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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
L'usine d'énergie solaire. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Une centrale solaire est une structure d'ingénierie qui convertit le rayonnement solaire en énergie électrique. Les façons de convertir le rayonnement solaire sont différentes et dépendent de la conception de la centrale électrique.
Le rayonnement solaire est une source d'énergie renouvelable et respectueuse de l'environnement. Les réserves d'énergie solaire sont énormes. Au début du XNUMXe siècle, l'humanité a développé et maîtrisé un certain nombre de principes de conversion de l'énergie thermique en énergie électrique. Ils peuvent être conditionnellement divisés en méthodes avec et sans machine. Ces dernières sont souvent appelées méthodes de conversion directe de l'énergie car elles n'ont pas l'étape de conversion de l'énergie thermique en travail mécanique. Parmi les convertisseurs de machines, les plus célèbres sont les centrales à vapeur et à turbine à gaz fonctionnant dans toutes les centrales thermiques et nucléaires au sol. Le schéma de principe d'une centrale à turbine à gaz fermée ressemble à ceci. Le rayonnement solaire, collecté par le concentrateur à la surface de la chaudière solaire, chauffe le fluide de travail - un gaz inerte à des températures de l'ordre de 1200-1500 degrés Kelvin et, sous la pression créée par le compresseur, fournit du gaz chaud aux pales de une turbine à gaz, qui entraîne un générateur de courant alternatif. Le gaz évacué dans la turbine entre d'abord dans le régénérateur, où il chauffe le gaz de travail après le compresseur. Ainsi, il facilite le travail du chauffage principal - le chauffe-eau solaire. Ensuite, le gaz est refroidi dans le refroidisseur-radiateur. Les essais d'une centrale à turbine à gaz de trois kilowatts, effectués en 1977 sur un concentrateur parabolique à facettes de cinq mètres à l'Institut physico-technique de l'Académie des sciences d'Ouzbékistan, ont montré que les centrales de ce type sont très maniables. La sortie à la vitesse nominale n'était pas supérieure à une minute à partir du moment où la tache solaire était dirigée vers la cavité de la chaudière cylindrique. L'efficacité de cette installation est de 11 %. Dans une centrale électrique avec un convertisseur à turbine à vapeur, l'énergie solaire collectée par le concentrateur chauffe le fluide de travail dans la chaudière solaire, qui se transforme en vapeur saturée puis surchauffée, qui se détend dans une turbine reliée à un générateur électrique. Après condensation dans le refroidisseur-radiateur de la vapeur évacuée dans la turbine, son condensat, comprimé par la pompe, entre à nouveau dans la chaudière. L'apport et l'évacuation de la chaleur dans cette installation s'effectuant de manière isotherme, les températures moyennes d'apport et d'évacuation sont plus élevées que dans une installation à turbine à gaz, et les surfaces spécifiques du radiateur et du concentrateur peuvent s'avérer plus petites. Une telle installation, fonctionnant avec un fluide de travail organique, a une efficacité de 15 à 20% à des températures d'alimentation en chaleur relativement basses - seulement 600 à 650 degrés Kelvin. Un schéma de principe d'une centrale à turbine à gaz fermée (CGTU) est représenté sur la figure. Ici, le rayonnement solaire, collecté par le concentrateur 1 à la surface de la chaudière solaire 2, chauffe le fluide de travail - gaz inerte à des températures de l'ordre de 1200- 1500 K et, sous la pression créée par le compresseur 3, alimente en gaz chaud la turbine à gaz à aubes 4, qui entraîne un générateur de courant alternatif 5. Le gaz évacué dans la turbine entre d'abord dans le régénérateur 6, où il chauffe le gaz de travail après le compresseur , facilitant ainsi le fonctionnement du réchauffeur principal - la chaudière solaire, puis se refroidit dans le réfrigérateur - radiateur 7. Comme indiqué, les essais au sol d'une centrale à turbine à gaz de trois kilowatts, effectués en 1977 sur un concentrateur parabolique à facettes de cinq mètres à l'Institut physico-technique de l'Académie des sciences d'Ouzbékistan, les installations de ce type sont très maniables, atteignant la vitesse nominale (36000 1 tr/min) ne prenait pas plus d'une