|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Сонячна електростанція. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Сонячна електростанція - інженерна споруда, яка перетворює сонячну радіацію в електричну енергію. Способи перетворення сонячної радіації є різними і залежать від конструкції електростанції.
Сонячне випромінювання - екологічно чисте та відновлюване джерело енергії. Запаси сонячної енергії величезні. На початку XXI століття людство розробило та освоїло низку принципів перетворення теплової енергії на електричну. Їх можна умовно поділити на машинні та безмашинні методи. Останні часто називають методами прямого перетворення енергії, оскільки в них відсутня стадія перетворення теплової енергії на механічну роботу. Серед машинних перетворювачів найбільш відомі паро- та газотурбінні установки, що працюють на всіх наземних теплових та атомних електростанціях. Принципова схема замкнутої газотурбінної установки має такий вигляд. Сонячна радіація, зібрана концентратором на поверхні сонячного котла, нагріває робоче тіло - інертний газ до температур близько 1200-1500 градусів Кельвіна і під тиском, що створюється компресором, подає гарячий газ на лопатки газової турбіни, яка приводить в дію електрогенератор змінного струму. Газ, що відпрацював у турбіні, надходить спочатку в регенератор, де підігріває робочий газ після компресора. Тим самим полегшує роботу основного нагрівача - сонячного котла. Потім газ охолоджується у холодильнику-випромінювачі. Випробування трикіловатної газотурбінної установки, проведені в 1977 році на п'ятиметровому фацетному параболічному концентраторі у Фізико-технічному інституті Академії наук Узбекистану, показали, що установки такого типу дуже маневрені. Вихід на номінальні обороти становив трохи більше хвилини з моменту наведення сонячної плями на порожнину циліндричного котла. Коефіцієнт корисної дії цієї установки – 11 відсотків. В енергоустановці з паротурбінним перетворювачем зібрана концентратором сонячна енергія нагріває в сонячному котлі робочу рідину, що переходить у насичену, а потім і перегріту пару, який розширюється в турбіні, з'єднаній з електрогенератором. Після конденсації в холодильнику-випромінювачі пари, що відпрацював у турбіні, його конденсат, що стискається насосом, знову надходить у котел. Оскільки підведення та відведення тепла в цій установці здійснюються ізотермічно, середні температури підведення та відведення виявляються вищими, ніж у газотурбінній установці, а питомі площі випромінювача та концентратора можуть виявитися меншими. У подібної установки, що працює на органічному робочому тілі, коефіцієнт корисної дії становить 15-20 відсотків за порівняно невисоких температур підведення тепла - всього 600-650 градусів Кельвіна. Принципова схема замкнутої газотурбінної установки (ЗГТУ) показана на малюнку Тут сонячна радіація, зібрана концентратором 1 на поверхні сонячного котла 2, нагріває робоче тіло - інертний газ до температур порядку 1200-1500 К і під тиском, що створюється компресором 3, подає гарячий газової турбіни 4, що приводить в дію електрогенератор змінного струму 5. Газ, що відпрацював у турбіні, надходить спочатку в регенератор 6, де підігріває робочий газ після компресора, полегшуючи тим самим роботу основного нагрівача - сонячного котла, а потім охолоджується в холодильнику - випромінювачі 7. Як показали наземні випробування трикіловатної газотурбінної установки, проведені в 1977 році на п'ятиметровому фацетному параболічному концентраторі в Фізико-технічному інституті АН Узбекистану, установки такого типу дуже маневренні, вихід на номінальні обороти (36000 об/хв) займав не більше 1 хв з моменту наведення порожнину циліндричного казана. ККД цієї установки становив 11%. Може здатися, що для сонячних енергоустановок, що використовують безкоштовну енергію, величина ККД не така істотна, як для традиційних теплових машин на органічному паливі. Однак це не так, бо розміри та вага найбільш громіздких і важких частин сонячних космічних енергоустановок – концентратора та холодильника – випромінювача – залежать передусім від ККД установки. Можливе створення енергоустановки з паротурбінним перетворювачем. Перетворення сонячної радіації на електричний струм
