Бесплатная техническая библиотека

Солнечная электростанция. История изобретения и производства

Справочник / История техники, технологии, предметов вокруг нас

 Комментарии к статье

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

Солнечная электростанция

Солнечное излучение - экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны. К началу XXI века человечество разработало и освоило ряд принципов преобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно условно разделить на машинные и безмашинные методы. Последние часто называют методами прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Среди машинных преобразователей наиболее известны паро- и газотурбинные установки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях.

Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки выглядит так. Солнечная радиация, собранная концентратором на поверхности солнечного котла, нагревает рабочее тело - инертный газ до температур порядка 1200-1500 градусов Кельвина и под давлением, создаваемым компрессором, подает горячий газ на лопатки газовой турбины, которая приводит в действие электрогенератор переменного тока. Отработавший в турбине газ поступает сначала в регенератор, где подогревает рабочий газ после компрессора. Тем самым он облегчает работу основного нагревателя - солнечного котла. Затем газ охлаждается в холодильнике-излучателе.

Испытания трехкиловаттной газотурбинной установки, проведенные в 1977 году на пятиметровом фацетном параболическом концентраторе в Физико-техническом институте Академии наук Узбекистана, показали, что установки такого типа весьма маневренны. Выход на номинальные обороты составлял не более минуты с момента наведения солнечного пятна на полость цилиндрического котла. Коэффициент полезного действия этой установки - 11 процентов.

В энергоустановке с паротурбинным преобразователем собранная концентратором солнечная энергия нагревает в солнечном котле рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине, соединенной с электрогенератором. После конденсации в холодильнике-излучателе отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке, а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше. У подобной установки, работающей на органическом рабочем теле, коэффициент полезного действия составляет 15-20 процентов при сравнительно невысоких температурах подвода тепла - всего 600-650 градусов Кельвина.

Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки (ЗГТУ) показана на рисунке Здесь солнечная радиация, собранная концентратором 1 на поверхности солнечного котла 2, нагревает рабочее тело - инертный газ до температур порядка 1200-1500 К и под давлением, создаваемым компрессором 3, подает горячий газ на лопатки газовой турбины 4, приводящей в действие электрогенератор переменного тока 5. Отработавший в турбине газ поступает сначала в регенератор 6, где подогревает рабочий газ после компрессора, облегчая тем самым работу основного нагревателя - солнечного котла, а затем охлаждается в холодильнике - излучателе 7. Как показали наземные испытания трехкиловаттной газотурбинной установки, проведенные в 1977 году на пятиметровом фацетном параболическом концентраторе в Физико-техническом институте АН Узбекистана, установки такого типа весьма маневренны, выход на номинальные обороты (36000 об/мин) занимал не более 1 мин с момента наведения солнечного пятна на полость цилиндрического котла. КПД этой установки составил 11%.

Может показаться, что для солнечных энергоустановок, использующих бесплатную энергию, величина КПД не столь существенна, как для традиционных тепловых машин на органическом топливе. Однако это не так, ибо размеры и вес наиболее громоздких и тяжелых частей солнечных космических энергоустановок - концентратора и холодильника - излучателя - зависят прежде всего от КПД установки.

Возможно создание энергоустановки с паротурбинным преобразователем.

Преобразование солнечной радиации в электрический ток

Принципиальные схемы солнечной газотурбинной (а) и паротурбинной (б) электроустановок

Здесь собранная концентратором 1 солнечная энергия нагревает в солнечном котле 2 рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине 4, соединяющей с электрогенератором 5. После конденсации в холодильнике-излучателе 7 отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом 8, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке (при одинаковых температурах подвода тепла), а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше, чем в ЗГТУ.

От многих недостатков, присущих машинным преобразователям, свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими, непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.

"Термоэлектрогенераторы основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре, - пишет в "Соросовском образовательном журнале" Л.М. Драбкин. - Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур.

Энергетический КПД таких устройств - термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940-1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. Трудами и его школы в 40-50-е годы была разработана и теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы".

Соединяя между собой отдельные термоэлементы, можно создавать достаточно мощные термобатареи. Электростанция мощностью 10 ГВт может весить до 200 тысяч тонн. Снижение веса энергоустановки напрямую связано с повышением коэффициента полезного действия преобразования солнечной энергии в электричество. Этого можно достичь двумя путями: увеличением термического коэффициента полезного действия преобразователя и снижением необратимых потерь энергии во всех элементах энергоустановки.

