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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Planta de energía solar. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Una planta de energía solar es una estructura de ingeniería que convierte la radiación solar en energía eléctrica. Las formas de convertir la radiación solar son diferentes y dependen del diseño de la central eléctrica.
La radiación solar es una fuente de energía renovable y respetuosa con el medio ambiente. Las reservas de energía solar son enormes. A principios del siglo XXI, la humanidad ha desarrollado y dominado una serie de principios para convertir la energía térmica en energía eléctrica. Se pueden dividir condicionalmente en métodos con máquina y sin máquina. Estos últimos a menudo se denominan métodos de conversión de energía directa porque carecen de la etapa de convertir la energía térmica en trabajo mecánico. Entre los convertidores de máquinas, los más famosos son las plantas de turbinas de vapor y de gas que operan en todas las centrales térmicas y nucleares terrestres. El diagrama esquemático de una planta de turbina de gas cerrada se ve así. La radiación solar, recogida por el concentrador en la superficie de la caldera solar, calienta el fluido de trabajo - un gas inerte a temperaturas del orden de 1200-1500 grados Kelvin y, bajo la presión creada por el compresor, suministra gas caliente a las palas de una turbina de gas, que impulsa un generador de corriente alterna. El gas que sale de la turbina entra primero en el regenerador, donde calienta el gas de trabajo después del compresor. Por lo tanto, facilita el trabajo del calentador principal: la caldera solar. Luego, el gas se enfría en el enfriador-radiador. Las pruebas de una planta de turbina de gas de tres kilovatios, realizadas en 1977 en un concentrador parabólico facetado de cinco metros en el Instituto Físico-Técnico de la Academia de Ciencias de Uzbekistán, demostraron que las plantas de este tipo son muy maniobrables. La salida a la velocidad nominal no fue más de un minuto desde el momento en que la mancha solar apuntó a la cavidad de la caldera cilíndrica. La eficiencia de esta instalación es del 11 por ciento. En una central con convertidor de turbina a vapor, la energía solar captada por el concentrador calienta el fluido de trabajo en la caldera solar, que se convierte en vapor saturado y luego sobrecalentado, que se expande en una turbina conectada a un generador eléctrico. Después de la condensación en el enfriador-radiador del vapor expulsado en la turbina, su condensado, comprimido por la bomba, ingresa nuevamente a la caldera. Dado que la impulsión y evacuación de calor en esta instalación se realiza de forma isotérmica, las temperaturas medias de impulsión y evacuación son más altas que en una instalación de turbina de gas, y las áreas específicas del radiador y concentrador pueden resultar más pequeñas. Una instalación de este tipo, que funciona con un fluido de trabajo orgánico, tiene una eficiencia del 15 al 20 por ciento a temperaturas relativamente bajas de suministro de calor, solo 600 a 650 grados Kelvin. En la figura se muestra un diagrama esquemático de una planta de turbina de gas cerrada (CGTU), donde la radiación solar, recolectada por el concentrador 1 en la superficie de la caldera solar 2, calienta el fluido de trabajo - gas inerte a temperaturas del orden de 1200- 1500 K y, bajo la presión creada por el compresor 3, suministra gas caliente a la turbina de gas de álabes 4, que acciona un generador de corriente alterna 5. El gas expulsado en la turbina ingresa primero al regenerador 6, donde calienta el gas de trabajo después del compresor , lo que facilita el funcionamiento del calentador principal, la caldera solar, y luego se enfría en el refrigerador, el radiador 7. Como se muestra, las pruebas en tierra de una planta de turbina de gas de tres kilovatios, realizadas en 1977 en un concentrador parabólico facetado de cinco metros en Instituto Físico-Técnico de la Academia de Ciencias de Uzbekistán, las instalaciones de este tipo son muy maniobrables, alcanzando la velocidad nominal (36000 rpm) no tomó más de 1 minuto desde el