Пряме перетворення сонячної енергії на електрику. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Альтернативні джерела енергії

 Коментарі до статті

Від недоліків, властивих машинним перетворювачам, певною мірою вільні енергоустановки з так званими безмашинними перетворювачами: термоелектричними, термоемісійними та фотоелектричними (сонячні батареї), що безпосередньо перетворюють енергію сонячного випромінювання електричний струм.

Термоелектричний метод

Термоелектрогенератори (ТЕГ) засновані на відкритому в 1821 німецьким фізиком Т.І. Зеєбеком термоелектричному ефект, що полягає у виникненні на кінцях двох різнорідних провідників термо-ЕРС, якщо кінці цих провідників знаходяться при різній температурі.

Відкритий ефект спочатку використовувався 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. У 40-50-ті роки було розроблено теорію термоелектричного ефекту в напівпровідниках, і навіть синтезовано дуже ефективні (донині) термоелектричні матеріали. Відповідно до розробленої теорії, вираз ККД ТЕГ дає формула:

, Де

z - добротність напівпровідникового матеріалу, 1/К; Т_Г - температура гарячого спаю термоелемента, К; Т_Х - температура холодного спаю, К; Т_СР - середня температура гілки термоелемента, К,

М – критерій Іоффе, a – наведена диференціальна термо-ЕРС гілок термоелементів, мкВ/К; s, l-наведені електропровідність та теплопровідність гілок термоелементів відповідно в 1/(Ом м) та Вт/(м•К).

Має сенс зупинитися на наведеній формулі для ККД, оскільки вона характеризує ефективність як термоелектрогенераторів, а й інших пристроїв прямого перетворення енергії. Привертає увагу той факт, що ККД ТЕГ залежить від тих самих факторів, що ККД будь-якої теплової машини: термічного ККД оборотного циклу Карно (перший множник у формулі) і коефіцієнта незворотних втрат енергії (другий співмножник). У ТЕГ внутрішні незворотні втрати пов'язані головним чином з перетіканням тепла за позитивною 3 і негативною 4 гілкам від гарячих 1 (рис. 3,а) до холодних 5 спаїв (спаї, що виконуються зазвичай з міді, відокремлюють від гілок антидифузійними шарами 2 (рис. 3). а)). Як випливає з формули, незворотні втрати тим нижчі, чим вища добротність використовуваних матеріалів. Однак теорія та багаторічна практика показали, що величина добротності порядку 3 • 10-3 1/град є, мабуть, її граничним значенням.

Рис.3. Схема термоелектричного перетворювача: а – окремий термоелемент, б – термоелектричний модуль на концентраторі

Поєднуючи між собою окремі термоелементи, можна створити досить потужні термобатареї, одна з яких показана на рис. 3,б. Батарея розміщена у фокальній площині концентратора 3; її гарячі спаї 1 безпосередньо обігріваються сонячною концентрованою радіацією, а відведення тепла від холодних спаїв 2 здійснюється випромінюванням. Є енергетичні характеристики космічної енергоустановки, подібної до показаної на рис. 3 б, але без концентратора. Очікувана питома вага до 50 Вт/кг. Це означає, що електростанція потужністю 10 ГВт може важити до 200 тис. т.

Зниження ваги енергоустановки безпосередньо пов'язане з підвищенням ККД перетворення сонячної енергії в електрику, чого, як видно з формули, можна досягти двома шляхами: збільшенням термічного ККД перетворювача (ККД циклу Карно) і зрідженням незворотних втрат енергії у всіх елементах енергоустановки. Перший шлях у принципі можливий, оскільки концентроване випромінювання дає змогу отримувати дуже високі температури. Однак при цьому дуже зростають вимоги до точності систем стеження за Сонцем, що для величезних за розмірами систем, що концентрують, навряд чи досяжно. Тому зусилля дослідників незмінно спрямовувалися зниження незворотних втрат, насамперед зменшення перетікання тепла гарячих спаїв на холодні теплопровідністю. Для вирішення цього завдання потрібно домогтися збільшення добротності напівпровідникових матеріалів.

