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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Centrale solare. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Una centrale solare è una struttura ingegneristica che converte la radiazione solare in energia elettrica. I metodi per convertire la radiazione solare sono diversi e dipendono dalla progettazione della centrale elettrica.
La radiazione solare è una fonte di energia ecologica e rinnovabile. Le riserve di energia solare sono enormi. All'inizio del XNUMX° secolo, l'umanità ha sviluppato e padroneggiato una serie di principi per convertire l'energia termica in energia elettrica. Possono essere suddivisi condizionatamente in metodi macchina e senza macchina. Questi ultimi sono spesso indicati come metodi di conversione diretta dell'energia perché mancano della fase di conversione dell'energia termica in lavoro meccanico. Tra i convertitori di macchine, i più famosi sono gli impianti a turbina a vapore ea gas operanti in tutte le centrali termiche e nucleari a terra. Il diagramma schematico di un impianto a turbina a gas chiuso si presenta così. La radiazione solare, raccolta dal concentratore sulla superficie del bollitore solare, riscalda il fluido di lavoro - un gas inerte a temperature dell'ordine di 1200-1500 gradi Kelvin e, sotto pressione creata dal compressore, fornisce gas caldo alle lame di una turbina a gas, che aziona un generatore di corrente alternata. Il gas scaricato nella turbina entra prima nel rigeneratore, dove riscalda il gas di lavoro dopo il compressore. Pertanto, facilita il lavoro del riscaldatore principale: la caldaia solare. Quindi il gas viene raffreddato nel radiatore del radiatore. I test di una centrale a turbina a gas da tre kilowatt, effettuati nel 1977 su un concentratore parabolico sfaccettato di cinque metri presso l'Istituto fisico-tecnico dell'Accademia delle scienze dell'Uzbekistan, hanno dimostrato che impianti di questo tipo sono molto manovrabili. L'uscita alla velocità nominale non era superiore a un minuto dal momento in cui la macchia solare è stata puntata nella cavità della caldaia cilindrica. L'efficienza di questa installazione è dell'11%. In una centrale elettrica con convertitore a turbina a vapore, l'energia solare raccolta dal concentratore riscalda il fluido di lavoro nella caldaia solare, che si trasforma in vapore saturo e poi surriscaldato, che si espande in una turbina collegata a un generatore elettrico. Dopo la condensazione nel radiatore-radiatore del vapore scaricato nella turbina, la sua condensa, compressa dalla pompa, entra nuovamente nella caldaia. Poiché il calore viene fornito e rimosso in questo impianto in modo isotermico, le temperature medie di alimentazione e rimozione sono superiori a quelle di un impianto con turbina a gas e le aree specifiche del radiatore e del concentratore possono essere più piccole. Tale installazione, operando su un fluido di lavoro organico, ha un'efficienza del 15-20 percento a temperature di fornitura di calore relativamente basse - solo 600-650 gradi Kelvin. Nella figura è mostrato un diagramma schematico di una turbina a gas chiusa (CGTU), in cui la radiazione solare raccolta dal concentratore 1 sulla superficie della caldaia solare 2 riscalda il fluido di lavoro, il gas inerte, a temperature dell'ordine di 1200-1500 K. e, sotto la pressione creata dal compressore 3, fornisce gas caldo alla turbina a gas a pale 4, azionando un generatore elettrico a corrente alternata 5. Il gas scaricato nella turbina entra prima nel rigeneratore 6, dove riscalda il gas di lavoro dopo il compressore, facilitando così il funzionamento del riscaldatore principale - la caldaia solare, e poi viene raffreddato nel frigorifero - emettitore 7. Come mostrato, i test a terra di un'installazione di turbina a gas da tre kilowatt, effettuati nel 1977 su un concentratore parabolico smussato di cinque metri a Secondo l'Istituto fisico-tecnico dell'Accademia delle Scienze dell'Uzbekistan, installazioni di questo tipo sono molto manovrabili, raggiungendo la velocità nominale (36000 giri al minuto) non è stato necessario