太陽光発電所。発明と生産の歴史

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太陽光発電所。発明と生産の歴史

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太陽光発電所は、太陽放射を電気エネルギーに変換する工学構造です。太陽放射を変換する方法は異なり、発電所の設計によって異なります。

太陽光発電所

日射は環境に優しく再生可能なエネルギー源です。太陽エネルギーの埋蔵量は膨大です。 XNUMX世紀の初めまでに、人類は熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための多くの原理を開発し、習得しました。それらは条件付きで機械的方法と機械なしの方法に分けることができます。後者は、熱エネルギーを機械的仕事に変換する段階がないため、直接エネルギー変換法と呼ばれることがよくあります。

機械変換器の中で最も有名なのは、すべての地上火力および原子力発電所で稼働する蒸気およびガスタービンプラントです。

クローズドガスタービンプラントの概略図は次のようになります。ソーラーボイラーの表面にあるコンセントレーターによって収集された太陽放射は、作動流体（不活性ガス）を1200〜1500度ケルビンのオーダーの温度に加熱し、コンプレッサーによって生成された圧力の下で、のブレードに高温ガスを供給します。交流発電機を駆動するガスタービン。タービンで排出されたガスは、最初に再生器に入り、そこで圧縮機の後に作動ガスを加熱します。したがって、それはメインヒーター-ソーラーボイラーの仕事を容易にします。次に、ガスはクーラーラジエーターで冷却されます。

1977 年にウズベキスタン科学アカデミーの物理技術研究所で 11 メートルのファセットパラボリックコンセントレータで実施された XNUMX キロワットのガスタービンプラントのテストでは、このタイプのプラントが非常に操作しやすいことが示されました。公称速度までの出力は、太陽の黒点が円筒形ボイラーの空洞に向けられた瞬間からわずか XNUMX 分でした。このインストールの効率は XNUMX% です。

蒸気タービンコンバーターを備えた発電所では、集光器によって収集された太陽エネルギーがソーラーボイラー内の作動流体を加熱します。この作動流体は飽和蒸気になり、次に過熱蒸気になり、発電機に接続されたタービンで膨張します。タービンで排出された蒸気がクーラーラジエーターで凝縮した後、ポンプで圧縮されたその凝縮液が再びボイラーに入ります。この設備での熱の供給と除去は等温で行われるため、供給と除去の平均温度はガスタービン設備よりも高く、ラジエータとコンセントレータの特定の領域が小さくなる場合があります。有機作動流体で動作するこのような設備は、熱供給の比較的低い温度（わずか15〜20ケルビン）で600〜650パーセントの効率を持っています。

密閉型ガスタービンプラント (CGTU) の概略図が図に示されており、集光器 1 によってソーラーボイラー 2 の表面に集められた太陽放射が、作動流体 (不活性ガス) を約 1200 度の温度まで加熱します。 1500 K に達し、圧縮機 3 によって生成された圧力下で高温ガスがブレードガスタービン 4 に供給され、交流発電機 5 が駆動されます。タービンで排出されたガスは最初に再生器 6 に入り、そこで圧縮機の後の作動ガスを加熱します。これにより、メインヒーターである太陽ボイラーの動作が容易になり、次に冷蔵庫で冷却されるラジエーター7が促進されます。示されているように、1977キロワットのガスタービンプラントの地上試験は、36000年に1メートルのファセットパラボラ集光器で実施されました。ウズベキスタン科学アカデミー物理技術研究所によると、このタイプの設備は非常に機動性が高く、黒点が円筒ボイラーの空洞に向けられた瞬間から公称速度 (11 rpm) に達するまでに XNUMX 分もかかりませんでした。この設置の効率は XNUMX% でした。

フリーエネルギーを使用する太陽光発電所の場合、効率は有機燃料で動作する従来の熱機関ほど重要ではないと思われるかもしれません。しかし、これはそうではありません。なぜなら、太陽宇宙発電所の最も大きくて重い部品である集光器と冷蔵庫（エミッタ）の寸法と重量は、主に設備の効率に依存するからです。

蒸気タービンコンバーターを備えた発電所を作成することが可能です。

太陽放射を電流に変換する

太陽光発電所
太陽電池ガスタービン（a）と蒸気タービン（b）の電気設備の概略図

ここで、集光器 1 によって収集された太陽エネルギーはソーラーボイラー 2 内の作動流体を加熱し、飽和蒸気になり過熱蒸気になり、タービン 4 で膨張し、発電機 5 に接続されます。冷却器で凝縮した後、タービン内で排出された蒸気のラジエーター 7、その凝縮水はポンプ 8 によって圧縮され、再びボイラーに入ります。この設備では熱の供給と除去が等温で行われるため、供給と除去の平均温度はガスタービンプラントよりも高く（同じ熱供給温度の場合）、ラジエーターとラジエーターの特定の領域は高くなります。コンセントレータの性能は CCGT よりも小さいことが判明する可能性があります。

マシンコンバーターに固有の多くの欠点から、いわゆるマシンレスコンバーターを備えた発電所は無料です。熱電、熱電子、および太陽光発電で、太陽放射のエネルギーを電流に直接変換します。

