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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Conversión directa de energía solar en electricidad. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía Hasta cierto punto, las centrales eléctricas con los llamados convertidores sin máquina: termoeléctricos, termoiónicos y fotoeléctricos (baterías solares), que convierten directamente la energía de la radiación solar en corriente eléctrica, están libres de las desventajas inherentes a los convertidores de máquinas. método termoeléctrico Los generadores termoeléctricos (TEG) se basan en lo descubierto en 1821 por el físico alemán T.I. Efecto termoeléctrico Seebeck, que consiste en la aparición de termofem en los extremos de dos conductores diferentes si los extremos de estos conductores están a diferentes temperaturas. El efecto abierto se utilizó originalmente en termometría para medir temperaturas. La eficiencia energética de estos termopares, es decir, la relación entre la potencia eléctrica liberada en la carga y el calor suministrado, era de una fracción de porcentaje. Sólo 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 semiconductor del mundo en el Instituto de Física y Tecnología de Leningrado. En los años 40 y 50, se desarrolló la teoría del efecto termoeléctrico en los semiconductores y se sintetizaron materiales termoeléctricos muy eficaces (hasta el día de hoy). Según la teoría desarrollada, la expresión para la eficiencia del TEG viene dada por la fórmula:
z es el factor de calidad del material semiconductor, 1/K; tГ - temperatura de la unión caliente del termoelemento, K; tХ - temperatura de la unión fría, K; tCP - temperatura promedio de la pierna del termoelemento, K,
M - criterio de Ioffe, a - termo-EMF diferencial reducido de las ramas de termoelementos, μV/K; s, l - conductividad eléctrica y conductividad térmica reducidas de las ramas de los termoelementos, respectivamente, en 1/(Ohm m) y W/(m•K). Tiene sentido detenerse en la fórmula de eficiencia anterior, ya que caracteriza la eficiencia no solo de los generadores termoeléctricos, sino también de otros dispositivos para la conversión directa de energía. Cabe destacar que la eficiencia de un TEG depende de los mismos factores que la eficiencia de cualquier máquina térmica: la eficiencia térmica del ciclo reversible de Carnot (el primer factor de la fórmula) y el coeficiente de pérdidas de energía irreversibles (el segundo factor ). En TEG, las pérdidas internas irreversibles están asociadas principalmente con el flujo de calor a lo largo de las ramas positivas 3 y negativas 4 desde las uniones calientes 1 (Fig. 3, a) a las frías 5 (las uniones, generalmente hechas de cobre, están separadas de las ramas por capas antidifusión 2 (Fig. 3, A)). Como se desprende de la fórmula, cuanto mayor sea el factor de calidad de los materiales utilizados, menores serán las pérdidas irreversibles. Sin embargo, la teoría y muchos años de práctica han demostrado que el valor del factor de calidad del orden de 3 • 10-3 1/grado es aparentemente su valor límite.
