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:

▪ Сверхглубокое бурение скважин

▪ Паровая машина

▪ Нож для сыра

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:

Превышение границ ядерного синтеза 19.01.2026

Разработка технологий термоядерного синтеза считается одной из самых амбициозных задач современной физики. Создание стабильной плазмы высокой плотности позволяет приблизиться к источнику практически неограниченной и чистой энергии. Китайские ученые сделали значительный шаг в этом направлении, превысив ранее считавшиеся недостижимыми границы плотности плазмы в экспериментальном токамаке EAST. Команда из Института физики Академии наук Китая в Хэфее, работающая над программой Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), представила свою разработку "искусственное солнце". Показана плотность плазмы, которая превышает эмпирические пределы, наблюдавшиеся в предыдущих экспериментах. Ядерный синтез возникает, когда два атомных ядра сливаются в одно более тяжелое, выделяя огромные количества энергии. Для этого топливо необходимо разогреть до сверхплотной плазмы с температурой порядка 150 миллионов кельвинов. Главной проблемой является сильное отталкивание одинаково заряженных ядер ...>>

Игровые наушники HyperX 19.01.2026

Современные технологии меняют не только сами игры, но и способы взаимодействия с ними. На выставке были представлены новые игровые наушники, разработанные компаниями HyperX и Neurable, которые отслеживают мозговую активность игрока и помогают улучшать концентрацию и результаты во время игрового процесса. Гарнитура оснащена встроенными датчиками, считывающими сигналы мозга. Эти датчики полностью интегрированы в наушники, поэтому для использования не требуется отдельный шлем или дополнительное оборудование. Внешне устройство выглядит как обычная игровая гарнитура, что делает его привычным и удобным для геймеров. Во время игры система анализирует уровень внимания и усталости, определяя, насколько игрок сосредоточен или переутомлен. Все данные выводятся в режиме реального времени, предоставляя пользователю обратную связь о собственном состоянии. Важно отметить, что наушники не управляют игрой мыслями. Их задача - информировать игрока о концентрации и давать подсказки, которые помо ...>>

Роботизированные кроссовки Sidekick 18.01.2026

Американский стартап Dephy представил инновационные кроссовки Sidekick с электроприводом, которые работают как дополнительная икроножная мышца, помогая пользователю быстрее перемещаться и меньше уставать. Sidekick представляет собой сочетание обуви и мини-экзоскелета, встроенного в область косточки. За счет электропривода кроссовки поддерживают движение стопы и усиливают сокращение икроножных мышц, снижая нагрузку на ноги. Это позволяет ходить дольше и с меньшей усталостью, особенно при длительных прогулках или активной работе на ногах. В отличие от многих носимых устройств, для работы Sidekick не требуется установка приложений или индивидуальная калибровка. Кроссовки автоматически подстраиваются под шаг и особенности движения владельца, обеспечивая комфорт и простоту использования с первого надевания. Комплект включает в себя сам экзоскелет на косточку и пару кроссовок, доступных в белом и черном цвете. Устройство питается от аккумуляторов, что делает его автономным и готовым ...>>

Случайная новость из Архива Отучение студентов от телефонов на лекциях 16.10.2024 В век цифровых технологий смартфоны стали неотъемлемой частью повседневной жизни, особенно среди студентов. Постоянное присутствие телефона рядом и соблазн проверить уведомления или соцсети могут негативно сказываться на концентрации и усвоении учебного материала. В попытках решить эту проблему, американские ученые предложили необычное решение, которое не связано с жестким запретом использования смартфонов, а, напротив, дает студентам возможность ненадолго отвлечься в специально отведенное время. Ученые из Southern Illinois University провели исследование, чтобы выяснить, как можно эффективно снизить частоту использования смартфонов во время учебных занятий. Вместо полного запрета на гаджеты, они предложили ввести короткие "технологические перерывы" - минуты, когда студентам официально разрешается воспользоваться своими устройствами. Эксперимент показал, что такие короткие паузы, продолжительностью около одной минуты, позволяют студентам удовлетворить потребность проверить смартфон, не нарушая учебный процесс. Исследователи обнаружили, что минута - оптимальное время: его достаточно, чтобы прочитать или ответить на несколько сообщений, но не настолько долго, чтобы студенты успевали вовлечься в продолжительное общение или "зависнуть" в соцсетях. Если же перерыв сделать дольше, студенты могут начать получать новые уведомления и сообщения, что затягивает процесс. Этот подход привел к неожиданным результатам: в классах, где были внедрены минутные технологические паузы, успеваемость студентов значительно возросла. Средний балл по результатам занятий достигал 80 из 100. По мнению профессора Райана Реднера, одного из авторов исследования, такая динамика объясняется тем, что степень отвлеченности студентов на уроках уменьшалась. Они знали, что будет предусмотренное время для использования телефона, и поэтому меньше отвлекались в остальное время. Интересным оказалось и психологическое объяснение успеха этой методики. Когда студенты получают возможность на короткое время обратиться к смартфону, их тревожность, связанная с пропущенными сообщениями или уведомлениями, снижается. Это создает эффект "разрядки", после чего они могут сосредоточиться на учебном процессе с большей эффективностью. Такой метод не только помогает студентам контролировать использование смартфонов, но и делает их более ответственными в плане управления своим временем. Вместо того чтобы постоянно отвлекаться на сообщения, студенты знают, что у них будет специальный момент для этого, и могут спокойно погрузиться в материал. Кроме того, эта система не требует строгих запретов, которые часто вызывают негативную реакцию, что делает ее более привлекательной для внедрения в учебные заведения. Профессор Реднер и его коллеги полагают, что такие перерывы могут стать эффективным инструментом для повышения концентрации не только в учебных учреждениях, но и в других сферах, где важно поддерживать высокий уровень сосредоточенности. Главное - найти баланс между временем для работы и временем для кратковременных отвлечений, что помогает сохранять продуктивность. Технология "умеренных перерывов" может стать полезной инновацией в образовательной системе, позволяя улучшить концентрацию студентов и повысить их успеваемость без строгих ограничений и запретов на использование смартфонов.

Другие интересные новости:

▪ Твердотельный NVMe-накопитель WD Blue SN550 2 Тбайт

▪ Водород из растений - основа будущей энергетики

▪ Скоростной электромобиль Sunswift 7

▪ Датчики-одуванчики

▪ Новые возможности WiFi-модуля SPWF01SA.11

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электропитание. Подборка статей

▪ статья Белинский Виссарион Григорьевич. Знаменитые афоризмы

▪ статья Изобретения и открытия. Большая энциклопедия для детей и взрослых

▪ статья Раскладушка на волнах. Личный транспорт

▪ статья Двухкорпусной громкоговоритель. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Приемник на операционном усилителе. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026