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無線電子工学および電気工学の百科事典 太陽エネルギーを電気に直接変換します。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
機械コンバーターに固有の欠点は、ある程度は解放されますが、いわゆる機械レスコンバーターを備えた発電所、つまり、太陽放射のエネルギーを電流に直接変換する熱電、熱電子、および光起電力（太陽電池）です。 熱電法 熱電発電機 (TEG) は、1821 年にドイツの物理学者 T.I. が発見したことに基づいています。 ゼーベック熱電効果。XNUMX つの異なる導体の端の温度が異なる場合に、これらの導体の端で熱起電力が発生します。 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。 このような熱電対デバイスのエネルギー効率は、供給される熱に対する負荷で放出される電力の比率を意味し、数パーセントでした。 アカデミアンAFの後のみ。 イオ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、1940 年から 1941 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科大学で作成されました。 40 ～ 50 年代に、半導体における熱電効果の理論が開発され、(今日に至るまで) 非常に効果的な熱電材料が合成されました。 開発された理論によれば、TEG 効率の式は次の式で与えられます。
z は半導体材料の品質係数、1/K です。 TГ - 熱電素子の熱接点の温度、K; TХ - 冷接点温度、K; TSR - 熱電対脚の平均温度、K、
M - イオッフェ基準、a - 熱電素子脚の減少した差分熱起電力、μV/K。 s、l - 熱電素子脚の減少した電気伝導率と熱伝導率、それぞれ 1/(オーム・m) と W/(m・K) 単位。 与えられた効率の公式に注目するのは理にかなっています。なぜなら、この公式は熱電発電機だけでなく、直接エネルギー変換のための他のデバイスの効率も特徴付けるからです。 TEG の効率は、あらゆる熱機関の効率と同じ要素、つまり可逆カルノー サイクルの熱効率 (式の最初の要素) と不可逆エネルギー損失係数 (3 番目の要素) に依存することに注目してください。 TEG では、内部不可逆損失は主に、ホット 4 (図 1a) の接合部からコールド 3 接合部までのプラス 5 およびマイナス 2 のブランチに沿った熱伝達に関連しています (接合部は通常銅でできており、拡散防止層 3 によってブランチから分離されています)。図3、A))。 式から分かるように、不可逆損失が低いほど、使用される材料の品質係数は高くなります。 しかし、理論と長年の実践により、10・3-1 XNUMX/度程度の品質係数の値が明らかに限界値であることが示されています。
個々の熱電素子を相互接続することにより、十分に強力なサーモパイルを作成することができます。そのうちの 3 つを図に示します。 3b. バッテリーは集光器３の焦点面に配置されている。 熱接点 1 は集中した太陽放射によって直接加熱され、熱は放射によって冷接点 2 から除去されます。 宇宙発電所には、図に示すようなエネルギー特性があります。 3b ですが、集光器はありません。 植物の予想比重は最大 50 W/kg です。 これは、10 GW の発電所の重量が最大 200 トンになる可能性があることを意味します。 発電所の重量を軽減することは、太陽エネルギーを電気に変換する効率の向上に直接関係しており、上記の式からわかるように、これは XNUMX つの方法で達成できます。カルノーサイクル）、発電所のすべての要素で液化不可逆的なエネルギー損失が発生します。 最初の方法は、集中した放射線によって非常に高い温度を得ることができるため、原理的には可能です。 しかし、これにより太陽追尾システムの精度に対する要件が大幅に高まり、巨大なサイズの集光システムではそれを達成することはほとんど不可能になります。 したがって、研究者の努力は常に不可逆損失を減らすこと、主に熱伝導率による熱接点から冷接点への熱伝達を減らすことを目的としています。 この問題を解決するには、半導体材料の品質係数を向上させる必要がありました。 しかし、すでに述べたように、高い品質係数で半導体材料を合成する長年の試みの結果、達成された値 (2,5 ～ 2,7) · 105 が限界値であることが明らかになりました。 その後、熱流を低減する新しい方法を模索し続ける中で、1 電極ランプ (ダイオード) の場合と同様に、ホット ジャンクションとコールド ジャンクションをエア ギャップで分離するというアイデアが生まれました。 このようなランプ内で一方の電極である陰極 4 が加熱され (図 2)、同時にもう一方の電極である陽極 XNUMX が冷却されると、外部電気回路に直流電流が発生します。
熱電子変換器 (TEC) 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。 熱電気と同様、低電流技術で長年使用されてきました。 その後、科学者たちはこの方法を使用して熱を電気に変換する可能性に注目しました。 熱電気と熱電子放出の性質は異なりますが、効率については同じ式が得られます。
どこでк - 可逆カルノーサイクルの効率。 hアンモッド。 - 熱イオン (熱電) コンバーターにおける不可逆損失を考慮した係数。 TEC における不可逆損失の主な構成要素は、カソードとアノードにおける熱の供給と除去の非等温性、TEC の構造要素を通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達成するために、最新の TEC は 1700 ～ 1900 K のカソード動作温度向けに設計されており、約 700 K の冷却されたアノードの温度で約 10% の効率を得ることが可能です。 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 6 倍になりますが、熱供給温度が大幅に高くなります。 静止軌道でこのような陰極表面の温度を取得するには、TEC 集光器の太陽に対する方位の精度が 8°～10° 以内でなければなりません。これは、SCES の熱出力が 20 ～ XNUMX GW で、それに対応するコンセントレータの領域は、上で述べたように、重大な技術的問題になる可能性があります。 第一世代およびその後の世代の宇宙船の搭載電源システムで太陽エネルギーを変換する光電方式の選択において、上記の状況が重要な役割を果たした可能性は十分にあります。 光電エネルギー変換方式 太陽電池（図5）は、光が照射されると半導体のpn接合に現れる外部光電効果の現象に基づいています。 p-n (または np) 転移は、単結晶半導体基材に導電率の反対の符号を持つ不純物を導入することによって作成されます。 例えば、シリコンにアルミニウムやリチウムを導入する。 その結果、太陽光が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。 最新のソーラーパネルの効率は 13 ～ 15% に達します。
SCESコンバータの作成に最も有望なのは、15kW/m1および2W/kgの固有特性を備えた効率約200%の超薄型太陽電池です。 この太陽電池を容量10GWのSCESのコンバータとして使用した場合、面積は50km2、重量は10万トンとなります。
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