Al conectar termoelementos individuales, se pueden crear termopilas bastante potentes, una de las cuales se muestra en la Fig. 3, b. La batería está situada en el plano focal del concentrador 3; sus uniones calientes 1 se calientan directamente mediante radiación solar concentrada, y el calor se elimina de las uniones frías 2 mediante radiación. Hay características energéticas de una planta de energía espacial similares a las que se muestran en la Fig. 3, b, pero sin centro. El peso específico esperado de la instalación es de hasta 50 W/kg. Esto significa que una central eléctrica de 10 GW puede pesar hasta 200 mil toneladas. Reducir el peso de una central eléctrica está directamente relacionado con aumentar la eficiencia de convertir la energía solar en electricidad, lo cual, como se desprende de la fórmula anterior, se puede lograr de dos formas: aumentando la eficiencia térmica del convertidor (eficiencia del ciclo de Carnot ) y licuar pérdidas de energía irreversibles en todos los elementos de la central. La primera forma es posible en principio, ya que la radiación concentrada permite obtener temperaturas muy altas. Sin embargo, esto aumenta considerablemente los requisitos de precisión de los sistemas de seguimiento solar, algo que difícilmente se puede lograr en sistemas de concentración de gran tamaño. Por lo tanto, los esfuerzos de los investigadores siempre estuvieron dirigidos a reducir las pérdidas irreversibles, principalmente a reducir el flujo de calor de las uniones calientes a las frías mediante la conductividad térmica. Para solucionar este problema, era necesario aumentar el factor de calidad de los materiales semiconductores. Sin embargo, como ya se mencionó, después de muchos años de intentos de sintetizar materiales semiconductores con un factor de alta calidad, quedó claro que el valor logrado (2,5-2,7) • 105 es el valor límite. Luego, mientras seguíamos buscando nuevas formas de reducir el flujo de calor, surgió la idea de separar las uniones frías y calientes con un espacio de aire, como es el caso de una lámpara de dos electrodos: un diodo. Si en una lámpara de este tipo se calienta un electrodo, el cátodo 1 (Fig. 4) y al mismo tiempo se enfría el otro electrodo, el ánodo 2, aparece una corriente continua en el circuito eléctrico externo.
Transductor termoiónico (TEC) El fenómeno descubierto por Edison se llamó emisión termoiónica. Al igual que la termoelectricidad, se ha utilizado durante mucho tiempo en tecnología de baja corriente. Más tarde, los científicos centraron su atención en la posibilidad de utilizar este método para convertir el calor en electricidad. Y aunque la naturaleza de la termoelectricidad y la emisión termoiónica es diferente, sus expresiones de eficiencia son las mismas:
donde Hк - eficiencia del ciclo reversible de Carnot; hdesmod. - coeficiente que tiene en cuenta las pérdidas irreversibles en el convertidor termoiónico (termoeléctrico). Los principales componentes de las pérdidas irreversibles en TEC están asociados con la naturaleza no isotérmica del suministro y eliminación de calor en el cátodo y el ánodo, el flujo de calor del cátodo al ánodo a través de los elementos estructurales de 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 se crean a temperaturas de funcionamiento de los cátodos de 1700 -1900 K, lo que, a temperaturas de los ánodos enfriados de aproximadamente 700 K, permite obtener una eficiencia de aproximadamente el 10%. Por lo tanto, debido a la reducción de pérdidas irreversibles en el propio convertidor y con un aumento simultáneo en la temperatura de suministro de calor, la eficiencia del TEC resulta ser dos veces mayor que la del TEG descrito anteriormente, pero con un suministro de calor significativamente mayor. temperaturas. Para obtener tales temperaturas de las superficies catódicas en una órbita geosincrónica, la precisión de la orientación del concentrador TEC hacia el Sol debe estar entre 6° y 8°, lo que, con potencias térmicas del sistema de energía solar de 10 a 20 GW y la áreas correspondientes de los concentradores, puede convertirse, como se señaló anteriormente, en un problema técnico grave. Es muy posible que las circunstancias señaladas desempeñaran un papel importante en la elección del método fotoeléctrico para convertir la energía solar en los sistemas de suministro de energía a bordo de la primera y posteriores generaciones de naves espaciales. Método de conversión de energía fotoeléctrica. La batería solar (Fig. 5) se basa en el fenómeno del efecto fotoeléctrico externo, que aparece en la unión p-n del semiconductor cuando se ilumina con luz. Una unión p-n (o np) se crea introduciendo una impureza con el signo opuesto de conductividad en el material base semiconductor monocristalino. Por ejemplo, se introduce aluminio o litio en el silicio. Como resultado, cuando la radiación solar incide en la unión p-n, 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%.
Las más prometedoras para la creación de convertidores SCES son las células solares ultrafinas con una eficiencia de alrededor del 15% con características específicas de 1 kW/m2 y 200 W/kg. Si estos paneles solares se utilizaran como convertidor para un SCES de 10 GW, su superficie sería de 50 km2 y pesaría 10 toneladas.
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