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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Solarkraftwerk. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Ein Solarkraftwerk ist ein technisches Bauwerk, das Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandelt. Die Methoden zur Umwandlung der Sonnenstrahlung sind unterschiedlich und hängen von der Auslegung des Kraftwerks ab.
Sonnenstrahlung ist eine umweltfreundliche und erneuerbare Energiequelle. Die Reserven an Sonnenenergie sind riesig. Zu Beginn des XNUMX. Jahrhunderts hat die Menschheit eine Reihe von Prinzipien entwickelt und beherrscht, um thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Sie können bedingt in maschinelle und maschinenlose Verfahren unterteilt werden. Letztere werden oft als direkte Energieumwandlungsverfahren bezeichnet, da ihnen die Stufe der Umwandlung thermischer Energie in mechanische Arbeit fehlt. Unter den Maschinenumrichtern sind die bekanntesten Dampf- und Gasturbinenanlagen, die in allen Erdwärme- und Kernkraftwerken betrieben werden. Das schematische Diagramm einer geschlossenen Gasturbinenanlage sieht so aus. Sonnenstrahlung, die vom Konzentrator auf der Oberfläche des Solarkessels gesammelt wird, erwärmt das Arbeitsmedium - ein Inertgas auf Temperaturen in der Größenordnung von 1200-1500 Grad Kelvin und führt unter dem vom Kompressor erzeugten Druck heißes Gas zu den Schaufeln von eine Gasturbine, die einen Wechselstromgenerator antreibt. Das in der Turbine ausgestoßene Gas gelangt zunächst in den Regenerator, wo es nach dem Verdichter das Arbeitsgas erwärmt. So erleichtert es die Arbeit der Hauptheizung - des Solarkessels. Dann wird das Gas im Kühler-Kühler gekühlt. Tests einer 1977-Kilowatt-Gasturbinenanlage, die 11 an einem fünf Meter großen facettierten Parabolkonzentrator am Physikalisch-Technischen Institut der Akademie der Wissenschaften von Usbekistan durchgeführt wurden, zeigten, dass Anlagen dieser Art sehr wendig sind. Die Ausgabe auf die Nenngeschwindigkeit war nicht mehr als eine Minute von dem Moment an, als der Sonnenfleck auf den Hohlraum des zylindrischen Kessels gerichtet war. Der Wirkungsgrad dieser Anlage liegt bei XNUMX Prozent. In einem Kraftwerk mit Dampfturbinenkonverter erwärmt die vom Konzentrator gesammelte Sonnenenergie das Arbeitsmedium im Solarkessel, das zu gesättigtem und dann zu überhitztem Dampf wird, der in einer mit einem elektrischen Generator verbundenen Turbine expandiert. Nach der Kondensation des in der Turbine abgelassenen Dampfes im Kühler-Kühler gelangt sein von der Pumpe komprimiertes Kondensat erneut in den Kessel. Da die Wärmezufuhr und -abfuhr in dieser Anlage isotherm erfolgt, sind die durchschnittlichen Zu- und Abfuhrtemperaturen höher als bei einer Gasturbinenanlage, und die spezifischen Flächen von Radiator und Konzentrator können kleiner sein. Eine solche Anlage, die mit einem organischen Arbeitsmedium betrieben wird, hat einen Wirkungsgrad von 15 bis 20 Prozent bei relativ niedrigen Temperaturen der Wärmezufuhr - nur 600 bis 650 Grad Kelvin. In der Abbildung ist ein schematisches Diagramm einer geschlossenen Gasturbineneinheit (CGTU) dargestellt. Hier erhitzt die vom Konzentrator 1 auf der Oberfläche des Solarkessels 2 gesammelte Sonnenstrahlung das Arbeitsmedium – Inertgas – auf Temperaturen in der Größenordnung von 1200–1500 K und liefert unter dem vom Kompressor 3 erzeugten Druck heißes Gas an die Schaufelgasturbine 4 und treibt einen elektrischen Wechselstromgenerator 5 an. Das in der Turbine ausgestoßene Gas gelangt zunächst in den Regenerator 6, wo es das Arbeitsgas nach dem Kompressor erhitzt. Dies erleichtert den Betrieb des Hauptheizgeräts – des Solarkessels – und kühlt dann im Kühlschrank – Emitter 7. Wie gezeigt, wurden 1977 Bodentests einer Drei-Kilowatt-Gasturbinenanlage an einem fünf Meter langen, abgeschrägten Parabolkonzentrator durchgeführt Laut dem Physikalisch-Technischen Institut der Akademie der Wissenschaften Usbekistans sind Anlagen dieser Art sehr wendig. Das Erreichen der Nenngeschwindigkeit (36000 U/min) dauerte von dem Moment an, als der Sonnenfleck auf den Hohlraum eines