Тут зібрана концентратором 1 сонячна енергія нагріває в сонячному котлі 2 робочу рідину, що переходить в насичений, а потім і в перегріту пару, який розширюється в турбіні 4, що з'єднує з електрогенератором 5. Після конденсації в холодильнику-випромінювачі 7 відпрацьованого в турбіні стискається насосом 8, знову надходить у котел. Оскільки підведення та відведення тепла в цій установці здійснюються ізотермічно, середні температури підведення та відведення виявляються вищими, ніж у газотурбінній установці (при однакових температурах підведення тепла), а питомі площі випромінювача та концентратора можуть виявитися меншими, ніж у ЗГТУ. Від багатьох недоліків, властивих машинним перетворювачам, вільні енергоустановки з так званими безмашинними перетворювачами: термоелектричними, термоемісійними та фотоелектричними, що безпосередньо перетворюють енергію сонячного випромінювання електричний струм. "Термоелектрогенератори засновані на відкритому в 1821 році німецьким фізиком Т.І. Зеєбеком термоелектричному ефекті, що полягає у виникненні на кінцях двох різнорідних провідників термо-ЕРС, якщо кінці цих провідників знаходяться при різній температурі, - пише в "Соросівському освітньому журналі" Л.М. Драбкін - Відкритий ефект спочатку використовувався в термометрії для вимірювання температур. Енергетичний ККД таких пристроїв - термопар, що має на увазі відношення електричної потужності, що виділяється на навантаженні, до підведеного тепла, становив частки відсотка. Лише після того, як академік О.Ф. Йоффе запропонував використовувати для виготовлення термоелементів замість металів напівпровідники, стало можливим енергетичне використання термоелектричного ефекту, і в 1940-1941 роках у Ленінградському фізико-технічному інституті було створено перший у світі напівпровідниковий термоелектрогенератор. Працями та його школи у 40-50-ті роки було розроблено і теорію термоелектричного ефекту в напівпровідниках, а також синтезовано дуже ефективні (до цього дня) термоелектричні матеріали”. Поєднуючи між собою окремі термоелементи, можна створювати досить потужні термобатареї. Електростанція потужністю 10 ГВт може важити до 200 тисяч тонн. Зниження ваги енергоустановки пов'язане з підвищенням коефіцієнта корисної дії перетворення сонячної енергії в електрику. Цього можна досягти двома шляхами: збільшенням термічного коефіцієнта корисної дії перетворювача та зниженням незворотних втрат енергії у всіх елементах енергоустановки. У першому випадку концентроване випромінювання дозволяє одержувати дуже високі температури. Але одночасно при цьому дуже зростають вимоги до точності систем стеження за Сонцем, що для величезних за розмірами систем, що концентрують, малоймовірно. Тому зусилля дослідників незмінно спрямовувалися зниження незворотних втрат. Вони спробували зменшити перетікання тепла з гарячих спаїв на холодні теплопровідністю. Для вирішення цього завдання потрібно домогтися збільшення добротності напівпровідникових матеріалів. Однак після багаторічних спроб синтезувати напівпровідникові матеріали з високою добротністю стало зрозуміло, що досягнута сьогодні величина є граничною. Тоді виникла ідея розділити гарячий і холодний спаї повітряним проміжком, подібно до двоелектродної лампи - діода. Якщо в такій лампі розігрівати один електрод – катод і при цьому охолоджувати інший електрод – анод, то у зовнішньому електричному ланцюзі виникне постійний струм. Вперше це явище спостерігав у 1883 Томас Едісон. "Відкрите Едісоном явище отримало назву термоелектронної емісії, - пише Л.М. Драбкін. - Подібно до термоелектрики воно довгий час застосовувалося в техніці слабких струмів. Пізніше вчені звернули увагу на можливості використання методу для перетворення тепла в електрику. І хоча природа у термоелектриці емісії різна, але висловлювання для ККД вони однакові. Головні складові незворотних втрат у ТЕП пов'язані з неізотермічним характером підведення та відведення тепла на катоді та аноді, перетіканням тепла з катода на анод по елементах конструкції ТЕП, а також з омічними втратами в елементах послідовного з'єднання окремих модулів. Для досягнення високих ККД циклу Карно сучасні ТЕП створюють на робочі температури катодів 1700-1900 К, що при температурах анодів, що охолоджуються, порядку 700 К дозволяє отримувати ККД порядку 10 відсотків. Таким чином, завдяки зниженню незворотних втрат у самому перетворювачі і при одночасному підвищенні температури підведення тепла ККД ТЕП виявляється удвічі вищим, ніж у описаного вище ТЕГ, але при істотно більш високих температурах підведення тепла".
