המרה ישירה של אנרגיה סולארית לחשמל. תכנית, תיאור

אינציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל
ספרייה חינם / ערכות של מכשירים רדיו-אלקטרוניים וחשמליים

המרה ישירה של אנרגיה סולארית לחשמל. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל

ספריה טכנית בחינם

אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל / מקורות אנרגיה חלופיים

מהחסרונות הגלומים בממירי מכונות, במידה מסוימת, תחנות כוח עם ממירים כביכול ללא מכונות חופשיות: תרמו-אלקטריים, תרמיוניים ופוטו-וולטאיים (סוללות סולאריות), אשר ממירות ישירות את האנרגיה של קרינת השמש לזרם חשמלי.

שיטה תרמו-אלקטרית

גנרטורים תרמו-אלקטריים (TEG) מבוססים על התגלית בשנת 1821 על ידי הפיזיקאי הגרמני T.I. אפקט תרמו-אלקטרי של Seebeck, המורכב מהתרחשות של תרמו-EMF בקצוות של שני מוליכים שונים, אם הקצוות של מוליכים אלה נמצאים בטמפרטורות שונות.

האפקט הפתוח שימש במקור בתרמומטריה למדידת טמפרטורות. יעילות האנרגיה של מכשירים תרמיים כאלה, המרמזת על היחס בין הכוח החשמלי המשתחרר בעומס לבין החום שסופק, היה שברירי אחוזים. רק לאחר שהאקדמיה א.פ. איופה הציע להשתמש במוליכים למחצה במקום מתכות לייצור אלמנטים תרמויים, השימוש באנרגיה באפקט התרמו-אלקטרי התאפשר, ובשנים 1940-1941 נוצר במכון לנינגרד לפיזיקה וטכנולוגיה הגנרטור התרמו-מוליכים למחצה הראשון בעולם. בשנות ה-40-50 פותחה התיאוריה של האפקט התרמו-אלקטרי במוליכים למחצה, וסונתזו חומרים תרמו-אלקטריים יעילים מאוד (עד היום). על פי התיאוריה שפותחה, ביטוי היעילות של TEG ניתן על ידי הנוסחה:

איפה

z הוא גורם האיכות של החומר המוליך למחצה, 1/K; ט_Г - טמפרטורת הצומת החמה של התרמואלמנט, K; ט_Х - טמפרטורת צומת קרה, K; ט_CP - טמפרטורה ממוצעת של רגל תרמו-אלמנט, K,

M - קריטריון Ioffe, a - תרמו-EMF דיפרנציאלי מופחת של רגלי תרמו-אלמנט, µV/K; s, l - מוליכות חשמלית מופחתת ומוליכות תרמית של רגלי תרמו-אלמנטים, בהתאמה, ב-1/(אוהם m) ו-W/(m•K).

זה הגיוני להתעכב על הנוסחה הנתונה ליעילות, שכן היא מאפיינת את היעילות של לא רק גנרטורים תרמו-אלקטריים, אלא גם מכשירים אחרים להמרת אנרגיה ישירה. ראוי לציין שיעילות TEG תלויה באותם גורמים כמו היעילות של כל מנוע חום: היעילות התרמית של מחזור קרנו הפיך (הגורם הראשון בנוסחה) ומקדם הפסדי האנרגיה הבלתי הפיכים (הגורם השני). ב-TEG, הפסדים פנימיים בלתי הפיכים קשורים בעיקר להעברת חום לאורך הענפים החיוביים 3 ושליליים 4 מצמתים חמים 1 (איור 3א) ועד 5 צמתים קרים (צמתים, עשויים בדרך כלל מנחושת, מופרדים מהענפים על ידי שכבות נגד דיפוזיה 2 (איור 3א)). כפי שעולה מהנוסחה, ככל שההפסדים הבלתי הפיכים נמוכים יותר, כך גורם האיכות של החומרים המשמשים גבוה יותר. עם זאת, תיאוריה ושנים רבות של תרגול הראו שהערך של גורם האיכות בסדר גודל של 3 • 10-3 1/° הוא, ככל הנראה, הערך המגביל שלו.

