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技术历史、技术、我们身边的事物
太阳能发电厂。 发明和生产的历史
太阳能发电厂是一种将太阳辐射转化为电能的工程结构。 转换太阳辐射的方式各不相同，取决于发电厂的设计。
太阳辐射是一种环境友好的可再生能源。 太阳能的储量是巨大的。 到XNUMX世纪初，人类已经发展并掌握了许多将热能转化为电能的原理。 它们可以有条件地分为机器方法和无机器方法。 后者通常被称为直接能量转换方法，因为它们缺乏将热能转换为机械功的阶段。 在机器转换器中，最著名的是在所有地热和核电厂中运行的蒸汽和燃气轮机。 封闭式燃气轮机工厂的示意图如下所示。 太阳辐射由太阳能锅炉表面的聚光器收集，将工作流体（一种惰性气体）加热到 1200-1500 开氏度左右的温度，并在压缩机产生的压力下向叶片提供热气。燃气轮机，它驱动交流发电机。 在涡轮机中排出的气体首先进入再生器，在那里它加热压缩机后的工作气体。 因此，它有助于主加热器 - 太阳能锅炉的工作。 然后气体在冷却器-散热器中冷却。 1977 年在乌兹别克斯坦科学院物理技术研究所的 11 米多面抛物面集中器上对 XNUMX 千瓦燃气轮机装置进行的测试表明，这种类型的装置具有很强的机动性。 从太阳黑点指向圆柱形锅炉腔的那一刻起，额定速度的输出不超过一分钟。 该装置的效率为 XNUMX%。 在带有蒸汽涡轮转换器的发电厂中，聚光器收集的太阳能加热太阳能锅炉中的工作流体，使其变成饱和蒸汽，然后变成过热蒸汽，在与发电机相连的涡轮机中膨胀。 在涡轮机中排出的蒸汽在冷却器-散热器中冷凝后，其冷凝水被泵压缩后，再次进入锅炉。 由于该装置中的供热和排热是等温进行的，因此平均供热和排热温度高于燃气轮机装置，并且散热器和集中器的特定面积可能会变小。 这种装置在有机工作流体上运行，在相对较低的供热温度（仅 15-20 开氏度）下具有 600-650% 的效率。 图中显示了封闭式燃气轮机设备 (CGTU) 的示意图。此处，由聚光器 1 收集到太阳能锅炉 2 表面的太阳辐射将工作流体（惰性气体）加热至 1200- 1500 K，在压缩机 3 产生的压力下，将热气供应到叶片式燃气轮机 4，后者驱动交流发电机 5。涡轮机排出的气体首先进入蓄热器 6，在蓄热器 7 中加热压缩机后的工作气体，从而促进主加热器 - 太阳能锅炉的运行，然后在冰箱 - 散热器 1977 中冷却。如图所示，36000 年在 1 米的多面抛物面聚光器上进行了 11 千瓦燃气轮机设备的地面测试乌兹别克斯坦科学院物理技术研究所表示，这种类型的装置机动性很强，从太阳黑子对准圆柱形锅炉腔体的那一刻起，达到标称速度（XNUMX rpm）的时间不超过 XNUMX 分钟。 该装置的效率为 XNUMX%。 看起来，对于使用自由能源的太阳能发电厂来说，效率不如使用有机燃料运行的传统热机那么显着。 然而，事实并非如此，因为太阳能空间发电厂最笨重的部件——聚光器和冰箱——发射器——的尺寸和重量主要取决于安装效率。 可以创建带有蒸汽涡轮转换器的发电厂。 将太阳辐射转化为电流
在这里，聚光器 1 收集的太阳能加热太阳能锅炉 2 中的工作流体，变成饱和蒸汽，然后变成过热蒸汽，在涡轮机 4 中膨胀，涡轮机 5 连接到发电机 7。在冷却器中冷凝后-涡轮机中排出的蒸汽的散热器 8，其冷凝水由泵 XNUMX 压缩，再次进入锅炉。 由于该装置中的供热和排热是等温进行的，因此供热和排热的平均温度高于燃气轮机设备（在相同的供热温度下），并且散热器的特定区域和集中器可能比 CCGT 少。 由于机器转换器固有的许多缺点，具有所谓无机器转换器的发电厂是免费的：热电、热离子和光伏，它们直接将太阳辐射的能量转换为电流。 “热电发电机基于德国物理学家 T.I. Seebeck 于 1821 年发现的热电效应，其中包括在两个不同导体的末端出现热电动势，如果这些导体的末端处于不同的温度，”LM 写道在 Soros Educational Journal Drabkin 中 - 开放效应最初用于温度计来测量温度。 