zylindrischen Kessels gerichtet war, nicht mehr als 1 Minute. Der Wirkungsgrad dieser Anlage betrug 11 %. Es mag den Anschein haben, dass der Effizienzwert bei Solarkraftwerken, die kostenlose Energie nutzen, nicht so wichtig ist wie bei herkömmlichen Wärmekraftmaschinen, die fossile Brennstoffe nutzen. Dies ist jedoch nicht der Fall, da die Abmessungen und das Gewicht der sperrigsten und schwersten Teile von Solar-Weltraumkraftwerken – dem Konzentrator und dem Kühlschrank – dem Emitter – in erster Linie von der Effizienz der Anlage abhängen. Es ist möglich, ein Kraftwerk mit einem Dampfturbinenkonverter zu erstellen. Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrischen Strom
Hier erhitzt die vom Konzentrator 1 gesammelte Sonnenenergie das Arbeitsmedium im Solarkessel 2, das sich in gesättigten und dann überhitzten Dampf umwandelt, der in der Turbine 4 expandiert und mit dem elektrischen Generator 5 verbunden ist. Nach der Kondensation im Kühlschrank-Emitter 7 Von dem in der Turbine abgegebenen Dampf gelangt das von der Pumpe 8 komprimierte Kondensat wieder in den Kessel. Da die Wärmezufuhr und -abfuhr in dieser Anlage isotherm erfolgt, sind die durchschnittlichen Temperaturen der Zu- und Abfuhr höher als in einer Gasturbinenanlage (bei gleichen Wärmezufuhrtemperaturen) und die spezifischen Flächen von Emitter und Konzentrator können kleiner sein in einer Gasturbineneinheit. Von vielen Mängeln, die maschinellen Umrichtern innewohnen, sind Kraftwerke mit sogenannten maschinenlosen Umrichtern befreit: thermoelektrisch, thermionisch und photovoltaisch, die die Energie der Sonnenstrahlung direkt in elektrischen Strom umwandeln. „Thermoelektrische Generatoren basieren auf dem 1821 vom deutschen Physiker T.I. Seebeck entdeckten thermoelektrischen Effekt, der im Auftreten von Thermo-EMF an den Enden zweier ungleicher Leiter besteht, wenn die Enden dieser Leiter unterschiedliche Temperaturen haben“, schreibt L.M im Soros Educational Journal Drabkin - Der offene Effekt wurde ursprünglich in der Thermometrie verwendet, um Temperaturen zu messen. Die Energieeffizienz solcher Geräte - Thermoelemente, die das Verhältnis der am Verbraucher freigesetzten elektrischen Leistung zur zugeführten Wärme impliziert, betrug einen Bruchteil eines Prozents. Erst nachdem Akademiemitglied A.F. Ioffe schlug vor, Halbleiter anstelle von Metallen für die Herstellung von Thermoelementen zu verwenden, die Energienutzung des thermoelektrischen Effekts wurde möglich, und 1940-1941 wurde am Leningrader Institut für Physik und Technologie der weltweit erste thermoelektrische Halbleitergenerator hergestellt. In den 40er und 50er Jahren wurde die Theorie des thermoelektrischen Effekts in Halbleitern durch die Arbeiten seiner Schule entwickelt und auch (bis heute) sehr wirksame thermoelektrische Materialien synthetisiert. Durch Zusammenschalten einzelner Thermoelemente lassen sich ausreichend leistungsfähige Thermosäulen aufbauen. Ein 10-GW-Kraftwerk kann bis zu 200 Tonnen wiegen. Die Gewichtsreduzierung des Kraftwerks steht in direktem Zusammenhang mit der Effizienzsteigerung bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Dies kann auf zwei Wegen erreicht werden: durch die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades des Konverters und durch die Reduzierung irreversibler Energieverluste in allen Elementen des Kraftwerks. Im ersten Fall ermöglicht die konzentrierte Strahlung das Erhalten sehr hoher Temperaturen. Gleichzeitig werden aber die Anforderungen an die Genauigkeit von Solar-Tracking-Systemen stark erhöht, was bei konzentrierenden Systemen enormer Größe unwahrscheinlich ist. Daher zielten die Bemühungen der Forscher immer darauf ab, irreversible Verluste zu reduzieren. Sie versuchten, den Wärmefluss von heißen Verbindungsstellen zu kalten Verbindungsstellen durch Wärmeleitung zu reduzieren. Um dieses Problem zu lösen, war es notwendig, eine Erhöhung des Qualitätsfaktors von Halbleitermaterialien zu erreichen. Nach vielen Jahren der Versuche, Halbleitermaterialien mit hohem Qualitätsfaktor zu synthetisieren, wurde jedoch klar, dass der heute erreichte Wert die Grenze