「熱電発電機は、ドイツの物理学者 T.I. ゼーベックによって 1821 年に発見された熱電効果に基づいています。これは、XNUMX つの異なる導体の端部が異なる温度にある場合、XNUMX つの異なる導体の端部に熱起電力が現れることから成り立っています」と L.M. は書いています。ソロス教育ジャーナルドラブキン - オープン効果は、もともと温度測定で温度を測定するために使用されていました。

そのようなデバイス - 熱電対のエネルギー効率は、負荷で放出された電力と供給された熱の比率を意味し、パーセントの何分の1940かでした。 Academician A.F. の後でのみ。ヨッフェは熱電素子の製造に金属の代わりに半導体を使用することを提案し、熱電効果のエネルギー利用が可能になり、1941年から40年にかけて世界初の半導体熱電発電機がレニングラード物理工学研究所で作成されました。 50 年代と XNUMX 年代には、半導体の熱電効果の理論が彼の学校の研究によって発展し、非常に効果的な (今日に至るまで) 熱電材料が合成されました。

個々の熱電素子を相互接続することで、十分に強力なサーモパイルを作成できます。 10 GW の発電所は、最大 200 トンの重さがあります。発電所の軽量化は、太陽エネルギーを電力に変換する効率の向上に直結します。これは、コンバーターの熱効率を高めることと、発電所のすべての要素で不可逆的なエネルギー損失を減らすことの XNUMX つの方法で達成できます。

最初のケースでは、集中した放射により、非常に高い温度が得られます。しかし同時に、太陽追跡システムの精度に対する要件が大幅に増加しており、これは巨大なサイズの集光システムには当てはまりません。したがって、研究者の努力は常に、不可逆的な損失を減らすことを目的としていました。彼らは、伝導によって高温接合部から低温接合部への熱の流れを減らそうとしました。この問題を解決するには、半導体材料の品質係数の向上を達成する必要がありました。しかし、品質係数の高い半導体材料を合成するための長年の試みの結果、現在達成されている値が限界であることが明らかになりました。その後、1883 電極ランプのようなエアギャップ (ダイオード) でホットジャンクションとコールドジャンクションを分離するというアイデアが生まれました。このようなランプで XNUMX つの電極 (陰極) が加熱され、もう XNUMX つの電極 (陽極) が冷却されると、外部電気回路に直流が現れます。この現象は、XNUMX 年にトーマス・エジソンによって初めて観測されました。

「エジソンによって発見された現象は、熱電子放出と呼ばれていました。熱電と同様に、低電流の技術で長い間使用されていました。放出は異なりますが、効率の表現は同じです。

TECの不可逆損失の主な要素は、カソードとアノードでの熱の供給と除去の非等温性、TECの構造要素を介したカソードからアノードへの熱伝達、および個々のモジュールの直列接続の要素における抵抗損失。

カルノーサイクルの高効率を実現するために、最新の TEC は 1700 ～ 1900 K のカソード動作温度用に設計されており、約 700 K の冷却アノード温度で約 10% の効率を得ることができます。したがって、コンバータ自体の不可逆損失が減少し、同時に熱供給温度が上昇するため、TEC効率は上記のTEGのXNUMX倍になりますが、熱供給温度は大幅に高くなります。

太陽光発電所
ソーラーモジュール

ここで、エネルギー変換の光電法について考えてみましょう。太陽電池は、外部光電効果の現象を利用します。これは、半導体が光で照らされると、半導体のpn接合に現れます。 pn（またはnp）接合は、導電率の符号が反対の不純物を単結晶半導体ベース材料に導入することによって作成されます。太陽放射がpn接合に当たると、価電子帯の電子が励起され、外部回路に電流が発生します。最新の太陽電池の効率は13〜15パーセントに達します。

太陽光発電所
外部光電効果

太陽光発電所には XNUMX つの問題がありますが、これは非常に重大な問題です。大気は、地表での「クリーンな」太陽エネルギーの取得と使用を妨げます。そして、太陽光発電所を宇宙の地球に近い軌道に配置するとどうなるでしょうか。大気の干渉はなく、無重力により、太陽のエネルギーを「収集」するために必要な数キロメートルの構造を作成できます。このような駅には大きなメリットがあります。あるタイプのエネルギーから別のタイプのエネルギーへの変換には必然的に熱の放出が伴い、宇宙への放出は地球の大気の危険な過熱を防ぎます。

設計者は 1960 年代後半にそのような発電所の設計を開始しましたが、今日、太陽宇宙発電所が実際にどのように見えるかを確実に言うことは不可能です。太陽光発電所のプロジェクトのどのバージョンも、これが巨大な構造であると想定しています。最小の宇宙発電所でさえ、数万トンの重量が必要です。そして、この巨大な質量を地球から遠く離れた軌道に打ち上げる必要があります。

宇宙太陽光発電所

最新のロケットは、必要な数の太陽電池のブロック、ノード、およびパネルを低基準軌道に運ぶことができます。太陽光を集中させる巨大な鏡の質量を減らすために、それらは、例えば膨張可能な構造の形で、最も薄い鏡フィルムから作ることができます。太陽宇宙発電所の組み立てられた断片は、高軌道に運ばれ、そこにドッキングされなければなりません。そして、太陽光発電所のセクションは、それ自体の力で「職場」に飛ぶことができるようになり、低推力の電気ロケットエンジンを取り付けるだけで済みます。

しかし、それは将来のことです。これまでのところ、ソーラーパネルは宇宙ステーションへの電力供給に成功しています。

著者：Musskiy S.A.

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