这种设备的能源效率 - 热电偶，意味着负载释放的电能与供应的热量之比，仅为百分之几。 仅在 A.F. 院士之后Ioffe 提出用半导体代替金属制造热电偶，热电效应的能源利用成为可能，并于 1940-1941 年在列宁格勒物理与技术研究所制造了世界上第一台半导体热电发电机。 在 40 年代和 50 年代，半导体中的热电效应理论是由他的学校的作品发展起来的，并且合成了非常有效的（直到今天）热电材料。 通过互连各个热电偶，可以创建足够强大的热电堆。 一个 10 吉瓦的发电厂可重达 200 万吨。 减轻发电厂的重量与提高太阳能转化为电能的效率直接相关。 这可以通过两种方式实现：提高转换器的热效率和减少发电厂所有元件的不可逆能量损失。 在第一种情况下，集中辐射可以获得非常高的温度。 但与此同时，对太阳跟踪系统精度的要求也大大提高，这对于巨大尺寸的聚光系统来说是不可能的。 因此，研究人员的努力总是旨在减少不可逆转的损失。 他们试图通过传导减少热量从热结流向冷结。 为了解决这个问题，需要提高半导体材料的品质因数。 然而，经过多年尝试合成具有高品质因数的半导体材料，很明显，今天所取得的价值已经达到了极限。 然后出现了用气隙将热结和冷结分开的想法，就像一个双电极灯 - 一个二极管。 如果在这种灯中，一个电极（阴极）被加热，同时另一个电极（阳极）被冷却，那么外部电路中将出现直流电。 1883 年，托马斯·爱迪生首次观察到这种现象。 “爱迪生发现的现象被称为热离子发射，”L.M. Drabkin 写道，“就像热电一样，它长期用于低电流技术。发射不同，但效率的表达方式是相同的。 TEC 中不可逆损耗的主要成分与阴极和阳极供热和散热的非等温性质、通过 TEC 的结构元件从阴极到阳极的热传递以及与单个模块的串联元件中的欧姆损耗。 为了实现卡诺循环的高效率，现代 TEC 设计用于 1700-1900 K 的阴极工作温度，在约 700 K 的冷却阳极温度下，可以获得约 10% 的效率。 因此，由于转换器本身的不可逆损耗减少，同时供热温度升高，TEC 的效率是上述 TEG 效率的两倍，但供热明显更高温度。
现在考虑能量转换的光电方法。 太阳能电池利用外部光电效应的现象，当用光照射时，它会在半导体的 pn 结处表现出来。 pn（或np）结是通过将具有相反导电性符号的杂质引入到单晶半导体基底材料中而产生的。 当太阳辐射撞击 pn 结时，价带电子被激发，并在外部电路中产生电流。 现代太阳能电池板的效率达到 13-15%。
太阳能发电厂有一个，但一个非常重要的问题。 大气会干扰在地球表面获得和使用“清洁”太阳能。 如果我们将太阳能发电站放置在太空中，在近地轨道上会怎样。 不会有大气干扰，失重将允许您创建许多公里的结构，这些结构是“收集”太阳能量所必需的。 这样的站有很大的优点。 一种能量转化为另一种能量不可避免地伴随着热量的释放，而热量释放到太空中将防止地球大气过热的危险。 今天，虽然设计师们早在 1960 年代后期就开始设计此类发电厂，但现在还无法确定太阳能太空发电厂的实际外观。 太阳能空间发电厂项目的任何版本都假定这是一个巨大的结构。 即使是最小的太空发电厂也必须重达数万吨。 这个巨大的质量需要被发射到远离地球的轨道上。
现代运载火箭能够将所需数量的太阳能电池块、节点和面板运送到低参考轨道。 为了减少会聚阳光的巨大镜子的质量，它们可以由最薄的镜膜制成，例如，以充气结构的形式。 太阳能空间发电厂的组装碎片必须被运送到高轨道并停靠在那里。 而太阳能电站部分就可以依靠自己的动力飞到“工作地点”，只需要在上面安装小推力的电动火箭发动机。 但那是在未来。 到目前为止，太阳能电池板已经成功地为空间站供电。 作者：Musskiy S.A.
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