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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Conversão direta de energia solar em eletricidade. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Das deficiências inerentes aos conversores de máquinas, até certo ponto, as usinas com os chamados conversores sem máquina são livres: termoelétricas, termiônicas e fotovoltaicas (baterias solares), que convertem diretamente a energia da radiação solar em corrente elétrica. método termoelétrico Geradores termoelétricos (TEG) são baseados na descoberta em 1821 pelo físico alemão T.I. Efeito termoelétrico Seebeck, que consiste na ocorrência de termo-EMF nas extremidades de dois condutores dissimilares, se as extremidades desses condutores estiverem em temperaturas diferentes. O efeito aberto foi originalmente usado em termometria para medir temperaturas. A eficiência energética de tais dispositivos termopares, implicando a razão entre a energia elétrica liberada na carga e o calor fornecido, era de frações de um por cento. Somente 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. Nos anos 40-50, a teoria do efeito termoelétrico em semicondutores foi desenvolvida e materiais termoelétricos muito eficazes (até hoje) foram sintetizados. De acordo com a teoria desenvolvida, a expressão de eficiência do TEG é dada pela fórmula:
z é o fator de qualidade do material semicondutor, 1/K; TГ - temperatura da junção quente do termoelemento, K; TХ - temperatura da junção fria, K; TSR - temperatura média da perna do termoelemento, K,
M - critério de Ioffe, a - termo-EMF diferencial reduzido das pernas do termoelemento, µV/K; s, l - condutividade elétrica reduzida e condutividade térmica das pernas do termoelemento, respectivamente, em 1/(Ohm m) e W/(m•K). Faz sentido insistir na fórmula dada para eficiência, pois caracteriza a eficiência não apenas de geradores termoelétricos, mas também de outros dispositivos para conversão direta de energia. Vale ressaltar que a eficiência do TEG depende dos mesmos fatores que a eficiência de qualquer máquina térmica: a eficiência térmica do ciclo reversível de Carnot (o primeiro fator da fórmula) e o coeficiente de perdas irreversíveis de energia (o segundo fator). No TEG, as perdas internas irreversíveis estão principalmente associadas à transferência de calor ao longo dos ramos positivo 3 e negativo 4 das junções quentes 1 (Fig. 3a) para as frias 5 (junções, geralmente feitas de cobre, são separadas das ramificações por camadas antidifusão 2 ( Fig. 3, A)). Como decorre da fórmula, quanto menores as perdas irreversíveis, maior o fator de qualidade dos materiais utilizados. No entanto, a teoria e muitos anos de prática mostraram que o valor do fator de qualidade da ordem de 3 • 10-3 1/deg é, aparentemente, seu valor limite.
Ao interconectar termoelementos individuais, é possível criar termopilhas suficientemente poderosas, uma das quais é mostrada na Fig. 3b. A bateria está localizada no plano focal do concentrador 3; suas junções quentes 1 são aquecidas diretamente pela radiação solar concentrada e o calor é removido das junções frias 2 por radiação. Existem características energéticas de uma usina espacial, semelhantes às mostradas na Fig. 3b, mas sem o concentrador. A gravidade específica esperada da planta é de até 50 W/kg. Isso significa que uma usina de 10 GW pode pesar até 200 toneladas. A redução do peso da usina está diretamente relacionada ao aumento da eficiência da conversão de energia solar em elétrica, que, como pode ser visto na fórmula acima, pode ser alcançada de duas maneiras: aumentando a eficiência térmica do conversor (a eficiência do o ciclo de Carnot) e liquefazendo perdas irreversíveis de energia em todos os elementos da usina. A primeira maneira é, em princípio, possível, pois a radiação concentrada permite obter temperaturas muito altas. No entanto, isso aumenta muito os requisitos de precisão dos sistemas de rastreamento solar, o que dificilmente é alcançável para sistemas de concentração de tamanho enorme. Portanto, os esforços dos pesquisadores têm invariavelmente voltado para a redução das perdas irreversíveis, principalmente para a redução da transferência de calor de junções quentes para junções frias por condutividade térmica. Para resolver este problema, foi necessário obter um aumento no fator de qualidade dos materiais semicondutores. No entanto, como já foi mencionado, após muitos anos de tentativas de sintetizar materiais semicondutores com alto fator de qualidade, ficou claro que o valor alcançado (2,5-2,7) • 105 é o valor limite. Então, continuando a procurar novas formas de reduzir o fluxo de calor, surgiu a ideia de separar as junções quentes e frias com um entreferro, como é o caso de uma lâmpada de dois eletrodos - um diodo. Se um eletrodo, cátodo 1, for aquecido em tal lâmpada (Fig. 4), e ao mesmo tempo o outro eletrodo, ânodo 2, for resfriado, então uma corrente direta surge no circuito elétrico externo.
Transdutor Termiônico (TEC) O fenômeno descoberto por Edison foi chamado de emissão termiônica. Como a termoeletricidade, há muito tempo é usada em tecnologia de baixa corrente. Mais tarde, os cientistas chamaram a atenção para a possibilidade de usar o método para converter calor em eletricidade. E embora a natureza da termoeletricidade e da emissão termiônica seja diferente, elas têm as mesmas expressões para eficiência:
onde hк - eficiência do ciclo reversível de Carnot; hdesmod. - coeficiente levando em consideração perdas irreversíveis no conversor termiônico (termoelétrico). Os principais componentes das perdas irreversíveis no TEC estão associados à natureza não isotérmica do fornecimento e remoção de calor no cátodo e no 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 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 o aumento simultâneo da temperatura de fornecimento de calor, a eficiência do TEC acaba sendo duas vezes maior que a do TEG descrito acima, mas em temperaturas de fornecimento de calor significativamente maiores. Para obter tais temperaturas das superfícies do cátodo em uma órbita geossíncrona, a precisão da orientação ao Sol do concentrador TEC deve estar dentro de 6°–8°, o que, com a potência térmica do SCES de 10–20 GW e o correspondente áreas dos concentradores, pode se tornar, como já foi dito, um sério problema técnico. É bem possível que as circunstâncias observadas tenham desempenhado um papel importante na escolha do método fotoelétrico para converter a energia solar nos sistemas de fornecimento de energia a bordo da primeira e das gerações subsequentes de espaçonaves. Método de conversão de energia fotoelétrica A bateria solar (Fig. 5) é baseada no fenômeno de um efeito fotoelétrico externo, que se manifesta na junção p-n em um semicondutor quando é iluminado com luz. Uma transição p-n (ou np) é criada pela introdução de impurezas com o sinal oposto de condutividade em um material de base semicondutor de cristal único. Por exemplo, alumínio ou lítio são introduzidos no silício. Como resultado, quando a radiação solar atinge a junção p-n, os elétrons da banda de valência são excitados e uma corrente elétrica é gerada no circuito externo. A eficiência dos painéis solares modernos atinge 13-15%.
As mais promissoras para a criação de conversores SCES são as células solares ultrafinas com uma eficiência de cerca de 15% com características específicas de 1 kW/m2 e 200 W/kg. Ao usar essas baterias solares como conversor de SCES com capacidade de 10 GW, sua área seria de 50 km2 com peso de 10 mil toneladas.
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