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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Direkte Umwandlung von Sonnenenergie in Strom. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Kraftwerke mit sogenannten maschinenlosen Umrichtern: thermoelektrische, thermionische und fotoelektrische (Solarbatterien), die die Energie der Sonnenstrahlung direkt in elektrischen Strom umwandeln, sind bis zu einem gewissen Grad frei von den Nachteilen maschineller Umrichter. thermoelektrische Methode Thermoelektrische Generatoren (TEGs) basieren auf der Entdeckung des deutschen Physikers T.I. im Jahr 1821. Thermoelektrischer Seebeck-Effekt, der im Auftreten einer Thermo-EMK an den Enden zweier unterschiedlicher Leiter besteht, wenn die Enden dieser Leiter unterschiedliche Temperaturen haben. Der offene Effekt wurde ursprünglich in der Thermometrie zur Messung von Temperaturen genutzt. Die Energieeffizienz solcher Thermoelementgeräte, also das Verhältnis der an der Last abgegebenen elektrischen Leistung zur zugeführten Wärme, betrug nur den Bruchteil eines Prozents. Erst nachdem Akademiemitglied A.F. Ioffe schlug vor, Halbleiter anstelle von Metallen für die Herstellung von Thermoelementen zu verwenden, die energetische Nutzung des thermoelektrischen Effekts wurde möglich und 1940-1941 wurde am Leningrader Institut für Physik und Technologie der weltweit erste thermoelektrische Halbleitergenerator entwickelt. In den 40er und 50er Jahren wurde die Theorie des thermoelektrischen Effekts in Halbleitern entwickelt und (bis heute) sehr wirksame thermoelektrische Materialien synthetisiert. Gemäß der entwickelten Theorie ergibt sich der Ausdruck für die TEG-Effizienz durch die Formel:
z ist der Qualitätsfaktor des Halbleitermaterials, 1/K; TГ - Temperatur der heißen Verbindungsstelle des Thermoelements, K; TХ - Kaltstellentemperatur, K; TSR - mittlere Temperatur des Thermoelementschenkels, K,
M – Ioffe-Kriterium, a – reduzierte differentielle Thermo-EMF der Zweige der Thermoelemente, μV/K; s, l – reduzierte elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit der Thermoelementzweige, jeweils in 1/(Ohm·m) und W/(m·K). Es ist sinnvoll, auf der obigen Effizienzformel zu verweilen, da sie nicht nur die Effizienz thermoelektrischer Generatoren, sondern auch anderer Geräte zur direkten Energieumwandlung charakterisiert. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass der Wirkungsgrad eines TEG von denselben Faktoren abhängt wie der Wirkungsgrad jeder Wärmekraftmaschine: dem thermischen Wirkungsgrad des reversiblen Carnot-Zyklus (erster Faktor in der Formel) und dem Koeffizienten irreversibler Energieverluste (zweiter Faktor). ). Bei TEG sind interne irreversible Verluste hauptsächlich mit dem Wärmefluss entlang der positiven 3- und negativen 4-Zweige von heißen 1 (Abb. 3, a) zu kalten 5-Verbindungen verbunden (die normalerweise aus Kupfer bestehenden Verbindungen sind von den Zweigen getrennt). durch Antidiffusionsschichten 2 (Abb. 3,A)). Wie aus der Formel hervorgeht, sind die irreversiblen Verluste umso geringer, je höher der Qualitätsfaktor der verwendeten Materialien ist. Theorie und langjährige Praxis haben jedoch gezeigt, dass der Wert des Gütefaktors in der Größenordnung von 3 · 10-3 1/Grad offenbar sein Grenzwert ist.
Durch die Verbindung einzelner Thermoelemente können Sie ziemlich leistungsstarke Thermosäulen erstellen, von denen eine in Abb. dargestellt ist. 3, geb. Die Batterie befindet sich in der Brennebene des Konzentrators 3; Seine heißen Verbindungsstellen 1 werden direkt durch konzentrierte Sonnenstrahlung erwärmt, und die Wärme wird durch Strahlung von den kalten Verbindungsstellen 2 abgeführt. Es gibt Energieeigenschaften eines Weltraumkraftwerks, die denen in Abb. ähneln. 3, b, jedoch ohne Nabe. Das zu erwartende spezifische Gewicht der Anlage beträgt bis zu 50 W/kg. Das bedeutet, dass ein 10-GW-Kraftwerk bis zu 200 Tonnen wiegen kann. Die Gewichtsreduzierung eines Kraftwerks steht in direktem Zusammenhang mit der Steigerung der Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität, die, wie aus der obigen Formel hervorgeht, auf zwei Arten erreicht werden kann: Erhöhung der thermischen Effizienz des Konverters (Carnot-Zyklus-Effizienz). ) und die Verflüssigung irreversibler Energieverluste in allen Elementen des Kraftwerks. Der erste Weg ist grundsätzlich möglich, da durch konzentrierte Strahlung sehr hohe Temperaturen erreicht werden können. Allerdings steigen dadurch die Anforderungen an die Genauigkeit von Solar-Tracking-Systemen erheblich, was bei großen konzentrierenden Systemen kaum erreichbar ist. Daher zielten die Bemühungen der Forscher stets darauf ab, irreversible Verluste zu reduzieren, vor allem auf die Reduzierung des Wärmeflusses von Heißstellen zu Kaltstellen durch Wärmeleitfähigkeit. Um dieses Problem zu lösen, war es notwendig, den Qualitätsfaktor von Halbleitermaterialien zu erhöhen. Allerdings wurde, wie bereits erwähnt, nach vielen Jahren der Versuche, Halbleitermaterialien mit hohem Qualitätsfaktor zu synthetisieren, klar, dass der erreichte Wert (2,5-2,7) • 105 der Grenzwert ist. Während wir weiterhin nach neuen Wegen zur Reduzierung des Wärmeflusses suchten, entstand die Idee, die heißen und kalten Verbindungen durch einen Luftspalt zu trennen, wie es bei einer Lampe mit zwei Elektroden und einer Diode der Fall ist. Wenn in einer solchen Lampe eine Elektrode, die Kathode 1, erhitzt wird (Abb. 4) und gleichzeitig die andere Elektrode, die Anode 2, abgekühlt wird, entsteht im äußeren Stromkreis ein Gleichstrom.
