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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Conversion directe de l'énergie solaire en électricité. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Sources d'énergie alternatives Dans une certaine mesure, les centrales électriques équipées de convertisseurs dits sans machine : thermoélectriques, thermoélectriques et photoélectriques (batteries solaires), qui convertissent directement l'énergie du rayonnement solaire en courant électrique, sont exemptes des inconvénients inhérents aux convertisseurs mécaniques. méthode thermoélectrique Les générateurs thermoélectriques (TEG) sont basés sur ce qui a été découvert en 1821 par le physicien allemand T.I. Effet thermoélectrique Seebeck, qui consiste en l'apparition de thermo-emf aux extrémités de deux conducteurs différents si les extrémités de ces conducteurs sont à des températures différentes. L’effet ouvert était à l’origine utilisé en thermométrie pour mesurer les températures. L'efficacité énergétique de ces dispositifs à thermocouple, impliquant le rapport entre la puissance électrique libérée par la charge et la chaleur fournie, était d'une fraction de pour cent. Ce n'est qu'après l'académicien A.F. Ioffe a proposé 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-conducteurs 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 et des matériaux thermoélectriques très efficaces (à ce jour) ont été synthétisés. Selon la théorie développée, l'expression de l'efficacité du TEG est donnée par la formule :
z est le facteur de qualité du matériau semi-conducteur, 1/K ; TГ - température de la soudure chaude du thermoélément, K ; TХ - température de soudure froide, K ; TCP - température moyenne de la jambe du thermoélément, K,
M - critère Ioffe, a - thermo-EMF différentielle réduite des branches des thermoéléments, μV/K ; s, l - conductivité électrique et conductivité thermique réduites des branches des thermoéléments, respectivement, en 1/(Ohm m) et W/(m•K). Il est logique de s'attarder sur la formule d'efficacité ci-dessus, car elle caractérise l'efficacité non seulement des générateurs thermoélectriques, mais également d'autres dispositifs de conversion directe d'énergie. Il convient de noter que le rendement d'un TEG dépend des mêmes facteurs que le rendement de tout moteur thermique : le rendement thermique du cycle de Carnot réversible (le premier facteur de la formule) et le coefficient de pertes d'énergie irréversibles (le deuxième facteur ). Dans le TEG, les pertes internes irréversibles sont principalement associées au flux de chaleur le long des branches positives 3 et négatives 4 des jonctions chaudes 1 (Fig. 3, a) aux jonctions froides 5 (les jonctions, généralement en cuivre, sont séparées des branches par des couches anti-diffusion 2 (Fig. 3,A)). Comme il ressort de la formule, plus le facteur de qualité des matériaux utilisés est élevé, plus les pertes irréversibles sont faibles. Cependant, la théorie et de nombreuses années de pratique ont montré que la valeur du facteur de qualité de l'ordre de 3 • 10-3 1/deg est apparemment sa valeur limite.