più di 1 minuto dal momento in cui la macchia solare è stata puntata verso la cavità di una caldaia cilindrica. L'efficienza di questa installazione è stata dell'11%. Può sembrare che per le centrali solari che utilizzano energia gratuita, l'efficienza non sia così significativa come per i tradizionali motori termici alimentati a combustibile organico. Tuttavia, non è così, perché le dimensioni e il peso delle parti più ingombranti e pesanti delle centrali solari spaziali - il concentratore e il frigorifero - emettitore - dipendono principalmente dall'efficienza dell'impianto. È possibile realizzare una centrale elettrica con un convertitore a turbina a vapore. Conversione della radiazione solare in corrente elettrica
Qui l'energia solare raccolta dal concentratore 1 riscalda il fluido di lavoro nel boiler solare 2, che si trasforma in vapore saturo e poi surriscaldato, che si espande nella turbina 4, che si collega al generatore elettrico 5. Dopo la condensazione nel raffreddatore -radiatore 7 del vapore esausto nella turbina, la sua condensa, compressa dalla pompa 8, entra nuovamente in caldaia. Poiché la fornitura e la rimozione del calore in questo impianto sono effettuate in modo isotermico, le temperature medie di fornitura e rimozione risultano essere più elevate che in un impianto turbogas (a parità di temperature di fornitura del calore), e le aree specifiche del radiatore e concentratore può risultare inferiore rispetto a un CCGT. Da molte delle carenze inerenti ai convertitori di macchina, le centrali elettriche con i cosiddetti convertitori senza macchina sono esenti: termoelettriche, termoioniche e fotovoltaiche, che convertono direttamente l'energia della radiazione solare in corrente elettrica. "I generatori termoelettrici si basano sull'effetto termoelettrico scoperto nel 1821 dal fisico tedesco T.I. Seebeck, che consiste nella comparsa di termo-EMF alle estremità di due conduttori dissimili, se le estremità di questi conduttori sono a temperature diverse", scrive L.M. nel Soros Educational Journal Drabkin - L'effetto aperto era originariamente utilizzato in termometria per misurare le temperature. L'efficienza energetica di tali dispositivi - termocoppie, che implica il rapporto tra la potenza elettrica rilasciata al carico e il calore fornito, era una frazione di punto percentuale. Solo dopo l'accademico A.F. Ioffe propose di utilizzare semiconduttori invece di metalli per la produzione di termoelementi, l'uso dell'energia dell'effetto termoelettrico divenne possibile e nel 1940-1941 fu creato il primo generatore termoelettrico a semiconduttore al mondo presso l'Istituto di fisica e tecnologia di Leningrado. Negli anni '40 e '50, la teoria dell'effetto termoelettrico nei semiconduttori fu sviluppata dai lavori della sua scuola e furono sintetizzati anche materiali termoelettrici molto efficaci (fino ad oggi). Collegando i singoli termoelementi, è possibile creare termopile sufficientemente potenti. Una centrale da 10 GW può pesare fino a 200 tonnellate. La riduzione del peso della centrale è direttamente correlata all'aumento dell'efficienza di conversione dell'energia solare in elettricità. Ciò può essere ottenuto in due modi: aumentando l'efficienza termica del convertitore e riducendo le perdite di energia irreversibili in tutti gli elementi della centrale. Nel primo caso, l'irraggiamento concentrato permette di ottenere temperature molto elevate. Ma allo stesso tempo, i requisiti per la precisione dei sistemi di inseguimento solare sono notevolmente aumentati, cosa improbabile per sistemi a concentrazione di dimensioni enormi. Pertanto, gli sforzi dei ricercatori erano invariabilmente volti a ridurre le perdite irreversibili. Hanno cercato di ridurre il flusso di calore dalle giunzioni calde alle giunzioni fredde per conduzione. Per risolvere questo problema, è stato necessario ottenere un aumento del fattore di qualità dei materiali semiconduttori. Tuttavia, dopo molti anni di tentativi di sintetizzare materiali semiconduttori con un fattore di alta qualità, è diventato chiaro che il valore raggiunto oggi è il limite. Quindi