Прямое преобразование солнечной энергии в электричество. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

От недостатков, присущих машинным преобразователям, в известной степени свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими (солнечные батареи), непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.

Термоэлектрический метод

Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) 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.

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. В 40-50-е годы была разработана теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы. Согласно разработанной теории, выражение КПД ТЭГ дает формула:

, где

z - добротность полупроводникового материала, 1/К; Т_Г - температура горячего спая термоэлемента, К; Т_Х - температура холодного спая, К; Т_СР - средняя температура ветви термоэлемента, К,

М - критерий Иоффе, a - приведенная дифференциальная термо-ЭДС ветвей термоэлементов, мкВ/К; s, l- приведенные электропроводность и теплопроводность ветвей термоэлементов соответственно в 1/(Ом м) и Вт/(м•К).

Имеет смысл остановиться на приведенной формуле для КПД, поскольку она характеризует эффективность не только термоэлектрогенераторов, но и других устройств прямого преобразования энергии. Обращает на себя внимание тот факт, что КПД ТЭГ зависит от тех же факторов, что КПД любой тепловой машины: термического КПД обратимого цикла Карно (первый множитель в формуле) и коэффициента необратимых потерь энергии (второй сомножитель). В ТЭГ внутренние необратимые потери связаны главным образом с перетоком тепла по положительной 3 и отрицательной 4 ветвям от горячих 1 (рис. 3,а) к холодным 5 спаям (спаи, выполняемые обычно из меди, отделяют от ветвей антидиффузионными слоями 2 (рис. 3,а)). Как следует из формулы, необратимые потери тем ниже, чем выше добротность используемых материалов. Однако теория и многолетняя практика показали, что величина добротности порядка 3 • 10-3 1/град является, видимо, ее предельным значением.

Рис.3. Схема термоэлектрического преобразователя: а - отдельный термоэлемент, б - термоэлектрический модуль на концентраторе

Соединяя между собой отдельные термоэлементы, можно создать достаточно мощные термобатареи, одна из которых показана на рис. 3,б. Батарея размещена в фокальной плоскости концентратора 3; ее горячие спаи 1 непосредственно обогреваются солнечной концентрированной радиацией, а отвод тепла от холодных спаев 2 осуществляется излучением. Есть энергетические характеристики космической энергоустановки, подобной показанной на рис. 3, б, но без концентратора. Ожидаемый удельный вес установки до 50 Вт/кг. Это значит, что электростанция мощностью 10 ГВт может весить до 200 тыс. т.

Снижение веса энергоустановки напрямую связано с повышением КПД преобразования солнечной энергии в электричество, чего, как видно из приводимой выше формулы, можно достичь двумя путями: увеличением термического КПД преобразователя (КПД цикла Карно) и сжижением необратимых потерь энергии во всех элементах энергоустановки. Первый путь в принципе возможен, так как концентрированное излучение позволяет получать очень высокие температуры. Однако при этом весьма возрастают требования к точности систем слежения за Солнцем, что для громадных по размерам концентрирующих систем вряд ли достижимо. Поэтому усилия исследователей неизменно направлялись на снижение необратимых потерь, в первую очередь на уменьшение перетока тепла горячих спаев на холодные теплопроводностью. Для решения этой задачи требовалось добиться увеличения добротности полупроводниковых материалов.

Однако, как уже говорилось, после многолетних попыток синтезировать полупроводниковые материалы с высокой добротностью стало ясно, что достигнутая величина (2,5-2,7) • 105 является предельной величиной. Тогда при продолжении поиска новых путей снижения перетока тепла и возникла идея разделить горячий и холодный спаи воздушным промежутком, как это имеет место в двухэлектродной лампе - диоде. Если в такой лампе разогревать один электрод - катод 1 (рис. 4) и при этом охлаждать другой электрод - анод 2, то во внешней электрической цепи возникает постоянный ток.

Рис.4. Принципиальная схема термоэмиссионного преобразователя

Термоэмиссионный преобразователь (ТЭП)

Открытое Эдисоном явление получило название термоэлектронной эмиссии. 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:

где h_к - КПД обратимого цикла Карно; h_необр. - коэффициент, учитывающий необратимые потери в термоэмиссионном (термоэлектрическом) преобразователе.

Главные составляющие необратимых потерь в ТЭП связаны с неизотермическим характером подвода и отвода тепла па 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%. 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. Для получения таких температур поверхностей катодов на геосинхронной орбите точность ориентации на Солнце концентратора ТЭП должна находиться в пределах 6°- 8°, что при тепловых мощностях СКЭС в 10 - 20 ГВт и соответствующих площадях концентраторов может стать, как отмечалось выше, серьезной технической проблемой.

Вполне возможно, что отмеченные обстоятельства сыграли не последнюю роль в выборе фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии в бортовых системах электропитания первых и последующих поколений космических аппаратов.

Фотоэлектрический метод преобразования энергии

Солнечная батарея (рис. 5) основана на явлении внешнего фотоэффекта, проявляющегося на р-n -переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают р-n (или n-p) - переход введением в монокристаллический полупроводниковый материал-базу примеси с противоположным знаком проводимости. Например, в кремний вводят алюминий или литий. В результате при попадании на р-n -переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. КПД современных солнечных батарей достигает 13-15%.