Thermionischer Wandler (TEC) Das von Edison entdeckte Phänomen wurde thermionische Emission genannt. Wie die Thermoelektrizität wird sie schon lange in der Schwachstromtechnik eingesetzt. Später wandten sich Wissenschaftler der Möglichkeit zu, mit dieser Methode Wärme in Strom umzuwandeln. Und obwohl die Natur von Thermoelektrizität und thermionischer Emission unterschiedlich ist, sind ihre Ausdrücke für die Effizienz dieselben:
wo hк - Effizienz des reversiblen Carnot-Zyklus; Hunmod. - Koeffizient unter Berücksichtigung irreversibler Verluste im thermionischen (thermoelektrischen) Wandler. Die Hauptkomponenten irreversibler Verluste im TEC hängen mit der nicht isothermen Natur der Wärmezufuhr und -abfuhr an der Kathode und Anode, dem Wärmefluss von der Kathode zur Anode durch die Konstruktionselemente des TEC sowie mit zusammen ohmsche Verluste in den Elementen der Reihenschaltung einzelner Module. Um einen hohen Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus zu erreichen, werden moderne TECs bei Betriebstemperaturen der Kathoden von 1700–1900 K erzeugt, was bei Temperaturen gekühlter Anoden von etwa 700 K einen Wirkungsgrad von etwa 10 % ermöglicht. Durch die Reduzierung irreversibler Verluste im Konverter selbst und bei gleichzeitiger Erhöhung der Wärmezufuhrtemperatur fällt der Wirkungsgrad des TEC also doppelt so hoch aus wie der des oben beschriebenen TEG, allerdings bei deutlich höherer Wärmezufuhr Temperaturen. Um solche Temperaturen der Kathodenoberflächen in einer geosynchronen Umlaufbahn zu erreichen, muss die Genauigkeit der Ausrichtung des TEC-Konzentrators zur Sonne innerhalb von 6° – 8° liegen, was bei einer thermischen Leistung des Solarstromsystems von 10 – 20 GW und dem entsprechenden Bereichen der Konzentratoren, kann, wie oben erwähnt, zu einem ernsthaften technischen Problem werden. Es ist durchaus möglich, dass die genannten Umstände eine wichtige Rolle bei der Wahl des photoelektrischen Verfahrens zur Umwandlung von Sonnenenergie in den Bordstromversorgungssystemen der ersten und nachfolgenden Generationen von Raumfahrzeugen spielten. Photoelektrisches Energieumwandlungsverfahren Die Solarbatterie (Abb. 5) basiert auf dem Phänomen des externen photoelektrischen Effekts, der bei Beleuchtung mit Licht am pn-Übergang im Halbleiter auftritt. Ein pn-Übergang (oder NP-Übergang) wird durch das Einbringen einer Verunreinigung mit entgegengesetztem Vorzeichen der Leitfähigkeit in das einkristalline Halbleitergrundmaterial erzeugt. Beispielsweise wird Aluminium oder Lithium in Silizium eingebracht. Wenn Sonnenstrahlung auf den pn-Übergang trifft, werden dadurch Elektronen im Valenzband angeregt und im äußeren Stromkreis ein elektrischer Strom erzeugt. Der Wirkungsgrad moderner Solarmodule erreicht 13-15 %.
Am vielversprechendsten für die Herstellung von SCES-Konvertern sind ultradünne Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von etwa 15 % und spezifischen Eigenschaften von 1 kW/m2 und 200 W/kg. Wenn diese Solarmodule als Konverter für ein 10-GW-SCES verwendet würden, wäre ihre Fläche 50 km2 groß und würde 10 Tonnen wiegen.
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