è nata l'idea di separare le giunzioni calde e fredde con un traferro, come una lampada a due elettrodi: un diodo. Se in una tale lampada un elettrodo, il catodo, viene riscaldato e allo stesso tempo l'altro elettrodo, l'anodo, viene raffreddato, nel circuito elettrico esterno apparirà una corrente continua. Questo fenomeno fu osservato per la prima volta nel 1883 da Thomas Edison. "Il fenomeno scoperto da Edison si chiamava emissione termoionica", scrive L.M. Drabkin. "Come la termoelettricità, è stata utilizzata a lungo nella tecnica delle basse correnti. Le emissioni sono diverse, ma le espressioni per l'efficienza sono le stesse. I componenti principali delle perdite irreversibili nel TEC sono associati alla natura non isotermica della fornitura e rimozione di calore al catodo e all'anodo, al trasferimento di calore dal catodo all'anodo attraverso gli elementi strutturali del TEC, nonché con perdite ohmiche negli elementi del collegamento in serie dei singoli moduli. Per ottenere un'elevata efficienza del ciclo di Carnot, i moderni TEC sono progettati per temperature di esercizio del catodo di 1700-1900 K, che, a temperature degli anodi raffreddati di circa 700 K, consentono di ottenere un'efficienza di circa il 10%. Pertanto, a causa della riduzione delle perdite irreversibili nel convertitore stesso e con un contemporaneo aumento della temperatura di mandata del calore, l'efficienza del TEC risulta essere doppia rispetto a quella del TEG sopra descritto, ma a una fornitura di calore significativamente maggiore temperature.
Consideriamo ora il metodo fotoelettrico di conversione dell'energia. Le celle solari sfruttano il fenomeno di un effetto fotoelettrico esterno, che si manifesta alla giunzione pn in un semiconduttore quando è illuminato dalla luce. Una giunzione pn (o np) viene creata introducendo un'impurità con segno opposto di conducibilità in un materiale di base semiconduttore a cristallo singolo. Quando la radiazione solare colpisce la giunzione pn, gli elettroni della banda di valenza vengono eccitati e viene generata una corrente elettrica nel circuito esterno. L'efficienza dei moderni pannelli solari raggiunge il 13-15%.
Le centrali solari ne hanno uno, ma un problema molto significativo. L'atmosfera interferisce con l'ottenimento e l'utilizzo dell'energia solare "pulita" sulla superficie terrestre. E se collocassimo centrali solari nello spazio, in orbita vicino alla Terra. Non ci saranno interferenze atmosferiche, l'assenza di gravità consentirà di creare molti chilometri di strutture necessarie per "raccogliere" l'energia del Sole. Tali stazioni hanno un grande merito. La trasformazione di un tipo di energia in un altro è inevitabilmente accompagnata dal rilascio di calore e il suo rilascio nello spazio impedirà il pericoloso surriscaldamento dell'atmosfera terrestre. Oggi è impossibile dire con certezza come saranno effettivamente le centrali solari spaziali, anche se i progettisti hanno iniziato a progettare tali centrali alla fine degli anni '1960. Qualsiasi versione del progetto di una centrale solare spaziale presuppone che si tratti di una struttura colossale. Anche la più piccola centrale elettrica spaziale deve pesare decine di migliaia di tonnellate. E questa massa gigantesca dovrà essere lanciata in un'orbita lontana dalla Terra.
I moderni veicoli di lancio sono in grado di fornire il numero richiesto di blocchi, nodi e pannelli di batterie solari su un'orbita di riferimento bassa. Per ridurre la massa di enormi specchi che concentrano la luce solare, possono essere realizzati con la pellicola a specchio più sottile, ad esempio sotto forma di strutture gonfiabili. I frammenti assemblati della centrale solare spaziale devono essere consegnati in orbita alta e attraccati lì. E la sezione della centrale solare sarà in grado di volare verso il "luogo di lavoro" con la propria energia, basta installare su di essa motori a razzo elettrici a bassa spinta. Ma questo è nel futuro. Finora, i pannelli solari hanno alimentato con successo le stazioni spaziali. Autore: Musskiy SA
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