Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrischen Strom. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen

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Bis zum Ende des XNUMX. Jahrhunderts hatte die Menschheit eine Reihe von Prinzipien zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie entwickelt und beherrscht. Sie können in maschinelle und maschinenfreie Methoden unterteilt werden. Letztere werden oft als direkte Energieumwandlungsmethoden bezeichnet, da sie nicht den Schritt der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit beinhalten.

Maschinelle Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität Unter den maschinellen Konvertern sind die Dampf- und Gasturbineneinheiten am bekanntesten, die seit einem Jahrhundert in allen bodengestützten Wärme- und Kernkraftwerken im Einsatz sind. Sie eignen sich auch für Arbeiten im Weltraum, allerdings ist in diesem Fall ein spezieller Wärmetauscher erforderlich – ein Kühler, der als Dampfkondensator fungiert. Wenn außerdem in einer bodengestützten Dampfturbinenanlage die Kondensationswärme durch zirkulierendes Wasser abgeführt wird, ist unter Weltraumbedingungen die Wärmeabfuhr von Dampf oder Gas, das in einer Turbine (sofern es sich um eine Gasturbine handelt) ausgestoßen wird, nur durch Strahlung möglich. Daher muss das Kraftwerk geschlossen werden.

Das schematische Diagramm einer geschlossenen Gasturbineneinheit (CGTU) ist in Abb. dargestellt. 1, a. 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 Schaufeln der Gasturbine 4, die den Wechselstromgenerator 5 antreibt. Das in der Turbine ausgestoßene Gas gelangt zunächst in den Regenerator 6, wo es das Arbeitsgas nach dem Kompressor erwärmt und so den Betrieb der Hauptheizung – des Solarkessels – erleichtert , und wird dann im Kühlschrank abgekühlt - Emitter 7. Wie Bodentests einer Drei-Kilowatt-Gasturbinenanlage zeigten, die 1977 an einem fünf Meter langen, facettierten Parabolkonzentrator am Physikalisch-Technischen Institut der Akademie der Wissenschaften Usbekistans durchgeführt wurden, Anlagen dieser Art sind sehr wendig, das Erreichen der Nenndrehzahl (36000 U/min) dauerte ab dem Zeitpunkt, an dem der Sonnenfleck auf den Hohlraum des zylindrischen Kessels gelegt wurde, nicht länger 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 (Abb. 1b).

Abb.1. Schematische Darstellungen der elektrischen Anlagen einer Solargasturbine (a) und einer Dampfturbine (b).

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.

Die amerikanische Solardampfturbinenanlage „Sunflower“ mit ähnlichem Zweck hatte einen Wirkungsgrad von 12 % bei einer spezifischen Fläche des Kühlschrank-Emitters in der Größenordnung von 1 kW/m2. Bei solchen Eigenschaften eines 10-GW-SES (das ist genau die Leistung, die heute von den größten Megastädten der Welt benötigt wird) wäre ein Kühlschrank-Emitter mit einer Fläche von 10 km2 erforderlich. Vergleichsweise weniger experimentell entwickelt sind Kraftwerke mit Kolbenmaschinen mit geschlossenem Kreislauf.

Ein gemeinsamer Nachteil aller Maschinenkonverter ist das Vorhandensein rotierender Teile, was zu Problemen bei der Aufrechterhaltung einer konstanten Stationsausrichtung führt.

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