Рис.5. Схема солнечной батареи: 1 -  солнечный элемент, 2 - защитное стекло, 3 - коммутационная шина, 4 - подложка

Наиболее перспективным для создания преобразователей СКЭС ультратонкие солнечные элементы, имеющие КПД порядка 15% при удельных характеристиках 1 кВт/м2 и 200 Вт/кг. При использовании в качестве преобразователя СКЭС мощностью 10 ГВт этих солнечных батарей их площадь составила бы 50км2 при весе 10 тыс.т.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Токсичность интернета преувеличена 07.01.2026

Социальные сети нередко воспринимаются как арена постоянной агрессии, оскорблений и распространения фейковой информации. Новое исследование Стэнфордского университета показывает, что реальность значительно отличается от популярного представления: интернет гораздо менее токсичен, чем многие пользователи считают. Ученые опросили более тысячи американцев, попросив их оценить долю пользователей соцсетей, которые ведут себя агрессивно или распространяют ненависть. Оказалось, что впечатления людей сильно преувеличивают масштабы проблемы. Например, респонденты считали, что почти половина пользователей Reddit хотя бы раз оставляла оскорбительные комментарии, тогда как фактические данные платформы показывают, что таких людей не более 3%. Аналогичная ситуация наблюдается с дезинформацией. Опрос показал, что большинство участников считали почти половину аудитории Facebook распространителями фейковых новостей, однако статистика говорит об обратном: фактическая доля таких пользователей состав ...>>

Процессоры Ryzen AI 400 07.01.2026

Современные вычисления все больше ориентируются на интеграцию искусственного интеллекта и высокую производительность в компактных устройствах, таких как ноутбуки и мини-ПК. Новая линейка процессоров AMD Ryzen AI 400 демонстрирует, как разработчики объединяют мощные центральные ядра, графику и нейросетевые ускорители в одном чипе, чтобы удовлетворять растущие потребности пользователей в играх, контенте и ИИ-приложениях. AMD представила процессоры серии Gorgon Point, которые включают до 12 ядер Zen 5 и до 24 потоков вычислений. Чипы поддерживают интегрированную графику RDNA 3.5, обеспечивают максимальную тактовую частоту до 5,2 ГГц и имеют энергопотребление от 15 Вт до 54 Вт. Особое внимание уделено NPU, способному обрабатывать до 60 триллионов операций в секунду (TOPS), что делает эти процессоры эффективными для задач с искусственным интеллектом. Конструкция Ryzen AI 400 сочетает ядра Zen 5 и Zen 5c, обеспечивая высокую гибкость и производительность. Несмотря на то, что архитектур ...>>

Женщины лучше распознают признаки болезни по лицу 06.01.2026

Способность распознавать, что кто-то нездоров, часто проявляется интуитивно: бледная кожа, опущенные веки, уставшее выражение лица могут сигнализировать о недомогании. Новое исследование международной группы ученых показало, что женщины в среднем точнее мужчин улавливают такие тонкие невербальные признаки болезни, что может иметь эволюционные и социальные объяснения. В отличие от предыдущих работ, где использовались отредактированные фотографии или имитация больных лиц, ученые решили проверить, насколько люди способны распознавать естественные признаки недомогания. Такой подход позволил оценить реальную чувствительность к изменениям в лицах, возникающим при болезни. В исследовании приняли участие 280 студентов, поровну мужчин и женщин. Участникам предложили оценить 24 фотографии, на которых изображены люди как в здоровом состоянии, так и во время болезни. Это дало возможность сравнить восприятие естественных признаков недомогания в реальных лицах. Для анализа состояния каждого ...>>

Случайная новость из Архива Переливание искусственной крови 25.08.2023 Ученые из Кембриджского университета (Великобритания) начинают исторический этап в медицине - первые клинические испытания по переливанию искусственно выращенной крови человеку. Два добровольца участвовали в этом миллионном научном исследовании, представляющем переломный момент в медицинской практике. В ходе эксперимента пациентам было перелито 5-10 мл лабораторно выращенной крови. Этот уникальный состав включал искусственно созданные эритроциты, которые, как показали результаты, обладают потенциалом к более длительному существованию в организме, чем традиционные эритроциты из донорской крови. Научное сообщество признает, что данный метод может оказать значительную помощь пациентам, страдающим заболеваниями крови, такими как анемия и редкие гематологические состояния. Помимо этого, новая методика окажется весьма полезной для людей, которым требуются регулярные переливания. Достойно внимания, что на данный момент у участников первых клинических испытаний не было обнаружено никаких нежелательных побочных эффектов. В следующем этапе исследования ученые планируют провести аналогичные процедуры переливания лабораторно созданной крови еще у десяти добровольцев, углубляясь в понимание этой инновационной практики и ее потенциальных благоприятных эффектов.

Другие интересные новости:

▪ Энергия из уха

▪ 3D-карта Nvidia GeForce GTX Titan X

▪ Найден механизм, отключающий чувство голода

▪ Ослабление костей - препятствие для дальних космических полетов

▪ Индийская деревня близнецов

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электропитание. Подборка статей

▪ статья Словарь видеоэффектов. Искусство видео

▪ статья Сколько фамилий в Южной Корее? Подробный ответ

▪ статья Десмодиум крученый. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Составы для придания блеска белью. Простые рецепты и советы

▪ статья Простой приемник на диапазон 225-400 МГц для радиосвязи воздушных судов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026