המרה ישירה של אנרגיה סולארית לחשמל
איור 3. ערכת ממיר תרמואלקטרי: a - אלמנט תרמו נפרד, b - מודול תרמו-אלקטרי ברכז

על ידי חיבור בין אלמנטים תרמויים בודדים, ניתן ליצור עמודים חזקים מספיק, שאחד מהם מוצג באיור. 3ב. הסוללה ממוקמת במישור המוקד של הרכז 3; הצמתים החמים שלו 1 מחוממים ישירות על ידי קרינת שמש מרוכזת, וחום מסולק מצמתים קרים 2 על ידי קרינה. ישנם מאפייני אנרגיה של תחנת כוח בחלל, בדומה לזה שמוצג באיור. 3b, אך ללא הרכז. המשקל הסגולי הצפוי של הצמח הוא עד 50 ואט/ק"ג. המשמעות היא שתחנת כוח של 10 GW יכולה לשקול עד 200 טון.

הפחתת משקל תחנת הכוח קשורה ישירות להגברת היעילות של המרת אנרגיית השמש לחשמל, אשר, כפי שניתן לראות מהנוסחה לעיל, ניתן להשיג בשתי דרכים: הגדלת היעילות התרמית של הממיר (יעילות מחזור קרנו) והנזלת הפסדי אנרגיה בלתי הפיכים בכל מרכיבי תחנת הכוח. הדרך הראשונה אפשרית, עקרונית, שכן קרינה מרוכזת מאפשרת להשיג טמפרטורות גבוהות מאוד. עם זאת, זה מגדיל מאוד את הדרישות לדיוק של מערכות מעקב סולאריות, דבר שבקושי ניתן להשגה עבור מערכות ריכוז בגודל עצום. לכן, המאמצים של החוקרים כוונו תמיד להפחתת הפסדים בלתי הפיכים, בעיקר להפחתת העברת החום מצמתים חמים לצמתים קרים על ידי מוליכות תרמית. כדי לפתור בעיה זו, היה צורך להשיג עלייה בגורם האיכות של חומרים מוליכים למחצה.

אולם, כפי שכבר הוזכר, לאחר שנים רבות של ניסיונות לסנתז חומרים מוליכים למחצה עם מקדם איכות גבוה, התברר כי הערך שהושג (2,5-2,7) • 105 הוא הערך המגביל. לאחר מכן, תוך כדי המשך חיפוש אחר דרכים חדשות להפחתת זרימת החום, עלה הרעיון להפריד את הצמתים החמים והקרים בעזרת מרווח אוויר, כפי שקורה במנורת שתי אלקטרודות - דיודה. אם אלקטרודה אחת, קתודה 1, מחוממת במנורה כזו (איור 4), ובמקביל מתקררת האלקטרודה השנייה, אנודה 2, אז נוצר זרם ישר במעגל החשמלי החיצוני.

המרה ישירה של אנרגיה סולארית לחשמל
איור.4. תרשים סכמטי של מתמר תרמיוני

מתמר תרמיוני (TEC)

התופעה שגילה אדיסון נקראה פליטה תרמיונית. כמו תרמו-חשמליות, זה כבר מזמן בשימוש בטכנולוגיית זרם נמוך. מאוחר יותר, מדענים הסבו את תשומת הלב לאפשרות להשתמש בשיטה להמרת חום לחשמל. ולמרות שטבע התרמו-חשמל ופליטת תרמיונית שונה, יש להם את אותם ביטויים ליעילות:

איפה ח_к- יעילות מחזור קרנו הפיך; ח_unmod. - מקדם תוך התחשבות בהפסדים בלתי הפיכים בממיר התרמיוני (תרמו-אלקטרי).

המרכיבים העיקריים של הפסדים בלתי הפיכים ב-TEC קשורים לאופי הלא-איזותרמי של אספקת החום וההסרה בקתודה ובאנודה, העברת החום מהקתודה לאנודה דרך האלמנטים המבניים של ה-TEC, כמו גם עם הפסדים אוהמיים באלמנטים של חיבור סדרתי של מודולים בודדים.

כדי להשיג יעילות גבוהה של מחזור קרנו, TECs מודרניים מיועדים לטמפרטורות הפעלה קתודיות של 1700–1900 K, מה שבטמפרטורות של אנודות מקוררות של כ-700 K, מאפשר להשיג יעילות של כ-10%. כך, עקב הפחתת ההפסדים הבלתי הפיכים בממיר עצמו ועם עליה בו זמנית בטמפרטורת אספקת החום, יעילות ה-TEC מתבררת ככפולה מזו של ה-TEG שתואר לעיל, אך בטמפרטורות אספקת חום גבוהות משמעותית. כדי לקבל טמפרטורות כאלה של משטחי הקתודה במסלול גיאו-סינכרוני, דיוק ההתמצאות לשמש של רכז ה-TEC חייב להיות בטווח של 6°-8°, מה שעם הספק תרמי של ה-SCES של 10-20 GW והאזורים המתאימים של הרכזים, יכול להפוך, כפי שצוין לעיל, לבעיה טכנית רצינית.