В первом случае концентрированное излучение позволяет получать очень высокие температуры. Но одновременно при этом весьма возрастают требования к точности систем слежения за Солнцем, что для громадных по размерам концентрирующих систем маловероятно. Поэтому усилия исследователей неизменно направлялись на снижение необратимых потерь. Они попытались уменьшить переток тепла с горячих спаев на холодные теплопроводностью. Для решения этой задачи требовалось добиться увеличения добротности полупроводниковых материалов. Однако после многолетних попыток синтезировать полупроводниковые материалы с высокой добротностью стало ясно, что достигнутая сегодня величина является предельной. Тогда возникла идея разделить горячий и холодный спаи воздушным промежутком, подобно двухэлектродной лампе - диоде. Если в такой лампе разогревать один электрод - катод и при этом охлаждать другой электрод - анод, то во внешней электрической цепи возникнет постоянный ток. Впервые это явление наблюдал в 1883 году Томас Эдисон.

"Открытое Эдисоном явление получило название термоэлектронной эмиссии, - пишет Л.М. Драбкин. - Подобно термоэлектричеству оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество. И хотя природа у термоэлектричества и термоэлектронной эмиссии разная, но выражения для КПД у них одинаковые.

Главные составляющие необратимых потерь в ТЭП связаны с неизотермическим характером подвода и отвода тепла на катоде и аноде, перетоком тепла с катода на анод по элементам конструкции ТЭП, а также с омическими потерями в элементах последовательного соединения отдельных модулей.

Для достижения высоких КПД цикла Карно современные ТЭП создают на рабочие температуры катодов 1700-1900 К, что при температурах охлаждаемых анодов порядка 700 К позволяет получать КПД порядка 10 процентов. Таким образом, благодаря снижению необратимых потерь в самом преобразователе и при одновременном повышении температуры подвода тепла КПД ТЭП оказывается вдвое выше, чем у описанного выше ТЭГ, но при существенно более высоких температурах подвода тепла".

Солнечный модуль

Теперь рассмотрим фотоэлектрический метод преобразования энергии. В солнечных батареях используется явление внешнего фотоэффекта, проявляющегося на p-n-переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают p-n (или n-p)-переход путем введения в монокристаллический полупроводниковый материал-базу примеси с противоположным знаком проводимости. При попадании на p-n-переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей достигает 13-15 процентов.

Внешний фотоэффект

У солнечных электростанций есть одна, но весьма существенная проблема. Получать и использовать "чистую" солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера. А что если разместить солнечные энергостанции в космосе, на околоземной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для "сбора" энергии Солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции, сегодня точно сказать нельзя, хотя к проектированию подобных электростанций конструкторы приступили еще в конце 1960-х годов. Любой вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение. Даже самая маленькая космическая электростанция должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на удаленную от Земли орбиту.

Космическая солнечная электростанция

Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую - опорную - орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно делать их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электрической станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А долететь к "месту работы" секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит только установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.

Но это в будущем. Пока же солнечные батареи с успехом питают космические станции.

Автор: Мусский С.А.

 Рекомендуем интересные статьи раздела История техники, технологии, предметов вокруг нас:

▪ Машина Формулы-1

▪ Колючая проволока

▪ Спиртные напитки

Смотрите другие статьи раздела История техники, технологии, предметов вокруг нас.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 15.07.2025

Вопрос о том, сколько нужно спать, чтобы чувствовать себя отдохнувшим, волнует миллионы людей по всему миру. Общепринятая рекомендация - восемь часов сна - давно стала стандартом, однако недавние исследования ставят под сомнение ее универсальность. Оказалось, что продолжительность здорового сна зависит не только от биологии, но и от культурных и социальных условий. Американские ученые провели масштабное исследование, охватившее около пяти тысяч человек из двадцати стран. Полученные данные выявили значительные различия в продолжительности сна в зависимости от места проживания. Например, в Японии средний человек спит всего около шести часов с небольшим, тогда как во Франции этот показатель приближается к восьми. Канадцы, в свою очередь, в среднем спят по семь с половиной часов. Один из руководителей исследования, профессор социальной и культурной психологии Стивен Хайне из Университета Британской Колумбии, подчеркивает, что универсального стандарта сна не существует. По его словам, ...>>

Компьтерная оценка состояния культурных растений 15.07.2025

Современное сельское хозяйство переживает технологическую революцию, и одной из ключевых задач становится точная диагностика состояния растений. Устойчивость к климатическим изменениям, экономное использование ресурсов и повышение урожайности требуют новых подходов. Исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме предложили инновационное решение, объединив возможности дронов и искусственного интеллекта. Традиционные методы дистанционного анализа в агросекторе сталкиваются с ограничениями: они не всегда способны точно определить комбинированный стресс у растений, возникающий, например, при одновременном дефиците влаги и азота. Чтобы преодолеть это, израильские ученые оснастили дроны сложной системой сенсоров - гиперспектральными, тепловыми и RGB-камерами. Эти камеры не просто фиксируют изображение, но и собирают обширные данные о состоянии листвы, позволяя "увидеть" скрытые признаки стресса, незаметные невооруженному глазу. Для обработки полученных изображений и сигналов был ...>>