En connectant des thermoéléments individuels, vous pouvez créer des thermopiles assez puissantes, dont l'une est illustrée à la Fig. 3, b. La batterie est située dans le plan focal du concentrateur 3 ; ses soudures chaudes 1 sont directement chauffées par le rayonnement solaire concentré, et la chaleur est évacuée des soudures froides 2 par rayonnement. Il existe des caractéristiques énergétiques d'une centrale électrique spatiale similaires à celles illustrées sur la figure. 3, b, mais sans hub. La densité attendue de l'installation peut atteindre 50 W/kg. Cela signifie qu'une centrale électrique de 10 GW peut peser jusqu'à 200 XNUMX tonnes. La réduction du poids d'une centrale électrique est directement liée à l'augmentation de l'efficacité de la conversion de l'énergie solaire en électricité, ce qui, comme le montre la formule ci-dessus, peut être obtenu de deux manières : augmenter l'efficacité thermique du convertisseur (efficacité du cycle de Carnot ) et liquéfier les pertes d'énergie irréversibles dans tous les éléments de la centrale. La première voie est en principe possible, puisque le rayonnement concentré permet d'obtenir des températures très élevées. Cependant, cela augmente considérablement les exigences en matière de précision des systèmes de suivi solaire, ce qui est difficilement réalisable pour les énormes systèmes de concentration. Par conséquent, les efforts des chercheurs visaient invariablement à réduire les pertes irréversibles, principalement à réduire le flux de chaleur des soudures chaudes vers les soudures froides par conductivité thermique. Pour résoudre ce problème, il était nécessaire d’augmenter le facteur de qualité des matériaux semi-conducteurs. Cependant, comme déjà mentionné, après de nombreuses années de tentatives pour synthétiser des matériaux semi-conducteurs avec un facteur de qualité élevé, il est devenu clair que la valeur atteinte (2,5-2,7) • 105 est la valeur limite. Puis, tout en continuant à rechercher de nouveaux moyens de réduire les flux de chaleur, est née l'idée de séparer les soudures chaudes et froides par un entrefer, comme c'est le cas dans une lampe à deux électrodes - diode. Si dans une telle lampe une électrode, la cathode 1, est chauffée (Fig. 4) et en même temps l'autre électrode, l'anode 2, est refroidie, alors un courant continu apparaît dans le circuit électrique externe.
Transducteur thermoionique (TEC) Le phénomène découvert par Edison s'appelait émission thermoionique. Comme la thermoélectricité, elle est utilisée depuis longtemps dans les technologies à courant faible. Plus tard, les scientifiques ont porté leur attention sur la possibilité d’utiliser cette méthode pour convertir la chaleur en électricité. Et bien que la nature de la thermoélectricité et de l’émission thermoionique soit différente, leurs expressions d’efficacité sont les mêmes :
où hк - efficacité du cycle Carnot réversible ; hnon mod. - coefficient prenant en compte les pertes irréversibles dans le convertisseur thermoionique (thermoélectrique). Les principales composantes des pertes irréversibles du 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 flux de chaleur de la cathode à l'anode à travers les éléments structurels du TEC, ainsi qu'à pertes ohmiques dans les éléments de connexion en série de modules individuels. Pour atteindre un rendement élevé du cycle Carnot, des TEC modernes sont créés à des températures de fonctionnement des cathodes 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 d'une augmentation simultanée de la température d'apport de chaleur, le rendement du TEC s'avère deux fois plus élevé que celui du TEG décrit ci-dessus, mais avec un apport de chaleur nettement plus élevé. températures. Pour obtenir de telles températures des surfaces cathodiques sur une orbite géosynchrone, la précision de l'orientation du concentrateur TEC vers le Soleil doit être comprise entre 6° et 8°, ce qui, avec des puissances thermiques du système d'énergie solaire de 10 à 20 GW et la zones correspondantes des concentrateurs, peut devenir, comme indiqué ci-dessus, un problème technique sérieux. Il est fort possible que les circonstances constatées aient joué un rôle important dans le choix de la méthode photoélectrique de conversion de l'énergie solaire dans les systèmes d'alimentation électrique embarqués de la première génération et des générations suivantes d'engins spatiaux. Méthode de conversion d'énergie photoélectrique La batterie solaire (Fig. 5) est basée sur le phénomène d'effet photoélectrique externe, qui apparaît à la jonction p-n du semi-conducteur lorsqu'il est éclairé par la lumière. Une jonction p-n (ou np) est créée en introduisant une impureté de signe de conductivité opposé dans le matériau de base semi-conducteur monocristallin. Par exemple, de l'aluminium ou du lithium sont introduits dans le silicium. En conséquence, lorsque le rayonnement solaire atteint la jonction p-n, 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 plus prometteuses pour créer des convertisseurs SCES sont les cellules solaires ultra-minces avec un rendement d'environ 15 % avec des caractéristiques spécifiques de 1 kW/m2 et 200 W/kg. Si ces panneaux solaires étaient utilisés comme convertisseur pour un SCES de 10 GW, leur superficie serait de 50 km2 et pèserait 10 XNUMX tonnes.
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