minute à partir du moment où la tache solaire était dirigée vers la cavité d'une chaudière cylindrique. Le rendement de cette installation était de 11 %. Il peut sembler que pour les centrales solaires utilisant de l'énergie gratuite, le rendement n'est pas aussi important que pour les moteurs thermiques traditionnels fonctionnant au combustible organique. Cependant, il n'en est rien, car les dimensions et le poids des parties les plus volumineuses et les plus lourdes des centrales solaires spatiales - le concentrateur et le réfrigérateur - émetteur - dépendent principalement de l'efficacité de l'installation. Il est possible de créer une centrale électrique avec un convertisseur à turbine à vapeur. Transformer le rayonnement solaire en courant électrique
Ici, l'énergie solaire collectée par le concentrateur 1 chauffe le fluide de travail dans la chaudière solaire 2, qui se transforme en vapeur saturée puis surchauffée, qui se détend dans la turbine 4, qui se connecte au générateur électrique 5. Après condensation dans le refroidisseur- radiateur 7 de la vapeur évacuée dans la turbine, son condensat, comprimé par la pompe 8, entre à nouveau dans la chaudière. L'apport et l'évacuation de chaleur dans cette installation s'effectuant de manière isotherme, les températures moyennes d'apport et d'évacuation s'avèrent plus élevées que dans une centrale à turbine à gaz (aux mêmes températures d'apport de chaleur), et les zones spécifiques du radiateur et concentrateur peut s'avérer inférieur à celui d'une CCCG. De nombreuses lacunes inhérentes aux convertisseurs de machines, les centrales électriques dotées de convertisseurs dits sans machine sont exemptes: thermoélectriques, thermioniques et photovoltaïques, qui convertissent directement l'énergie du rayonnement solaire en courant électrique. "Les générateurs thermoélectriques sont basés sur l'effet thermoélectrique découvert en 1821 par le physicien allemand T.I. Seebeck, qui consiste en l'apparition de thermo-EMF aux extrémités de deux conducteurs dissemblables, si les extrémités de ces conducteurs sont à des températures différentes", écrit L.M. dans le Soros Educational Journal Drabkin - L'effet ouvert était à l'origine utilisé en thermométrie pour mesurer les températures. L'efficacité énergétique de tels dispositifs - thermocouples, impliquant le rapport entre la puissance électrique libérée à la charge et la chaleur fournie, était d'une fraction de pour cent. Ce n'est qu'après l'académicien A.F. Ioffe a suggéré d'utiliser des semi-conducteurs au lieu de métaux pour la fabrication de thermoéléments, l'utilisation de l'énergie de l'effet thermoélectrique est devenue possible et, en 1940-1941, le premier générateur thermoélectrique à semi-conducteur au monde a été créé à l'Institut de physique et de technologie de Leningrad. Dans les années 40 et 50, la théorie de l'effet thermoélectrique dans les semi-conducteurs a été développée par les travaux de son école et des matériaux thermoélectriques très efficaces (à ce jour) ont également été synthétisés. En interconnectant des thermoéléments individuels, il est possible de créer des thermopiles suffisamment puissantes. Une centrale électrique de 10 GW peut peser jusqu'à 200 XNUMX tonnes. La réduction du poids de la centrale électrique est directement liée à l'augmentation de l'efficacité de conversion de l'énergie solaire en électricité. Ceci peut être réalisé de deux manières : en augmentant l'efficacité thermique du convertisseur et en réduisant les pertes d'énergie irréversibles dans tous les éléments de la centrale électrique. Dans le premier cas, le rayonnement concentré permet d'obtenir des températures très élevées. Mais dans le même temps, les exigences en matière de précision des systèmes de suivi solaire sont considérablement accrues, ce qui est peu probable pour les systèmes à concentration de taille énorme. Par conséquent, les efforts des chercheurs visaient invariablement à réduire les pertes irréversibles. Ils ont essayé de réduire le flux de chaleur des jonctions chaudes vers les jonctions froides par conduction. Pour résoudre ce problème, il était nécessaire d'obtenir une augmentation du facteur de qualité des matériaux semi-conducteurs. Cependant, après de nombreuses années de tentatives de synthèse de matériaux semi-conducteurs avec un