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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Planta de energia solar. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Uma usina solar é uma estrutura de engenharia que converte a radiação solar em energia elétrica. Os métodos de conversão da radiação solar são diferentes e dependem do projeto da usina.
A radiação solar é uma fonte de energia renovável e amiga do ambiente. As reservas de energia solar são enormes. No início do século XNUMX, a humanidade desenvolveu e dominou uma série de princípios para a conversão de energia térmica em energia elétrica. Eles podem ser divididos condicionalmente em métodos de máquina e sem máquina. Estes últimos são frequentemente chamados de métodos de conversão direta de energia porque não possuem o estágio de conversão de energia térmica em trabalho mecânico. Entre os conversores de máquinas, os mais famosos são as usinas de turbinas a vapor e a gás que operam em todas as usinas térmicas e nucleares terrestres. O diagrama esquemático de uma usina de turbina a gás fechada se parece com isso. A radiação solar, coletada pelo concentrador na superfície da caldeira solar, aquece o fluido de trabalho - um gás inerte a temperaturas da ordem de 1200-1500 graus Kelvin e, sob pressão criada pelo compressor, fornece gás quente às lâminas do uma turbina a gás, que aciona um gerador de corrente alternada. O gás exaurido na turbina entra primeiro no regenerador, onde aquece o gás de trabalho após o compressor. Assim, facilita o trabalho do aquecedor principal - a caldeira solar. Em seguida, o gás é resfriado no emissor-resfriador. Testes de uma usina de turbina a gás de três quilowatts, realizados em 1977 em um concentrador parabólico facetado de cinco metros no Instituto Físico-Técnico da Academia de Ciências do Uzbequistão, mostraram que as usinas desse tipo são muito manobráveis. A saída para a velocidade nominal não foi superior a um minuto a partir do momento em que a mancha solar foi apontada para a cavidade da caldeira cilíndrica. A eficiência desta instalação é de 11 por cento. Em uma usina com conversor de turbina a vapor, a energia solar coletada pelo concentrador aquece o fluido de trabalho na caldeira solar, que se transforma em vapor saturado e depois superaquecido, que se expande em uma turbina conectada a um gerador elétrico. Após a condensação no radiador-radiador do vapor expelido na turbina, seu condensado, comprimido pela bomba, entra novamente na caldeira. Como o calor é fornecido e removido nesta usina de forma isotérmica, as temperaturas médias de fornecimento e remoção são maiores do que em uma usina de turbina a gás, e as áreas específicas do radiador e do concentrador podem ser menores. Tal instalação, operando em um fluido de trabalho orgânico, tem uma eficiência de 15-20 por cento em temperaturas relativamente baixas de fornecimento de calor - apenas 600-650 graus Kelvin. A figura mostra um diagrama esquemático de uma unidade fechada de turbina a gás (CGTU).Aqui, a radiação solar coletada pelo concentrador 1 na superfície da caldeira solar 2 aquece o fluido de trabalho - gás inerte a temperaturas da ordem de 1200-1500 K e, sob a pressão criada pelo compressor 3, fornece gás quente às pás da turbina a gás 4, acionando um gerador elétrico de corrente alternada 5. O gás exaurido na turbina entra primeiro no regenerador 6, onde aquece o gás de trabalho após o compressor, facilitando assim o funcionamento do aquecedor principal - a caldeira solar, e depois resfriado na geladeira - o emissor 7. Como mostrado, testes de solo de uma instalação de turbina a gás de três quilowatts, realizados em 1977 em um concentrador parabólico chanfrado de cinco metros em Segundo o Instituto Físico-Técnico da Academia de Ciências do Uzbequistão, instalações deste tipo são muito manobráveis, atingindo a velocidade nominal (36000 rpm) não demorou mais de 1 minuto a partir do momento em que a mancha solar foi apontada para a cavidade de uma caldeira cilíndrica. A eficiência desta instalação foi de 11%. Pode parecer que para usinas de energia solar que usam energia livre, a eficiência não é tão significativa quanto para motores térmicos tradicionais movidos a combustível orgânico. No entanto, não é assim, porque as dimensões e o peso das partes mais volumosas e pesadas das usinas espaciais solares - o concentrador e o refrigerador - emissor - dependem principalmente da eficiência da instalação. É possível criar uma usina com um conversor de turbina a vapor. Convertendo a radiação solar em corrente elétrica
Aqui, a energia solar coletada pelo concentrador 1 aquece o fluido de trabalho na caldeira solar 2, que se transforma em vapor saturado e superaquecido, que se expande na turbina 4, que se conecta ao gerador elétrico 5. Após a condensação no resfriador- radiador 7 do vapor exaurido na turbina, seu condensado, comprimido pela bomba 8, entra novamente na caldeira. Como o fornecimento e remoção de calor nesta instalação são realizados de forma isotérmica, as temperaturas médias de fornecimento e remoção acabam sendo mais altas do que em uma usina de turbina a gás (nas mesmas temperaturas de fornecimento de calor), e as áreas específicas do radiador e concentrador pode vir a ser menor do que em um CCGT. De muitas das deficiências inerentes aos conversores de máquina, as usinas com os chamados conversores sem máquina estão livres: termelétricas, termiônicas e fotovoltaicas, que convertem diretamente a energia da radiação solar em corrente elétrica. "Geradores termoelétricos são baseados no efeito termoelétrico descoberto em 1821 pelo físico alemão T.I. Seebeck, que consiste no aparecimento de termo-EMF nas extremidades de dois condutores diferentes, se as extremidades desses condutores estiverem em temperaturas diferentes", escreve L.M. no Soros Educational Journal