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:

Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина 16.07.2026

Многие владельцы кошек уверены, что их питомцы совершенно равнодушны к уходу человека из дома. Считается, что кошки - независимые существа, которые спокойно переносят одиночество и даже радуются, оставаясь одни. Однако испанские специалисты по поведению животных считают, что реальность гораздо сложнее. Реакция кошки на отсутствие хозяина зависит от ее индивидуального характера, степени привязанности к человеку и привычного распорядка дня. Кошки хорошо запоминают ежедневные ритуалы своих владельцев. Они способны связывать определенные звуки - звон ключей, шаги у двери или звук закрывающегося замка - с предстоящим уходом человека. Для одних животных эти сигналы означают возможность спокойно лечь спать, а для других становятся причиной беспокойства и длительного ожидания возвращения хозяина. Таким образом, кошка не просто "не замечает" уход, а активно реагирует на связанные с ним изменения в окружающей обстановке. Исследования поведения кошек показывают, что некоторые из них действи ...>>

Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков 16.07.2026

Антибиотики остаются одним из самых мощных инструментов современной медицины в борьбе с бактериальными инфекциями. Однако их действие не ограничивается уничтожением только вредных микроорганизмов. Эти препараты способны существенно влиять на состав кишечной микрофлоры, что часто вызывает вопросы у пациентов: насколько серьезны эти изменения, как долго они сохраняются и нужно ли после курса антибиотиков принимать пробиотики для восстановления. На эти вопросы попытались ответить исследователи, проанализировав имеющиеся научные данные. Во время приема антибиотиков многие люди сталкиваются с неприятными симптомами со стороны пищеварительной системы: тошнотой, болями или спазмами в животе, а также диареей. Такие реакции возникают потому, что препараты воздействуют не только на возбудителей инфекции, но и на полезные бактерии, которые населяют кишечник и участвуют в пищеварении, синтезе витаминов и поддержании иммунитета. Некоторые антибиотики, например азитромицин, могут напрямую влия ...>>

Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу 15.07.2026

Многие люди, желая быстро избавиться от лишних килограммов, прибегают к строгим диетам с резким ограничением калорий. Достигнув желаемого результата, они часто постепенно или быстро возвращаются к прежнему рациону и прежнему весу. На первый взгляд это кажется лишь вопросом внешнего вида, однако ученые предупреждают: постоянные колебания массы тела могут оказывать негативное влияние на сердечно-сосудистую систему и обмен веществ. Так называемый эффект йо-йо, когда периоды активного похудения сменяются повторным набором веса, становится все более распространенным явлением. Новые исследования указывают на возможную связь между такими циклами и ухудшением работы сердца. Организм способен адаптироваться к изменениям питания, но постоянное повторение резких переходов между ограничением калорий и перееданием создает дополнительную нагрузку на различные системы. В одном из экспериментов на лабораторных животных исследователи моделировали эффект йо-йо, периодически снижая калорийность рац ...>>

Случайная новость из Архива Полицейские дроны вооружат 23.03.2012 Правоохранительные органы многих стран сегодня обзаводятся беспилотными летательными аппаратами, которые помогают эффективнее решать оперативные задачи. Гражданские дроны используются для наблюдения за теми или иными объектами, вооруженные беспилотники применяются только в военной сфере. Изменить положение вещей решили полицейские из Техаса. Как сообщается, офис шерифа в округе Монтгомери планирует приобрести беспилотный летательный аппарат ShadowHawk, он обойдется в 300 тысяч долларов и будет использоваться для решения традиционных задач: сопровождение при преследовании подозреваемых, рекогносцировка при работе группы захвата, а также поиск пропавших без вести граждан. Но руководство офиса шерифа решило, что одной только пассивной роли наблюдателя для дрона недостаточно, даже если его камера имеет высокое разрешение и располагает системой ночного видения. Поэтому в настоящий момент полицейские рассматривают возможность оборудования ShadowHawk одним из видов нелетального вооружения, рассматриваются, в частности, варианты с резиновыми пулями, слезоточивым газом, а также тазером, то есть электрошоком с выкидными электродами. Инициатива пока находится на стадии планирования, но производящая дроны ShadowHawk компания Vanguard Defense уже заявила, что беспилотники для работы с гражданским населением выпускаются только невооруженными. Впрочем, это не останавливает заместителя шерифа Рэнди МакДениэла (Randy McDaniel), который сравнил полицейские дроны с транспортными, журналистскими и частными вертолетами, которые тоже могут наблюдать за гражданами. А применение нелетального оружия связано лишь с необходимостью повысить эффективность работы правоохранительных органов. В этой связи Американский союз защиты гражданских свобод ACLU выразил опасение, что вооружение полицейских беспилотников может стать причиной необоснованного применения оружия, поскольку оператор дрона не присутствует на месте событий лично, а значит, он не сможет адекватно ориентироваться по обстановке. Обоснованность опасений будет подтверждена или опровергнута только после запуска машины и первых боевых вылетов.

Другие интересные новости:

▪ Данные по ВОЛС переданы на рекордное расстояние

▪ MSP430FR5969 - производительный микроконтроллер с FRAM памятью

▪ Бинокль Swarovski Optik AX Visio с распознованием объектов

▪ Рыбки в космическом пространстве

▪ Выращивание зубов прямо во рту

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Начинающему радиолюбителю. Подборка статей

▪ статья Детская площадка. Советы домашнему мастеру

▪ статья Когда возникли первые славянские государства? Подробный ответ

▪ статья Сольник. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Doorphone intercom (ENGLISH). Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Широкополосная согласованная нагрузка. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026