Conversão da radiação solar em corrente elétrica. Esquema, descrição

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No final do século XNUMX, a humanidade desenvolveu e dominou uma série de princípios para converter energia térmica em energia elétrica. Eles podem ser divididos condicionalmente em métodos com e sem máquina. Estes últimos são frequentemente referidos como métodos de conversão direta de energia porque não possuem o estágio de conversão de energia térmica em trabalho mecânico.

Conversão mecânica de energia solar em eletricidade Entre os conversores de máquinas, os mais famosos são as usinas de turbinas a vapor e a gás, que operam em todas as usinas termelétricas e nucleares há um século. Eles também são adequados para trabalhar no espaço, mas neste caso é necessário um trocador de calor especial - um emissor que atua como um condensador de vapor. Ao mesmo tempo, se em uma instalação de turbina a vapor terrestre o calor de condensação é removido pela água circulante, então, em condições espaciais, a remoção de calor do vapor ou gás (se for uma turbina a gás) exaurido na turbina é possível apenas por radiação. Portanto, a usina deve ser fechada.

Um diagrama esquemático de uma planta de turbina a gás fechada (CGTU) é mostrado na fig. 1, a. Aqui, a radiação solar, coletada pelo concentrador 1 na superfície da caldeira solar 2, aquece o fluido de trabalho - um gás inerte a temperaturas da ordem de 1200-1500 K e, sob pressão criada pelo compressor 3, fornece gás quente às pás da turbina a gás 4, que aciona um gerador 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 esfria no refrigerador - emissor 7. Conforme demonstrado pelos testes de solo de uma usina de turbina a gás de três quilowatts realizada em 1977 em um concentrador parabólico facetado de cinco metros no Instituto Físico-Técnico da Academia de Ciências do Uzbequistão, instalações desse 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 da 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 (Fig. 1b).

Convertendo a radiação solar em corrente elétrica
Figura 1. Diagramas esquemáticos das instalações elétricas da turbina solar a gás (a) e da turbina a vapor (b)

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.

A usina de turbina a vapor solar americana "Sunflower", de propósito semelhante, teve uma eficiência de 12% com uma área específica do resfriador-emissor da ordem de 1 kW/m2. Com tais características de um SCES de 10 GW (esta é a potência exigida hoje pelas maiores megacidades do mundo), seria necessário um refrigerador-emissor com área de 10 km2. Relativamente menos desenvolvidas experimentalmente são as usinas de energia com máquinas recíprocas de ciclo fechado.

Uma desvantagem comum de todos os conversores de máquinas é a presença de peças rotativas neles, o que cria problemas para manter uma orientação constante da estação.

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