בהחלט ייתכן שהנסיבות המצוינות מילאו תפקיד חשוב בבחירת השיטה הפוטואלקטרית להמרת אנרגיה סולארית במערכות אספקת החשמל המשולבות של הדור הראשון והאחרי של חלליות.

שיטת המרת אנרגיה פוטו-אלקטרית

הסוללה הסולארית (איור 5) מבוססת על תופעת אפקט פוטו-אלקטרי חיצוני, המתבטא בצומת p-n במוליך למחצה כאשר הוא מואר באור. מעבר p-n (או np) נוצר על ידי החדרת זיהומים עם סימן הפוך של מוליכות לתוך חומר בסיס מוליך למחצה חד-גביש. לדוגמה, אלומיניום או ליתיום מוכנסים לסיליקון. כתוצאה מכך, כאשר קרינת השמש פוגעת בצומת p-n, האלקטרונים של פס הערכיות מתרגשים ונוצר זרם חשמלי במעגל החיצוני. היעילות של פאנלים סולאריים מודרניים מגיעה ל-13-15%.

המרה ישירה של אנרגיה סולארית לחשמל
איור.5. דיאגרמת סוללה סולארית: 1 - תא סולארי, 2 - זכוכית מגן, 3 - אפיק מיתוג, 4 - מצע

המבטיחים ביותר ליצירת ממירי SCES הם תאים סולאריים דקים במיוחד עם יעילות של כ-15% עם מאפיינים ספציפיים של 1 קילוואט/מ"ר ו-2 ואט/ק"ג. כאשר משתמשים בסוללות סולאריות אלו כממיר של SCES בהספק של 200 GW, שטחן יהיה 10 קמ"ר עם משקל של 50 אלף טון.

ראה מאמרים אחרים סעיף מקורות אנרגיה חלופיים.

תקרא ותכתוב שימושי הערות על מאמר זה.

<< חזרה

חדשות אחרונות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה:

עור מלאכותי לחיקוי מגע 15.04.2024

בעולם טכנולוגי מודרני בו המרחק הופך להיות נפוץ יותר ויותר, חשוב לשמור על קשר ותחושת קרבה. ההתפתחויות האחרונות בעור מלאכותי על ידי מדענים גרמנים מאוניברסיטת Saarland מייצגים עידן חדש באינטראקציות וירטואליות. חוקרים גרמנים מאוניברסיטת Saarland פיתחו סרטים דקים במיוחד שיכולים להעביר את תחושת המגע למרחקים. טכנולוגיה חדשנית זו מספקת הזדמנויות חדשות לתקשורת וירטואלית, במיוחד עבור אלה שמוצאים את עצמם רחוקים מיקיריהם. הסרטים הדקים במיוחד שפיתחו החוקרים, בעובי של 50 מיקרומטר בלבד, ניתנים לשילוב בטקסטיל וללבוש כמו עור שני. סרטים אלה פועלים כחיישנים המזהים אותות מישוש מאמא או אבא, וכמפעילים המשדרים את התנועות הללו לתינוק. הורים הנוגעים בבד מפעילים חיישנים המגיבים ללחץ ומעוותים את הסרט הדק במיוחד. זֶה ... >>

פסולת חתולים של Petgugu Global 15.04.2024

טיפול בחיות מחמד יכול להיות לעתים קרובות אתגר, במיוחד כשמדובר בשמירה על ניקיון הבית שלך. הוצג פתרון מעניין חדש של הסטארטאפ Petgugu Global, שיקל על בעלי החתולים ויעזור להם לשמור על ביתם נקי ומסודר בצורה מושלמת. הסטארט-אפ Petgugu Global חשפה אסלת חתולים ייחודית שיכולה לשטוף צואה אוטומטית, ולשמור על הבית שלכם נקי ורענן. מכשיר חדשני זה מצויד בחיישנים חכמים שונים המנטרים את פעילות האסלה של חיית המחמד שלכם ופועלים לניקוי אוטומטי לאחר השימוש. המכשיר מתחבר למערכת הביוב ומבטיח פינוי פסולת יעיל ללא צורך בהתערבות של הבעלים. בנוסף, לאסלה קיבולת אחסון גדולה הניתנת לשטיפה, מה שהופך אותה לאידיאלית עבור משקי בית מרובי חתולים. קערת המלטה לחתולים של Petgugu מיועדת לשימוש עם המלטה מסיסת במים ומציעה מגוון זרמים נוספים ... >>

