Солнечная электростанция представляет собой комплекс, преобразующий энергию солнечного излучения непосредственно в электричество. Идея создания промышленных объектов такого рода была впервые предложена в 1930-х годах советским инженером Н. В. Линицким. Он разработал концепцию станции башенного типа с центральным приемником, на который солнечный свет должны были направлять управляемые плоские отражатели (гелиостаты). Чтобы избежать затенения, приемник размещался на возвышении, а по своим характеристикам он был аналогичен традиционному паровому котлу.
Башенные электростанции
Для электростанций этого типа оптимальным решением является использование турбогенераторов мощностью около 100 МВт. Необходимая для работы высокая концентрация солнечной энергии достигается за счет поля гелиостатов. Важной особенностью таких станций является необходимость оснащения их системами тепловых аккумуляторов, которые обеспечивают непрерывную работу в периоды отсутствия солнца. Первые практические реализации этой идеи появились в США, где с 1982 года было построено несколько подобных объектов.
Концентраторные солнечные электростанции
Сегодня более широкое распространение получили концентраторные солнечные электростанции. Среди них можно выделить два основных конструктивных направления.
Параболоцентрические концентраторы
Эти установки используют зеркала в форме параболы, вытянутой вдоль прямой линии. Они фокусируют солнечное излучение в линию, создавая многократную концентрацию. В фокусе размещается трубка с теплоносителем (например, маслом) или фотоэлектрический элемент. Теплоноситель может нагреваться до 400 °C. Зеркала длиной до 50 метров ориентируются по оси север-юг и собираются в ряды. Для выработки электроэнергии нагретый теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор, а затем в паротурбинный генератор. Классическим примером являются девять электростанций в Калифорнии (1984–1991 гг.) общей мощностью 354 МВт. Электроэнергия, полученная таким способом, оказалась на 20% дешевле, чем от станций башенного типа.
Параболические концентраторы
Этот тип напоминает спутниковую тарелку и управляется по двум осям, фокусируя энергию на очень небольшой площади с КПД зеркал около 90%. В фокусе может размещаться либо двигатель Стирлинга (с водородом или гелием в качестве рабочего тела), либо фотоэлектрические элементы. Американская компания «Stirling Solar Energy» разрабатывает крупные коллекторы такого типа. Мощность одной электростанции на параболических концентраторах с двигателем Стирлинга может достигать 150 кВт, а стоимость вырабатываемой энергии, по оценкам, в три раза ниже, чем у башенных аналогов. Компания также вела строительство крупнейшей в мире станции, которая к 2010 году должна была состоять из более чем 20 000 коллекторов диаметром 11 метров.
Требования к фотоэлектрическим системам
В солнечных электростанциях могут применяться различные фотоэлектрические преобразователи на базе полупроводниковых материалов. Однако все они должны соответствовать ряду критически важных требований для масштабных систем:
1) Надежность и долговечность: Системы должны быть рассчитаны на многолетнюю эксплуатацию (десятки лет).
2) Доступность материалов: Сырье для массового производства должно быть легкодоступным.
3) Короткий срок окупаемости: Энергозатраты на производство должны быстро компенсироваться.
4) Минимизация эксплуатационных расходов (для космических станций): Затраты на ориентацию, стабилизацию на орбите и передачу энергии должны быть сведены к минимуму.
5) Удобство обслуживания: Особенно важно для станций на околоземной или иной орбите.
Соблюдение этих условий необходимо, потому что многие высокоэффективные современные преобразователи создаются по сложным технологиям с использованием дефицитного или искусственно синтезированного сырья, что препятствует их массовому внедрению. Ключом к снижению стоимости является переход на автоматизированное производство, например, с использованием ленточных технологий. Это может уменьшить себестоимость солнечных модулей в 2–3 раза.
На сегодняшний день наиболее перспективными материалами для фотоэлектрических преобразователей, с точки зрения развития полупроводниковой промышленности, считаются кремний и арсенид галия.