В основу работы тепловых СЭС положен принцип концентрации энергии солнечных лучей на теплоприемнике, наполненном теплоносителем, и преобразования её в тепловую энергию. Температура теплоносителя может составлять от 200 до 1000 °С (зависит от конструктивных особенностей СЭС). Тепловая энергия (как и в обычных ТЭС) преобразовывается в электрическую с помощью газовой или паровой турбины. Существуют типовые проекты, в которых накопленная энергия используется для других промышленных процессов: опреснение воды, охлаждение или производство водорода и т.п. Рассмотрим с физической точки зрения сущность процессов преобразования, происходящих на термодинамических СЭС.

Процесс получения электроэнергии из солнечной энергии происходит в два этапа. Первый этап – это фототермическое преобразование. Происходит поглощение солнечного излучения в коллекторе, а впоследствии нагрев теплоносителя или рабочего тела. Он протекает непосредственно в коллекторе или в теплообменнике, предусмотренном конструкцией СЭС. В качестве теплоносителя используется водяной пар или пары органических веществ (например, фреон). Второй этап – преобразование тепловой энергии в электрическую. Этот этап происходит в тепловом двигателе, который приводится в движение разогретым рабочим телом. На практике используются две принципиально отличающиеся схемы тепловых СЭС.

Первая схема предусматривает использование двухконтурной компоновки. В первом контуре происходит нагрев теплоносителя в теплообменнике (коллекторе), который попадает в аккумулирующую систему. Теплоноситель первого контура в аккумулирующей среде («буфер» в системе теплоприемник-нагреватель рабочего тела) выполняет роль источника тепла для второго (рабочего контура), рабочее тело которого вращает турбины теплового двигателя.

Вторая схема тепловой СЭС – одноконтурная. Контур теплоносителя выполняет функции рабочего контура. В солнечном теплоприемнике происходит нагрев рабочего тела. Теплоноситель частично попадает непосредственно на вход теплового двигателя, частично – в аккумулятор (если предусмотрено конструкцией).

Все существующие термодинамические СЭС для достижения высоких температур теплоносителей используют концентраторы, которые отражают солнечные излучения с большой зеркальной поверхности на меньшую поверхность коллектора (приемника). Основные элементы тепловых СЭС – концентратор, коллектор, тепловой аккумулятор (ТА), система передачи энергии, система слежения за солнцем (трекер).

За улавливание и отражение солнечных лучей отвечает солнечный концентратор, а за преобразование энергии солнца в тепловую – приемник. В качестве концентраторов на практике ранее использовали различные оптические элементы – зеркала, световоды, линзы и т .п. В процессе эксплуатации выяснили, что при высоком уровне мощности концентрируемого излучения целесообразно в роли концентратора применять только зеркальные отражатели. Основной параметр концентраторов солнечного излучения – коэффициент концентрации. Он отображает отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, который попадает на отражающую поверхность (при условии точной ориентации на Солнце).

Аккумуляторы теплоты и система автоматического слежения за Солнцем – элементы тепловой СЭС, увеличивающие эффективность работы всей системы. Главный недостаток, который присущ всем солнечным установкам и СЭС, — периодичность работы, связанная с отсутствием солнечного излучения (из-за погоды или времени дня/года). Конструктивно решить эту проблему помогает установка дополнительных концентраторов. Полученная ранним утром (или в часы низкого потребления электроэнергии) энергия может накапливаться в специальных аккумуляторах. Запасенная в ТА энергия используется для получения электроэнергии при пиковых нагрузках и в часы, когда прекращается поступление тепла от концентраторов. Возможность накапливать и хранить тепловую энергию ночью или в сумерки – преимущество тепловой СЭС над электростанциями, на которых применен фотоэлектрический метод преобразования энергии.

Как показывает опыт, доукомплектация тепловых СЭС тепловыми аккумуляторами, основанными на использовании расплавленной соли (аккумулирующее тепло вещество), значительно повышает коэффициент установленной мощности электростанции (количество электроэнергии, которую произвела тепловая СЭС за один год). Наличие ТА увеличило маневренность и надежность СЭС, улучшило экономические показатели.