האטרקטיביות של גברים אכפתיים 14.04.2024

הסטריאוטיפ שנשים מעדיפות "בנים רעים" כבר מזמן נפוץ. עם זאת, מחקר עדכני שנערך על ידי מדענים בריטים מאוניברסיטת מונאש מציע נקודת מבט חדשה בנושא זה. הם בדקו כיצד נשים הגיבו לאחריות הרגשית של גברים ולנכונותם לעזור לאחרים. ממצאי המחקר עשויים לשנות את ההבנה שלנו לגבי מה הופך גברים לאטרקטיביים לנשים. מחקר שנערך על ידי מדענים מאוניברסיטת מונאש מוביל לממצאים חדשים לגבי האטרקטיביות של גברים לנשים. בניסוי הראו לנשים תצלומים של גברים עם סיפורים קצרים על התנהגותם במצבים שונים, כולל תגובתם למפגש עם חסר בית. חלק מהגברים התעלמו מההומלס, בעוד שאחרים עזרו לו, כמו לקנות לו אוכל. מחקר מצא שגברים שהפגינו אמפתיה וטוב לב היו מושכים יותר לנשים בהשוואה לגברים שהפגינו אמפתיה וטוב לב. ... >>

חדשות אקראיות מהארכיון

Sensorwake Trio מעירה אותך עם ריח, אור וקול 16.06.2018

אתר KickStarter גייס כספים לשחרור שעון מעורר יוצא דופן. שלישיית Sensorwake מעירה אותך עם ריח, אור וקול.

על מנת שהשעון המעורר יתעורר עם ריח, מוחדרות לתוכו מחסניות מיוחדות. המפתחים מדגישים שהמחסניות יבשות ונוחות לטיפול. אחד מספיק ל-30 יום (בכפוף לקריאת השכמה אחת ליום). ניתן יהיה לבחור בריח הקפה, חוף הים, נענע, עוגיות, דשא טרי וניחוחות נוספים. דקה לאחר הפעלת המאייד נדלקת התאורה האחורית, ודקה לאחר מכן - "מנגינה מניע" (מוצעים חמישה יצירות לבחירה).

מידות Sensorwake Trio הן כ-10 x 10 x 12,5 ס"מ. המכשיר מופעל על ידי מתאם AC. במקרה של הפסקת חשמל, סוללת גיבוי מספקת פעולה.

עבור מכשיר אחד עם שתי מחסניות, מתבקשים לגייס תרומות בסך $79. שש מחסניות עולות 15 דולר, חצי מהמחיר המומלץ לצרכן. מגרשים אחרים זמינים. המשלוח אמור להתחיל בנובמבר השנה.

עוד חדשות מעניינות:

▪ פרוסות יהלומים נקיות במיוחד עם עד 25 EB של נתונים

▪ מתכות נדירות מפחם

▪ דרך חדשה לשלוט בשעונים חכמים

▪ החברים הכי טובים של ילדים הם חיות מחמד

▪ טכנולוגיית NXP עוזרת לחסוך עד 80% בחשמל

עדכון חדשות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה

חומרים מעניינים של הספרייה הטכנית החופשית:

▪ חלק באתר רכב. מבחר מאמרים

▪ מאמר לא ניתן לסלוח על ביצוע. ביטוי עממי

▪ מאמר כיצד לקבוע את גיל העץ? תשובה מפורטת

▪ מאמר בלקברי אפור. אגדות, טיפוח, שיטות יישום

▪ כתבה טיימר לכיבוי קונסולת המשחקים. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל

▪ מאמר קומיק פתגמים ואמרות. מבחר גדול

השאר את תגובתך למאמר זה:

כל השפות של דף זה

בית | הספרייה | מאמרים | <font><font>מפת אתר</font></font> | ביקורות על האתר