления энергии - одну из важнейших задач при проектировании и эксплуатации надежной и эффективной системы электроснабжения. Действительно, выходная мощность солнечных электростанций может меняться очень динамично и, в значительной степени, непредсказуемо для диспетчерской службы распределительной сети. Если доля солнечных станций в энергосистеме велика, то такие колебания мощности будет трудно компенсировать, что может привести к ряду негативных последствий, как для генераторов энергосистемы, так и для нагрузки. Считается, что установленная мощность солнечных электростанций в пиковом режиме работы энергосистемы не должна превышать 10 - 15 % от общей установленной мощности электростанций региональной энергосистемы [78]. При этих условиях колебания мощности солнечных электростанций не оказывают заметного влияния на качество электроснабжения.
Предлагаемая энергосистема позволяет не ограничивать долю установленной мощности, а создать глобальную энергосистему, в которой основную роль будут играть фотоэлектрические станции.
Развивающиеся страны по сравнению со странами Европы и Северной Америки имеют в 1,5 - 3 раза больше солнечной энергии, поступающей на единицу площади территории В третьем тысячелетии развивающие страны смогут использовать сезонное изменение солнечной энергии и в зимние месяцы продавать электроэнергию, полученную от солнечных электростанций, в Северные страны, где солнечная энергия имеется в изобилии только с марта по сентябрь. Для этого необходимо организовать потоки электроэнергии в меридиональном направлении. Электроэнергетические потоки в широтном направлении Запад-Восток дают возможность использовать суточное изменение солнечной энергии, связанное с вращением Земли вокруг своей оси.
Согласно компьютерному моделированию ГСЭС представляет собой сеть солнечных электростанций и электростанций, использующих другие возобновляемые источники энергии, соединенные между собой и с потребителями энергии линиями передач электрической энергии таким образом, что энергетическая система содержит базовые солнечные электростанции одинаковой мощности, которые установлены в широтном направлении в Африке, в Северной Америке, в Европе и Азии на одинаковом угловом расстоянии друг от друга по долготе, в градусах равном п , (4.1) где п = 2, 3, 4, 5, 6 - количество базовых солнечных электростанций [79]. Расстояние ежду соседними солнечными станциями в градусах долготы не 1 1 "2 ч 2 , где 111 и Ьг - длительности светового дня на широтах станций, выраженные в часах. Для круглогодичной непрерывной работы - это продолжительности светового дня в день зимнего солнцестояния. более
Система контроля и управления включает геостационарные спутники наблюдения за облачным покровом и прогнозирования выходной мощности солнечных электростанций и исполнительные устройства для запуска резервных электростанций с разными маневренными и мощностными характеристиками для покрытия графика нагрузок энергосистемы.
Уникальные географические условия России позволяют в пределах одной страны создать солнечную энергосистему с круглосуточным и достаточно равномерным производством электроэнергии в летний период. Летом Солнце над Россией не заходит, и подобная энергосистема производит энергию круглые сутки - Солнце последовательно освещает подстанции.
На рис.4.1 представлена схема размещения двух солнечных станций национальной энергосистемы. Одна из станций расположена на Чукотке вблизи поселка Уэлен под 66 с.ш. и 178 з.д., вторая - в Псковской области в точке с координатами 5730 с.ш. и 28 в.д. Вероятная потребность Российской Федерации в электроэнергии к 2010 году может составить 1100 ТВтч/год. Система, обеспечивающая с марта по август месячную выработку на уровне 85-145 ТВтч, может состоять из двух рав- номощных станций по 0.3 ТВт. На рис. 4.2 представлен средний суточный ход мощности такой энергосистемы.
В качестве исходных данных для расчета использованы средние многолетние значения (период осреднения не менее 10 лет) инсоляции в местах расположения электростанций. Расчет выполнен для солнечных станций со слежением за Солнцем вокруг полярной оси.