Для постепенного внедрения тепловых СЭС, а также для устранения недостатка СЭС – зависимости выработки электроэнергии от Солнца – внедряют гибридизацию электростанции. Гибридизация электростанции – использование для производства электричества на одной электростанции нескольких источников энергии (например, энергии Солнца и ветра, Солнца и Земли и т. п.). Отличный вариант внедрения тепловых СЭС реализовали в США. Они интегрировали её в состав инфраструктуры существующей ТЭЦ. Для производства электроэнергии используется одна турбина-генератор. Неравномерность выходной мощности тепловой СЭС компенсируется сжиганием газа.

Концентраторы так устроены, что могут фокусировать исключительно прямое солнечное излучение. Существенно снижает эффективность облачная и туманная погода. Лучшие показатели КПД имеют СЭС в местности с высоким уровнем инсоляции. Примером такого региона служат экваториальные или пустынные районы. Чтобы лучше использовать солнечное излучение, необходимо обеспечить ориентацию солнечных концентраторов в направлении Солнца. Для реализации этой технологической задачи на практике концентраторы оснащают специальными следящими системами – трекерами. Они поворачивают отражатель концентратора согласно заложенному в контроллере алгоритму. Следящие системы различают одноосные и двухосные. Двухосные имеют два привода, один из них разворачивает концентратор в горизонтальной плоскости, а второй – в вертикальной. Одноосная система поворачивает концентратор только с запада на восток.

Существует два разных принципа концентрации солнечного излучения на тепловых СЭС:

• Применение большого количества рассредоточенных на большой территории концентраторов, на каждом из которых расположен свой коллектор (модульный тип СЭС);
• Применение большого количества гелиостатов (концентраторов), которые отражают солнечное излучение на центральную башню с приемником (башенный тип СЭС).

СЭС башенного типа – это целое «поле» концентраторов и один приемник солнечной энергии, который расположен наверху башни. Высота башни может достигать 30 метров. На её верхней отметке установлен резервуар, изготовленный из жаропрочного металла, с теплоносителем. Нагретый теплоноситель через систему насосов (и возможно через ТА) попадает на турбины.

СЭС модульного типа состоит из отдельных модулей, объединенных в одну систему электростанции. Каждый модуль включает в себя параболический (или цилиндрический) концентратор и теплоприемник, который располагают в фокусе концентратора (внешне может напоминать спутниковую антенну).

Благодаря тепловым СЭС вторую жизнь получили двигатели Стирлинга, разработанные в далеком 1816 году. На модульных СЭС его применяют в качестве приемника электроэнергии в фокусе зеркал (вместо емкости с рабочим телом).

Тепловые СЭС согласно конструктивным особенностям могут быть башенными, тарельчатыми, на двигателе Стирлинга, на параболоцилиндрических концентраторах.

Параболоцилиндрические и башенные СЭС хорошо себя зарекомендовали исключительно в роли крупных, соединенных с электросетью электростанции мощностью 30-200 МВт. Системы тарельчатого вида благодаря модульной конструкции применяются и как автономные установки, и как группа модулей общей мощностью до нескольких десятков мегаватт.

Тепловые солнечные электростанции благодаря гибридизации, внедрению новых материалов, усовершенствованию технологий, возможности аккумулировать тепло становятся устойчивым и надежным источником электроэнергии.

Для размещения тепловых ТЭС лучше всего подходят экваториальные засушливые и пустынные территории. Украина хоть и не может похвастаться подобными зонами, зато в нашей стране действует зеленый тариф на электроэнергию, который стимулирует как внутренних, так и внешних инвесторов вкладывать деньги в развитие этой отрасли. В качестве «передовика» строительства тепловых СЭС выступает Херсонская область, так как обладает одним из лучших показателей годовой инсоляции в стране.