Особенности восприятия старости 14.07.2025

Понятие старости зачастую оказывается субъективным и подвижным: то, что кажется "преклонным возрастом" в юности, в зрелости уже воспринимается иначе. Исследования показывают, что границы старения не столько определяются биологическим возрастом, сколько зависят от психологического восприятия и отношения к собственному телу и уму. Недавнее исследование, проведенное в США среди двух тысяч человек старше сорока лет, позволило ученым определить, в каком возрасте американцы начинают ощущать себя "старыми". Оказалось, что чувство старения в среднем наступает уже к 47 годам, а заметная обеспокоенность внешними возрастными изменениями - примерно к пятидесяти. Это тот момент, когда люди чаще начинают замечать морщины, снижение тонуса кожи и общую усталость. На фоне этих внешних изменений многие участники признались, что испытывают тревогу по поводу когнитивного спада. Более половины респондентов признались, что хотя бы раз в день забывают, что собирались сказать, а четверть - теряют мысль ...>>

Случайная новость из Архива Малярия приманивает комаров к людям 30.04.2018 Малярийные паразиты, как известно, живут на два дома - в том смысле, что разные этапы жизненного цикла у них проходят в комаре и в каком-нибудь позвоночном: у кого-то это грызун, у кого-то птица, у кого-то рептилия, у кого-то человек. Выбор хозяев вполне логичен: пока комар сосет кровь животного, малярийный плазмодий может перейти туда, куда ему в данный момент нужно. Чтобы с переселением не возникало никаких задержек, плазмодии даже меняют запах животных, делая его более заманчивым для комаров. Также известно, что и люди, больные малярией, более привлекательным для кровососов. Очевидно, что плазмодии также меняют и запах человека, и в недавней статье в PNAS описано, как они это делают. Исследователи из Лондонской школы гигиены и тропических болезней вместе с коллегами из других европейских и африканских научных центров сравнили состав пота у нескольких десятков кенийских школьников, среди которых были как здоровые, так и недавно заразившиеся малярией. Детские носки клали в два специальных ящика, соединенных трубками, после чего в устройство запускали малярийных комаров. Насекомые летели преимущественно к носкам тех детей, у которых был малярийный паразит. После трехнедельного курса лечения к одежде больных школьников летело всего 60% комаров - очевидно, чем меньше паразитов было в человеке, тем меньше он интересовал кровососов. В общем, результаты эксперимента с одеждой лишний раз подтвердили, что малярия делает нас более привлекательными для комаров. Затем исследователи начали выяснять, какие именно вещества притягивают к нам насекомых. Для этого образцы пота сначала проанализировали на предмет химического состава, а потом каждое из веществ, которые в нем нашли, давали попробовать комарам. "Попробовать" здесь означает, что антенны комаров обдували воздухом, содержавшим тот или иной пахучий компонент, одновременно считывая с помощью специальных электродов нейронные сигналы, которые антенны комаров посылали в мозг. В результате удалось определить несколько соединений, которые особенно сильно возбуждали насекомых и которых особенно много было в поте больных. В числе их оказались гептановый, октановый и нонановый альдегиды, используемые в парфюмерии благодаря своим запахам (например, гептановый альдегид дает гвоздичный аромат, а нонановый - апельсиновый или розовый). Очевидно, их смесь особенно сильно притягивает комаров, и человеческие плазмодии в ходе эволюции напали-таки на правильный рецепт. Любопытно, что комары по-разному реагировали на усиление запаха: если количество гептанового альдегида в смеси возрастало резко, насекомые летели на запах намного активнее, если же количество альдегида росло плавно, комары оставались равнодушны.

Другие интересные новости:

▪ Паника среди мышей

▪ Исследование вулканов изнутри

▪ Очки-имплантаты для слепых

▪ Растения для очистки воздуха на космических станциях

▪ Атомы платины окисляют угарный газ при комнатной температуре

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электроснабжение. Подборка статей

▪ статья Премудрый пескарь. Крылатое выражение

▪ статья Каким образом достижения современной цивилизации наносят ущерб человеку как биологическому виду? Подробный ответ

▪ статья Эвкоммия вязолистная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Первая помощь пострадавшему от удара электрическим током. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Торфяные электроустановки. Заземление. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025