Drabkin - O efeito aberto foi originalmente usado em termometria para medir temperaturas. A eficiência energética de tais dispositivos - termopares, implicando a relação entre a energia elétrica liberada na carga e o calor fornecido, era uma fração de um por cento. Só depois que o acadêmico A.F. Ioffe propôs usar semicondutores em vez de metais para a fabricação de termoelementos, o uso de energia do efeito termoelétrico tornou-se possível e, em 1940-1941, o primeiro gerador termoelétrico semicondutor do mundo foi criado no Instituto de Física e Tecnologia de Leningrado. Nas décadas de 40 e 50, a teoria do efeito termoelétrico em semicondutores foi desenvolvida pelos trabalhos de sua escola e também materiais termoelétricos muito eficazes (até hoje) foram sintetizados. Ao interligar termoelementos individuais, é possível criar termopilhas suficientemente poderosas. Uma usina de 10 GW pode pesar até 200 toneladas. A redução do peso da usina está diretamente relacionada ao aumento da eficiência de conversão da energia solar em eletricidade. Isso pode ser alcançado de duas maneiras: aumentando a eficiência térmica do conversor e reduzindo as perdas irreversíveis de energia em todos os elementos da usina. No primeiro caso, a radiação concentrada permite obter temperaturas muito elevadas. Mas, ao mesmo tempo, os requisitos para a precisão dos sistemas de rastreamento solar aumentam bastante, o que é improvável para sistemas de concentração de tamanho enorme. Portanto, os esforços dos pesquisadores foram invariavelmente voltados para a redução de perdas irreversíveis. Eles tentaram reduzir o fluxo de calor das junções quentes para as junções frias por condução. Para resolver este problema, foi necessário alcançar um aumento no fator de qualidade dos materiais semicondutores. No entanto, após muitos anos de tentativas de sintetizar materiais semicondutores com alto fator de qualidade, ficou claro que o valor alcançado hoje é o limite. Então surgiu a ideia de separar as junções quentes e frias com um entreferro, como uma lâmpada de dois eletrodos - um diodo. Se em tal lâmpada um eletrodo, o cátodo, for aquecido e ao mesmo tempo o outro eletrodo, o ânodo, for resfriado, então uma corrente contínua aparecerá no circuito elétrico externo. Este fenômeno foi observado pela primeira vez em 1883 por Thomas Edison. "O fenômeno descoberto por Edison foi chamado de emissão termiônica", escreve L.M. Drabkin. "Como a termoeletricidade, foi usada por muito tempo na técnica de baixas correntes. As emissões são diferentes, mas as expressões para a eficiência são as mesmas. Os principais componentes das perdas irreversíveis no TEC estão associados à natureza não isotérmica do fornecimento e remoção de calor no cátodo e ânodo, a transferência de calor do cátodo para o ânodo através dos elementos estruturais do TEC, bem como com perdas ôhmicas nos elementos da conexão em série de módulos individuais. Para alcançar a alta eficiência do ciclo de Carnot, os TECs modernos são projetados para temperaturas de operação do cátodo de 1700-1900 K, o que, em temperaturas de ânodos resfriados de cerca de 700 K, permite obter uma eficiência de cerca de 10%. Assim, devido à redução das perdas irreversíveis no próprio conversor e com um aumento simultâneo da temperatura de fornecimento de calor, a eficiência do TEC acaba sendo duas vezes maior que a do TEG descrita acima, mas com fornecimento de calor significativamente maior temperaturas.
Agora considere o método fotoelétrico de conversão de energia. As células solares usam o fenômeno de um efeito fotoelétrico externo, que se manifesta na junção pn de um semicondutor quando é iluminado com luz. Uma junção pn (ou np) é criada pela introdução de uma impureza com o sinal oposto de condutividade em um material de base semicondutor de cristal único. Quando a radiação solar atinge a junção pn, os elétrons da banda de valência são excitados e uma corrente elétrica é gerada no circuito externo. A eficiência das baterias solares modernas atinge 13-15 por cento.
As usinas de energia solar têm um, mas um problema muito significativo. A atmosfera interfere na obtenção e utilização de energia solar "limpa" na superfície da Terra. E se colocarmos usinas de energia solar no espaço, em órbita próxima à Terra. Não haverá interferência atmosférica, a falta de peso permitirá que você crie muitos quilômetros de estruturas necessárias para "coletar" a energia do Sol. Tais estações têm grande mérito. A transformação de um tipo de energia em outro é inevitavelmente acompanhada pela liberação de calor, e sua liberação no espaço evitará o superaquecimento perigoso da atmosfera terrestre. Hoje, é impossível dizer com certeza como serão as usinas solares espaciais, embora os designers tenham começado a projetar essas usinas no final da década de 1960. Qualquer versão do projeto de uma usina de energia solar espacial assume que esta é uma estrutura colossal. Mesmo a menor usina espacial deve pesar dezenas de milhares de toneladas. E essa massa gigantesca precisará ser lançada em uma órbita distante da Terra.
Veículos de lançamento modernos são capazes de entregar o número necessário de blocos, nós e painéis de baterias solares para uma órbita de baixa referência. Para reduzir a massa de enormes espelhos que concentram a luz do sol, eles podem ser feitos com o filme de espelho mais fino, por exemplo, na forma de estruturas infláveis. Os fragmentos montados da usina espacial solar devem ser entregues à órbita alta e ancorados lá. E a seção da usina de energia solar poderá voar para o "local de trabalho" com seu próprio poder, basta instalar nele motores de foguete elétricos de baixa potência. Mas isso é no futuro. Até agora, os painéis solares têm alimentado com sucesso as estações espaciais. Autor: Musskiy S.A.
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