Тепер розглянемо фотоелектричний спосіб перетворення енергії. У сонячних батареях використовується явище зовнішнього фотоефекту, що виявляється на pn-переході напівпровіднику при освітленні його світлом. Створюють pn (або np)-перехід шляхом введення монокристалічний напівпровідниковий матеріал-базу домішки з протилежним знаком провідності. При попаданні на pn-перехід сонячного випромінювання відбувається збудження електронів валентної зони та утворюється електричний струм у зовнішньому ланцюзі. Коефіцієнт корисної дії сучасних сонячних батарей сягає 13-15 відсотків.
Сонячні електростанції мають одну, але дуже суттєву проблему. Отримувати та використовувати "чисту" сонячну енергію на поверхні Землі заважає атмосфера. А якщо розмістити сонячні енергостанції в космосі, на навколоземній орбіті. Там не буде атмосферних перешкод, невагомість дозволить створювати багатокілометрові конструкції, які необхідні для "збирання" енергії Сонця. Такі станції мають велику гідність. Перетворення одного виду енергії в інший неминуче супроводжується виділенням тепла, і скидання його в космос дозволить запобігти небезпечному перегріванню земної атмосфери. Як насправді виглядатимуть сонячні космічні електростанції, сьогодні точно сказати не можна, хоча проектування подібних електростанцій конструктори почали ще наприкінці 1960-х років. Будь-який варіант проекту сонячної космічної електростанції передбачає, що це величезна споруда. Навіть найменша космічна електростанція має важити десятки тисяч тонн. І цю величезну масу потрібно буде запустити на віддалену від Землі орбіту.
Сучасні засоби виведення можуть доставити на низьку - опорну - орбіту необхідну кількість блоків, вузлів і панелей сонячних батарей. Щоб зменшити масу величезних дзеркал, що концентрують сонячне світло, можна робити їх із найтоншої дзеркальної плівки, наприклад, у вигляді надувних конструкцій. Зібрані фрагменти сонячної космічної електричної станції потрібно доставити високу орбіту і з'єднати там. А долетіти до "місця роботи" секція сонячної електростанції зможе своїм ходом, варто лише встановити на ній електроракетні двигуни малої тяги. Але це у майбутньому. Поки що сонячні батареї з успіхом живлять космічні станції. Автор: Муський С.А.
▪ Скануючий зондовий мікроскоп ▪ трактор
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Літієві батареї Fanso для експлуатації у вибухонебезпечних зонах ▪ Розпочато серійний випуск фазової пам'яті ▪ Нанорезонатор допоможе відбивати в 10000 разів більше світла.
▪ розділ сайту Музиканту. Добірка статей ▪ стаття Пісня піснею. Крилатий вислів ▪ стаття Що таке Золоте століття? Детальна відповідь ▪ стаття Римський коріандр. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Вхідний підсилювач-формувач частотоміра. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page