facteur de qualité élevé, il est devenu clair que la valeur atteinte aujourd'hui est la limite. Puis l'idée est née de séparer les jonctions chaudes et froides avec un entrefer, comme une lampe à deux électrodes - une diode. Si une électrode, la cathode, est chauffée dans une telle lampe et l'autre électrode, l'anode, est refroidie, alors un courant continu apparaîtra dans le circuit électrique externe. Ce phénomène a été observé pour la première fois en 1883 par Thomas Edison. "Le phénomène découvert par Edison s'appelait l'émission thermionique, écrit L.M. Drabkin. Comme la thermoélectricité, elle a longtemps été utilisée dans la technique des courants faibles. Les émissions sont différentes, mais les expressions du rendement sont les mêmes. Les principales composantes des pertes irréversibles dans le TEC sont associées à la nature non isotherme de l'apport et de l'évacuation de la chaleur à la cathode et à l'anode, au transfert de chaleur de la cathode à l'anode à travers les éléments structurels du TEC, ainsi qu'à pertes ohmiques dans les éléments de la connexion en série des modules individuels. Pour atteindre un rendement élevé du cycle Carnot, les TEC modernes sont conçus pour des températures de fonctionnement de cathode de 1700-1900 K, ce qui, à des températures d'anodes refroidies d'environ 700 K, permet d'obtenir un rendement d'environ 10 %. Ainsi, en raison de la réduction des pertes irréversibles dans le convertisseur lui-même et avec une augmentation simultanée de la température d'apport de chaleur, l'efficacité du TEC s'avère être deux fois plus élevée que celle du TEG décrit ci-dessus, mais à un apport de chaleur nettement supérieur températures.
Considérons maintenant la méthode photoélectrique de conversion d'énergie. Les cellules solaires utilisent le phénomène d'un effet photoélectrique externe, qui se manifeste à la jonction pn dans un semi-conducteur lorsqu'il est éclairé par la lumière. Une jonction pn (ou np) est créée en introduisant une impureté de signe opposé de conductivité dans un matériau de base semi-conducteur monocristallin. Lorsque le rayonnement solaire atteint la jonction pn, les électrons de la bande de valence sont excités et un courant électrique est généré dans le circuit externe. L'efficacité des panneaux solaires modernes atteint 13 à 15 %.
Les centrales solaires en ont un, mais un problème très important. L'atmosphère interfère avec l'obtention et l'utilisation de l'énergie solaire "propre" à la surface de la Terre. Et si nous placions des centrales solaires dans l'espace, en orbite proche de la Terre. Il n'y aura pas d'interférence atmosphérique, l'apesanteur vous permettra de créer de nombreux kilomètres de structures nécessaires pour "collecter" l'énergie du Soleil. De telles stations ont un grand mérite. La transformation d'un type d'énergie en un autre s'accompagne inévitablement d'un dégagement de chaleur, et son dégagement dans l'espace empêchera une surchauffe dangereuse de l'atmosphère terrestre. Aujourd'hui, il est impossible de dire avec certitude à quoi ressembleront réellement les centrales solaires spatiales, bien que les concepteurs aient commencé à concevoir de telles centrales à la fin des années 1960. Toute version du projet de centrale solaire spatiale suppose qu'il s'agit d'une structure colossale. Même la plus petite centrale électrique spatiale doit peser des dizaines de milliers de tonnes. Et cette masse gigantesque devra être lancée sur une orbite loin de la Terre.
Les lanceurs modernes sont capables de livrer le nombre requis de blocs, de nœuds et de panneaux de batteries solaires sur une orbite basse - de référence. Pour réduire la masse des immenses miroirs qui concentrent la lumière du soleil, ils peuvent être fabriqués à partir du film miroir le plus fin, par exemple sous la forme de structures gonflables. Les fragments assemblés de la centrale solaire spatiale doivent être livrés en orbite haute et y être amarrés. Et la section de la centrale solaire pourra voler jusqu'au "lieu de travail" par ses propres moyens, il suffit d'y installer des moteurs de fusée électriques à faible poussée. Mais c'est dans le futur. Jusqu'à présent, les panneaux solaires alimentaient avec succès les stations spatiales. Auteur : Musskiy S.A.
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