momento en que la mancha solar apuntó a la cavidad de una caldera cilíndrica. La eficiencia de esta instalación fue del 11%. Puede parecer que para las plantas de energía solar que utilizan energía libre, la eficiencia no es tan significativa como para los motores térmicos tradicionales que funcionan con combustible orgánico. Sin embargo, esto no es así, porque las dimensiones y el peso de las partes más voluminosas y pesadas de las plantas solares espaciales -el concentrador y el frigorífico-emisor- dependen principalmente de la eficiencia de la instalación. Es posible crear una central eléctrica con un convertidor de turbina de vapor. Convertir la radiación solar en corriente eléctrica
Aquí, la energía solar recolectada por el concentrador 1 calienta el fluido de trabajo en la caldera solar 2, que se convierte en vapor saturado y luego sobrecalentado, que se expande en la turbina 4, que se conecta al generador eléctrico 5. Después de la condensación en el enfriador- radiador 7 del vapor agotado en la turbina, su condensado, comprimido por la bomba 8, ingresa nuevamente a la caldera. Dado que el suministro y la impulsión de calor en esta instalación se realizan de forma isotérmica, las temperaturas medias de impulsión y impulsión resultan ser más altas que en una planta de turbina de gas (a las mismas temperaturas de suministro de calor), y las áreas específicas del radiador y concentrador puede resultar menor que en un CCGT. De muchas de las deficiencias inherentes a los convertidores de máquinas, quedan libres las centrales eléctricas con los llamados convertidores sin máquina: termoeléctricos, termoiónicos y fotovoltaicos, que convierten directamente la energía de la radiación solar en corriente eléctrica. "Los generadores termoeléctricos se basan en el efecto termoeléctrico descubierto en 1821 por el físico alemán T.I. Seebeck, que consiste en la aparición de termo-EMF en los extremos de dos conductores diferentes, si los extremos de estos conductores están a diferentes temperaturas", escribe L.M. en Soros Educational Journal Drabkin - El efecto abierto se usó originalmente en termometría para medir temperaturas. La eficiencia energética de tales dispositivos, termopares, lo que implica la relación entre la energía eléctrica liberada en la carga y el calor suministrado, era una fracción de un porcentaje. Solo después del académico A.F. Ioffe propuso utilizar semiconductores en lugar de metales para la fabricación de termoelementos, el uso energético del efecto termoeléctrico se hizo posible y en 1940-1941 se creó el primer generador termoeléctrico de semiconductores del mundo en el Instituto de Física y Tecnología de Leningrado. En las décadas de 40 y 50, los trabajos de su escuela desarrollaron la teoría del efecto termoeléctrico en los semiconductores y también se sintetizaron materiales termoeléctricos muy efectivos (hasta el día de hoy). Al interconectar termoelementos individuales, es posible crear termopilas suficientemente potentes. Una central eléctrica de 10 GW puede pesar hasta 200 toneladas. La reducción del peso de la central eléctrica está directamente relacionada con el aumento de la eficiencia de conversión de la energía solar en electricidad. Esto se puede lograr de dos maneras: aumentando la eficiencia térmica del convertidor y reduciendo las pérdidas de energía irreversibles en todos los elementos de la planta de energía. En el primer caso, la radiación concentrada permite obtener temperaturas muy altas. Pero al mismo tiempo, los requisitos de precisión de los sistemas de seguimiento solar aumentan considerablemente, lo que es poco probable para sistemas de concentración de gran tamaño. Por lo tanto, los esfuerzos de los investigadores se dirigieron invariablemente a reducir las pérdidas irreversibles. Intentaron reducir el flujo de calor de las uniones calientes a las uniones frías por conducción. Para solucionar este problema, era necesario lograr un aumento en el factor de calidad de los materiales semiconductores. Sin embargo, después de muchos años de intentos de sintetizar materiales semiconductores con un alto factor de calidad, quedó claro que el valor alcanzado hoy es el límite. Entonces