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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Conversione diretta dell'energia solare in energia elettrica. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Dalle carenze inerenti ai convertitori di macchine, in una certa misura, sono libere le centrali elettriche con i cosiddetti convertitori senza macchina: termoelettrici, termoionici e fotovoltaici (batterie solari), che convertono direttamente l'energia della radiazione solare in corrente elettrica. metodo termoelettrico I generatori termoelettrici (TEG) si basano sulla scoperta nel 1821 del fisico tedesco T.I. Effetto termoelettrico Seebeck, consistente nel verificarsi di termo-EMF alle estremità di due conduttori dissimili, se le estremità di questi conduttori sono a temperature diverse. L'effetto aperto è stato originariamente utilizzato in termometria per misurare le temperature. L'efficienza energetica di tali dispositivi a termocoppia, che implica il rapporto tra l'energia elettrica rilasciata al carico e il calore fornito, era di frazioni di punto percentuale. Solo dopo che l'accademico A.F. Ioffe propose l'uso di semiconduttori invece di metalli per la fabbricazione di termoelementi, divenne possibile l'uso energetico dell'effetto termoelettrico 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 40-50 fu sviluppata la teoria dell'effetto termoelettrico nei semiconduttori e furono sintetizzati materiali termoelettrici molto efficaci (fino ad oggi). Secondo la teoria sviluppata, l'espressione dell'efficienza TEG è data dalla formula:
z è il fattore di qualità del materiale semiconduttore, 1/K; TГ - temperatura del giunto caldo del termoelemento, K; TХ - temperatura del giunto freddo, K; TCP - temperatura media gamba del termoelemento, K,
M - Criterio di Ioffe, a - termo-EMF differenziale ridotto delle gambe del termoelemento, µV/K; s, l - conduttività elettrica e conducibilità termica ridotte delle gambe del termoelemento, rispettivamente, in 1/(Ohm m) e W/(m•K). Ha senso soffermarsi sulla formula data per l'efficienza, poiché caratterizza l'efficienza non solo dei generatori termoelettrici, ma anche di altri dispositivi per la conversione diretta dell'energia. È interessante notare che l'efficienza TEG dipende dagli stessi fattori dell'efficienza di qualsiasi motore termico: l'efficienza termica del ciclo di Carnot reversibile (il primo fattore nella formula) e il coefficiente di perdite di energia irreversibili (il secondo fattore). In TEG, le perdite irreversibili interne sono principalmente associate al trasferimento di calore lungo i rami positivo 3 e negativo 4 dalle giunzioni calda 1 (Fig. 3a) a quella fredda 5 (le giunzioni, solitamente in rame, sono separate dalle diramazioni da strati antidiffusione 2 ( Figura 3, A)). Come risulta dalla formula, minori sono le perdite irreversibili, maggiore è il fattore di qualità dei materiali utilizzati. Tuttavia, la teoria e molti anni di pratica hanno dimostrato che il valore del fattore di qualità dell'ordine di 3 • 10-3 1/deg è, apparentemente, il suo valore limite.
Interconnettendo i singoli termoelementi, è possibile creare termopile sufficientemente potenti, una delle quali è mostrata in Fig. 3b. La batteria si trova nel piano focale del concentratore 3; le sue giunzioni calde 1 sono riscaldate direttamente dalla radiazione solare concentrata e il calore viene rimosso dalle giunzioni fredde 2 per irraggiamento. Esistono caratteristiche energetiche di una centrale elettrica spaziale, simili a quella mostrata in Fig. 3b, ma senza il concentratore. Il peso specifico previsto della pianta è fino a 50 W/kg. Ciò significa che una centrale elettrica 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, che, come si può vedere dalla formula sopra, può essere ottenuta in due modi: aumentando l'efficienza termica del convertitore (l'efficienza del il ciclo di Carnot) e liquefazione delle perdite di energia irreversibili in tutti gli elementi della centrale. Il primo modo è, in linea di principio, possibile, poiché l'irraggiamento concentrato consente di ottenere temperature molto elevate. Tuttavia, ciò aumenta notevolmente i requisiti per la precisione dei sistemi di inseguimento solare, che è difficilmente ottenibile per sistemi a concentrazione di dimensioni enormi. Pertanto, gli sforzi dei ricercatori sono stati invariabilmente mirati a ridurre le perdite irreversibili, principalmente a ridurre il trasferimento di calore dalle giunzioni calde alle giunzioni fredde per conduttività termica. Per risolvere questo problema, è stato necessario ottenere un aumento del fattore di qualità dei materiali semiconduttori. Tuttavia, come già accennato, dopo molti anni di tentativi di sintetizzare materiali semiconduttori con un elevato fattore di qualità, è diventato chiaro che il valore raggiunto (2,5-2,7) • 105 è il valore limite. Quindi, pur continuando a cercare nuovi modi per ridurre il flusso di calore, è nata l'idea di separare le giunzioni calda e fredda con un traferro, come nel caso di una lampada a due elettrodi: un diodo. Se un elettrodo, il catodo 1, viene riscaldato in una tale lampada (Fig. 4), e allo stesso tempo l'altro elettrodo, l'anodo 2, viene raffreddato, si verifica una corrente continua nel circuito elettrico esterno.
Trasduttore termoionico (TEC) Il fenomeno scoperto da Edison fu chiamato emissione termoionica. Come la termoelettricità, è stata a lungo utilizzata nella tecnologia a bassa corrente. Successivamente, gli scienziati hanno attirato l'attenzione sulla possibilità di utilizzare il metodo per convertire il calore in elettricità. E sebbene la natura della termoelettricità e dell'emissione termoionica sia diversa, hanno le stesse espressioni per l'efficienza:
dove hк - efficienza del ciclo di Carnot reversibile; Hnon mod. - coefficiente che tiene conto delle perdite irreversibili nel convertitore termoionico (termoelettrico). I componenti principali delle perdite irreversibili nel TEC sono associati alla natura non isotermica della fornitura di calore e alla rimozione 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 alimentazione del calore, l'efficienza TEC risulta essere doppia rispetto a quella del TEG sopra descritto, ma a temperature di alimentazione del calore significativamente più elevate. Per ottenere tali temperature delle superfici catodiche in un'orbita geostazionaria, la precisione di orientamento al Sole del concentratore TEC deve essere compresa tra 6°–8°, che, con la potenza termica dello SCES di 10–20 GW e il corrispondente aree dei concentratori, può diventare, come detto in precedenza, un serio problema tecnico. È del tutto possibile che le circostanze citate abbiano giocato un ruolo importante nella scelta del metodo fotoelettrico per convertire l'energia solare nei sistemi di alimentazione di bordo della prima e delle successive generazioni di veicoli spaziali. Metodo di conversione dell'energia fotoelettrica La batteria solare (Fig. 5) si basa sul fenomeno di un effetto fotoelettrico esterno, che si manifesta alla giunzione p-n in un semiconduttore quando è illuminato dalla luce. Una transizione p-n (o np) viene creata introducendo impurità con il segno opposto di conduttività in un materiale di base semiconduttore a cristallo singolo. Ad esempio, l'alluminio o il litio vengono introdotti nel silicio. Di conseguenza, quando la radiazione solare colpisce la giunzione p-n, 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%.
I più promettenti per la creazione di convertitori SCES sono celle solari ultrasottili con un'efficienza di circa il 15% con caratteristiche specifiche di 1 kW/m2 e 200 W/kg. Quando si utilizzano queste batterie solari come convertitore di SCES con una capacità di 10 GW, la loro area sarebbe di 50 km2 con un peso di 10mila tonnellate.
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