Однак, як уже говорилося, після багаторічних спроб синтезувати напівпровідникові матеріали з високою добротністю стало зрозуміло, що досягнута величина (2,5-2,7) 105 є граничною величиною. Тоді при продовженні пошуку нових шляхів зниження перетікання тепла і виникла ідея розділити гарячий та холодний спаї повітряним проміжком, як це має місце у двоелектродній лампі – діоді. Якщо в такій лампі розігрівати один електрод – катод 1 (рис. 4) і при цьому охолоджувати інший електрод – анод 2, то у зовнішньому електричному ланцюзі виникає постійний струм.

Рис.4. Принципова схема термоемісійного перетворювача

Термоемісійний перетворювач (ТЕП)

Відкрите Едісоном явище отримало назву термоелектронної емісії. Подібно до термоелектрики, воно тривалий час застосовувалося в техніці слабких струмів. Пізніше вчені звернули увагу на можливості використання методу перетворення тепла в електрику. І хоча природа у термоелектрики та термоелектронної емісії різна, але вирази для ККД у них однакові:

де h_к - ККД оборотного циклу Карно; h_необр. - Коефіцієнт, що враховує незворотні втрати в термоемісійному (термоелектричному) перетворювачі.

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%. 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. Для отримання таких температур поверхонь катодів на геосинхронній орбіті точність орієнтації на Сонці концентратора ТЕП повинна знаходитися в межах 6-8°, що при теплових потужностях СКЕС в 10 - 20 ГВт і відповідних площах концентраторів може стати, як зазначалося вище, серйозною технічною проблемою.

Цілком можливо, що зазначені обставини відіграли не останню роль у виборі фотоелектричного методу перетворення сонячної енергії у бортових системах електроживлення перших та наступних поколінь космічних апаратів.

Фотоелектричний метод перетворення енергії

Сонячна батарея (рис. 5) заснована на явищі зовнішнього фотоефекту, що проявляється на р-n переході в напівпровіднику при освітленні його світлом. Створюють р-n (або np) - перехід введенням монокристалічний напівпровідниковий матеріал-базу домішки з протилежним знаком провідності. Наприклад, кремній вводять алюміній або літій. В результаті при попаданні на р-n-перехід сонячного випромінювання відбувається збудження електронів валентної зони та утворюється електричний струм у зовнішньому ланцюзі. ККД сучасних сонячних батарей сягає 13-15%.

Рис.5. Схема сонячної батареї: 1 – сонячний елемент, 2 – захисне скло, 3 – комутаційна шина, 4 – підкладка

Найбільш перспективним створення перетворювачів СКЕС ультратонкі сонячні елементи, мають ККД близько 15% при питомих характеристиках 1 кВт/м2 і 200 Вт/кг. При використанні як перетворювач СКЕС потужністю 10 ГВт цих сонячних батарей їх площа склала б 50км2 при вазі 10 тис.т.

Дивіться інші статті розділу Альтернативні джерела енергії.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих ​​для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву Озоновий шар відновлюється 31.10.2018 У доповіді Всесвітньої метеорологічної організації (ВМО) стверджується, що дії, вжиті в рамках Монреальського протоколу, призвели до скорочення обсягу речовин, що руйнують озоновий шар в атмосфері. Наразі він відновлюється зі швидкістю 1-3% у десять років, повідомляється на сайті ООН. Якщо темпи збережуться, озоновий шар має повністю відновитися над Північною півкулею до 2030 року, над Південною півкулею – до 2050 та над полюсами – до 2060 року. Монреальський протокол, підписаний 16 вересня 1987 року, забороняє виробництво та продаж небезпечних речовин, що виснажують озоновий шар. Озон захищає землю від ультрафіолетового випромінювання, яке є основною причиною меланоми та інших ракових захворювань шкіри. У ЮНЕП (Програма ООН з навколишнього середовища) вважають, що належна реалізація Монреальського протоколу допоможе до 2030 року запобігти 2 млн. випадків раку шкіри.

Інші цікаві новини:

▪ NCP4589 - LDO-регулятор з автоматичним енергозбереженням

▪ Виробництво супералмазів

▪ ТБ для мобільників: очікується божевільне зростання

▪ Безпілотний космічний корабель-фабрика

▪ Квантова батарея, що швидко заряджається.

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Регулятори потужності, термометри, термостабілізатори. Добірка статей

▪ стаття Нотаріат. Шпаргалка

▪ статья Якою комахою насправді є бабка з байки Крилова? Детальна відповідь

▪ стаття Бізнес-менеджер. Посадова інструкція

▪ стаття Індикатор поля. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Нідерландські прислів'я та приказки. Велика добірка

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024