surgió la idea de separar las uniones frías y calientes con un espacio de aire, como una lámpara de dos electrodos: un diodo. Si un electrodo, el cátodo, se calienta en una lámpara de este tipo y el otro electrodo, el ánodo, se enfría, aparecerá una corriente continua en el circuito eléctrico externo. Este fenómeno fue observado por primera vez en 1883 por Thomas Edison. "El fenómeno descubierto por Edison se denominó emisión termoiónica”, escribe L. M. Drabkin. "Al igual que la termoelectricidad, se utilizó durante mucho tiempo en la técnica de las corrientes bajas. Las emisiones son diferentes, pero las expresiones para la eficiencia son las mismas. Los componentes principales de las pérdidas irreversibles en el TEC están asociados con la naturaleza no isotérmica del suministro y retiro de calor en el cátodo y el ánodo, la transferencia de calor del cátodo al ánodo a través de los elementos estructurales del TEC, así como con pérdidas óhmicas en los elementos de la conexión en serie de módulos individuales. Para lograr una alta eficiencia del ciclo de Carnot, los TEC modernos están diseñados para temperaturas de funcionamiento del cátodo de 1700-1900 K, lo que, a temperaturas de ánodos enfriados de alrededor de 700 K, permite obtener una eficiencia de alrededor del 10 por ciento. Así, debido a la reducción de las pérdidas irreversibles en el propio convertidor y al aumento simultáneo de la temperatura de suministro de calor, la eficiencia del TEC resulta ser el doble que la del TEG descrito anteriormente, pero con un suministro de calor significativamente mayor. temperaturas
Ahora considere el método fotoeléctrico de conversión de energía. Las células solares utilizan el fenómeno de un efecto fotoeléctrico externo, que se manifiesta en la unión pn de un semiconductor cuando se ilumina con luz. Una unión pn (o np) se crea introduciendo una impureza con el signo opuesto de conductividad en un material base semiconductor monocristalino. Cuando la radiación solar incide en la unión pn, los electrones de la banda de valencia se excitan y se genera una corriente eléctrica en el circuito externo. La eficiencia de los paneles solares modernos alcanza el 13-15 por ciento.
Las plantas de energía solar tienen uno, pero un problema muy importante. La atmósfera interfiere con la obtención y el uso de energía solar "limpia" en la superficie de la Tierra. ¿Y si colocamos estaciones de energía solar en el espacio, en una órbita cercana a la Tierra? No habrá interferencia atmosférica, la ingravidez le permitirá crear estructuras de varios kilómetros que son necesarias para "recoger" la energía del Sol. Tales estaciones tienen un gran mérito. La transformación de un tipo de energía en otro va inevitablemente acompañada de la liberación de calor, y su liberación al espacio evitará un peligroso sobrecalentamiento de la atmósfera terrestre. Hoy en día, es imposible decir con certeza cómo se verán realmente las plantas de energía solar espacial, aunque los diseñadores comenzaron a diseñar tales plantas de energía a fines de la década de 1960. Cualquier versión del proyecto de una planta de energía solar espacial asume que se trata de una estructura colosal. Incluso la planta de energía espacial más pequeña debe pesar decenas de miles de toneladas. Y esta gigantesca masa deberá ser lanzada a una órbita lejos de la Tierra.
Los vehículos de lanzamiento modernos pueden entregar la cantidad requerida de bloques, nodos y paneles de baterías solares a una órbita de referencia baja. Para reducir la masa de los enormes espejos que concentran la luz solar, se pueden fabricar con la película de espejo más delgada, por ejemplo, en forma de estructuras inflables. Los fragmentos ensamblados de la planta de energía solar espacial deben enviarse a una órbita alta y acoplarse allí. Y la sección de la planta de energía solar podrá volar al "lugar de trabajo" por sus propios medios, solo tiene que instalarle motores de cohetes eléctricos de bajo empuje. Pero eso es en el futuro. Hasta ahora, los paneles solares han estado alimentando con éxito las estaciones espaciales. Autor: Musskiy S.A.
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