darstellt. Dann entstand die Idee, die heißen und kalten Verbindungsstellen wie bei einer Zwei-Elektroden-Lampe - einer Diode - durch einen Luftspalt zu trennen. Wird bei einer solchen Lampe eine Elektrode, die Kathode, erhitzt und gleichzeitig die andere Elektrode, die Anode, gekühlt, so entsteht im äußeren Stromkreis ein Gleichstrom. Dieses Phänomen wurde erstmals 1883 von Thomas Edison beobachtet. „Das von Edison entdeckte Phänomen wurde thermionische Emission genannt", schreibt L. M. Drabkin. „Wie die Thermoelektrizität wurde sie lange Zeit in der Technik der niedrigen Ströme verwendet. Die Emissionen sind unterschiedlich, aber die Ausdrücke für die Effizienz sind dieselben. Die Hauptkomponenten irreversibler Verluste im TEC sind mit der nicht-isothermen Natur der Wärmezufuhr und -abfuhr an Kathode und Anode, der Wärmeübertragung von der Kathode zur Anode durch die Strukturelemente des TEC sowie mit verbunden ohmsche Verluste in den Elementen der Reihenschaltung einzelner Module. Um einen hohen Wirkungsgrad des Carnot-Kreises zu erreichen, sind moderne TECs für Kathodenbetriebstemperaturen von 1700–1900 K ausgelegt, was es ermöglicht, bei Temperaturen von gekühlten Anoden von etwa 700 K einen Wirkungsgrad von etwa 10 Prozent zu erzielen. Somit fällt der Wirkungsgrad des TEC aufgrund der Reduzierung irreversibler Verluste im Konverter selbst und bei gleichzeitiger Erhöhung der Wärmezufuhrtemperatur doppelt so hoch aus wie der des oben beschriebenen TEG, jedoch bei deutlich höherer Wärmezufuhr Temperaturen.
Betrachten Sie nun die photoelektrische Methode der Energieumwandlung. Solarzellen nutzen das Phänomen eines externen photoelektrischen Effekts, der sich am pn-Übergang in einem Halbleiter manifestiert, wenn dieser mit Licht bestrahlt wird. Ein pn- (oder np-)Übergang wird erzeugt, indem eine Verunreinigung mit dem entgegengesetzten Vorzeichen der Leitfähigkeit in ein Einkristall-Halbleiterbasismaterial eingeführt wird. Trifft Sonnenstrahlung auf den pn-Übergang, werden die Elektronen des Valenzbandes angeregt und im äußeren Stromkreis ein elektrischer Strom erzeugt. Der Wirkungsgrad moderner Solarmodule erreicht 13-15 Prozent.
Solarkraftwerke haben ein, aber ein ganz erhebliches Problem. Die Atmosphäre stört die Gewinnung und Nutzung „sauberer“ Sonnenenergie auf der Erdoberfläche. Und was wäre, wenn wir Solarkraftwerke im Weltraum in einer erdnahen Umlaufbahn platzieren würden? Es wird keine atmosphärischen Störungen geben, die Schwerelosigkeit ermöglicht es Ihnen, mehrere Kilometer lange Strukturen zu schaffen, die zum "Sammeln" der Sonnenenergie erforderlich sind. Solche Stationen haben großen Wert. Die Umwandlung einer Energieart in eine andere geht zwangsläufig mit der Freisetzung von Wärme einher, deren Freisetzung in den Weltraum eine gefährliche Überhitzung der Erdatmosphäre verhindert. Heute ist es unmöglich, mit Sicherheit zu sagen, wie Solarkraftwerke tatsächlich aussehen werden, obwohl Designer bereits Ende der 1960er Jahre mit der Entwicklung solcher Kraftwerke begannen. Jede Version des Projekts eines solaren Weltraumkraftwerks geht davon aus, dass es sich um eine kolossale Struktur handelt. Selbst das kleinste Weltraumkraftwerk muss Zehntausende Tonnen wiegen. Und diese gigantische Masse muss in eine erdferne Umlaufbahn gebracht werden.
Moderne Trägerraketen sind in der Lage, die erforderliche Anzahl von Blöcken, Knoten und Paneelen von Solarbatterien in eine niedrige - Referenz - Umlaufbahn zu bringen. Um die Masse riesiger Spiegel zu reduzieren, die das Sonnenlicht bündeln, können sie beispielsweise in Form von aufblasbaren Strukturen aus dünnster Spiegelfolie hergestellt werden. Die zusammengesetzten Fragmente des Solar-Weltraumkraftwerks müssen in eine hohe Umlaufbahn gebracht und dort angedockt werden. Und der Abschnitt des Solarkraftwerks kann aus eigener Kraft zum "Arbeitsplatz" fliegen, man muss nur elektrische Raketentriebwerke mit geringem Schub darauf installieren. Aber das liegt in der Zukunft. Bisher haben Sonnenkollektoren Raumstationen erfolgreich mit Strom versorgt. Autor: Musskiy S.A.
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