将太阳能直接转化为电能。方案、说明

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从机器转换器固有的缺点来看，在某种程度上，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（太阳能电池），它们直接将太阳辐射的能量转换成电流。

热电法

热电发电机 (TEG) 是基于德国物理学家 T.I. 1821 年的发现。塞贝克热电效应，即如果两个不同导体的端部温度不同，则在这些导体的端部会出现热电动势。

开路效应最初用于测温术中测量温度。此类热电偶装置的能源效率（即负载处释放的电能与提供的热量之比）仅为百分之几。仅在 A.F. 院士之后约夫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年在列宁格勒物理技术研究所制造了世界上第一台半导体热电发电机。在 40 世纪 50 年代和 XNUMX 年代，半导体热电效应理论得到发展，并合成了非常有效的（至今）热电材料。根据所发展的理论，TEG 效率表达式由以下公式给出：

哪里

z为半导体材料的品质因数，1/K；时间_Г ——热电偶热端温度，K；时间_Х ——冷端温度，K；时间_CP - 热电偶腿的平均温度，K，

M——Ioffe准则，a——热电偶腿的降低的微分热电动势，μV/K； s、l - 热电偶腿的降低的电导率和热导率，分别以 1/(Ohm m) 和 W/(m•K) 为单位。

仔细研究给定的效率公式是有意义的，因为它不仅表征了热电发电机的效率，还表征了其他直接能量转换设备的效率。值得注意的是，TEG 效率取决于与任何热机效率相同的因素：可逆卡诺循环的热效率（公式中的第一个因素）和不可逆能量损失系数（第二个因素）。在 TEG 中，内部不可逆损失主要与沿着正 3 和负 4 分支从热 1（图 3a）到冷 5 结点（结点通常由铜制成，通过反扩散层 2 与分支分开）的传热相关（图3，A))。由公式可知，不可逆损耗越低，所用材料的品质因数越高。然而，理论和多年的实践表明，3•10-3 1/deg 量级的品质因数显然是其极限值。

太阳能直接转化为电能
图3. 热电转换器方案：a——单独的热电偶，b——聚光器上的热电模块

通过互连各个热电偶，可以创建足够强大的热电堆，其中一个如图 3 所示。 3b. 电池位于集中器1的焦平面内；其热接点2直接被集中的太阳辐射加热，冷接点3通过辐射带走热量。空间发电厂的能量特性类似于图 50 所示。 10b，但没有集中器。该装置的预期比重高达 200 W/kg。这意味着一座XNUMX吉瓦的发电厂重量可达XNUMX万吨。

减轻电站重量与提高太阳能转化为电能的效率直接相关，从上式可以看出，可以通过两种方式实现：提高转换器的热效率（卡诺循环）并液化发电厂所有元件中不可逆的能量损失。第一种方法原则上是可行的，因为集中辐射可以获得非常高的温度。然而，这大大提高了对太阳跟踪系统精度的要求，这对于尺寸巨大的聚光系统来说很难实现。因此，研究人员的努力始终致力于减少不可逆损失，主要是减少通过导热性从热端到冷端的热传递。为了解决这个问题，必须提高半导体材料的品质因数。

然而，正如已经提到的，经过多年尝试合成具有高品质因数的半导体材料，很明显所达到的值(2,5-2,7)•105是极限值。然后，在继续寻找减少热流的新方法的同时，出现了用气隙分隔热接点和冷接点的想法，就像双电极灯（二极管）的情况一样。如果在这种灯中加热一个电极（阴极 1）（图 4），同时冷却另一电极（阳极 2），则外部电路中会产生直流电。

太阳能直接转化为电能
图 4。热电子换能器示意图

热电子换能器 (TEC)

爱迪生发现的现象称为热电子发射。与热电一样，它长期以来一直用于弱电流技术。后来，科学家们提请注意使用这种方法将热能转化为电能的可能性。尽管热电和热电子发射的性质不同，但它们具有相同的效率表达式：

其中 h_к- 可逆卡诺循环的效率； H_未修改。 - 考虑热离子（热电）转换器中不可逆损耗的系数。

TEC 中不可逆损失的主要组成部分与阴极和阳极处的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各个模块串联连接元件中的欧姆损耗。

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，在冷却阳极温度约为 700 K 时，可以获得约 10% 的效率。因此，由于转换器本身不可逆损耗的减少以及供热温度的同时增加，TEC 效率结果是上述 TEG 的两倍，但供热温度明显更高。为了获得这样的地球同步轨道阴极表面温度，TEC聚光器对太阳的定向精度必须在6°~8°之内，这在SCES的热功率为10~20 GW和相应的如上所述，集中器的区域可能成为严重的技术问题。

很可能，上述情况在第一代和后续几代航天器的机载供电系统中选择光电转换太阳能的方法时发挥了重要作用。

光电能量转换方式

太阳能电池（图5）基于外部光电效应现象，当受到光照射时，这种效应会在半导体的p-n结处显现出来。 p-n（或 np）跃迁是通过将具有相反导电符号的杂质引入单晶半导体基材中而产生的。例如，将铝或锂引入到硅中。结果，当太阳辐射照射到p-n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%。

太阳能直接转化为电能
图5。太阳能电池图：1-太阳能电池、2-防护玻璃、3-开关母线、4-基板

最有前途的 SCES 转换器是超薄太阳能电池，其效率约为 15%，具体特性为 1 kW/m2 和 200 W/kg。当使用这些太阳能电池作为容量为10GW的SCES转换器时，其面积为50平方公里，重量为2万吨。

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