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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
태양광 발전소. 발명과 생산의 역사
태양열 발전소는 태양 복사를 전기 에너지로 변환하는 엔지니어링 구조입니다. 태양 복사를 변환하는 방법은 다르며 발전소의 설계에 따라 다릅니다.
태양 복사는 환경 친화적이며 재생 가능한 에너지원입니다. 태양 에너지의 매장량은 엄청납니다. XNUMX세기가 시작되면서 인류는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 여러 원리를 개발하고 마스터했습니다. 조건부로 기계와 기계가 없는 방법으로 나눌 수 있습니다. 후자는 열에너지를 기계적 일로 변환하는 단계가 없기 때문에 종종 직접 에너지 변환 방법이라고 합니다. 기계 변환기 중에서 가장 유명한 것은 모든 지상 화력 및 원자력 발전소에서 작동하는 증기 및 가스터빈 발전소입니다. 폐쇄형 가스 터빈 플랜트의 개략도는 다음과 같습니다. 태양열 보일러 표면의 집중 장치에 의해 수집된 태양 복사는 작동 유체(비활성 가스)를 1200-1500도 켈빈 온도로 가열하고 압축기에서 생성된 압력 하에서 뜨거운 가스를 보일러 블레이드에 공급합니다. 교류 발전기를 구동하는 가스 터빈. 터빈에서 배출된 가스는 먼저 재생기로 들어가 압축기 후 작동 가스를 가열합니다. 따라서 메인 히터 인 태양열 보일러의 작업을 용이하게합니다. 그런 다음 가스는 냉각기 방출기에서 냉각됩니다. 1977년 우즈베키스탄 과학 아카데미 물리 기술 연구소의 11미터 면이 있는 포물선 집중 장치에서 수행된 XNUMX킬로와트 가스터빈 플랜트의 테스트는 이러한 유형의 플랜트가 매우 기동성이 있음을 보여주었습니다. 공칭 속도에 대한 출력은 태양 반점이 원통형 보일러의 공동을 가리키는 순간부터 XNUMX분을 넘지 않았습니다. 이 설치의 효율성은 XNUMX%입니다. 증기 터빈 컨버터가 있는 발전소에서 집중 장치에 의해 수집된 태양 에너지는 태양열 보일러의 작동 유체를 가열하여 포화된 다음 과열 증기로 바뀌고 발전기에 연결된 터빈에서 팽창하는 과열 증기로 변합니다. 터빈에서 배출된 증기의 냉각기 라디에이터에서 응축된 후 펌프에 의해 압축된 응축수는 다시 보일러로 들어갑니다. 이 설비에서 열의 공급과 제거는 등온적으로 이루어지기 때문에 평균 공급과 제거 온도는 가스터빈 설비보다 높고 라디에이터와 집중기의 특정 면적은 더 작게 나타날 수 있다. 유기 작동 유체에서 작동하는 이러한 설치는 15-20도 켈빈에 불과한 상대적으로 낮은 열 공급 온도에서 600-650%의 효율을 보입니다. 폐쇄형 가스 터빈 플랜트(CGTU)의 개략도가 그림에 나와 있습니다. 여기서 태양열 보일러(1)의 표면에 있는 집광기(2)에 의해 수집된 태양 복사는 작동 유체(불활성 가스)를 1200- 정도의 온도로 가열합니다. 1500 K 및 압축기 3에 의해 생성된 압력 하에서 교류 발전기 4를 구동하는 블레이드 가스 터빈 5에 고온 가스를 공급합니다. 터빈에서 배출된 가스는 먼저 재생기 6으로 들어가 압축기 후 작동 가스를 가열합니다. , 메인 히터 - 태양열 보일러의 작동을 용이하게 한 다음 냉장고에서 냉각 - 라디에이터 7. 표시된 바와 같이 1977 킬로와트 가스 터빈 플랜트의 지상 테스트는 36000 년에 1 미터 패싯 포물선 집중 장치에서 수행되었습니다. 우즈베키스탄 과학아카데미 물리기술연구소(Physico-Technical Institute of the Academy of Sciences of Uzbekistan)에 따르면 이러한 유형의 설치는 기동성이 매우 뛰어나 공칭 속도(11rpm)에 도달하는 데 태양 흑점이 원통형 보일러의 구멍을 가리키는 순간부터 XNUMX분도 채 걸리지 않았습니다. 이 설치의 효율성은 XNUMX%였습니다. 자유 에너지를 사용하는 태양열 발전소의 경우 효율이 유기 연료로 작동하는 기존 열 엔진만큼 중요하지 않은 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 태양광 우주 발전소의 가장 부피가 크고 무거운 부분(집광 장치 및 냉각기 방출 장치)의 크기와 무게는 주로 설치 효율성에 달려 있기 때문에 그렇지 않습니다. 증기 터빈 변환기로 발전소를 만드는 것이 가능합니다. 태양 복사를 전류로 변환
여기서, 농축기(1)에 의해 수집된 태양 에너지는 태양열 보일러(2)의 작동 유체를 가열하여 포화된 다음 과열된 증기로 변하고, 발전기(4)에 연결된 터빈(5)에서 팽창합니다. 냉각기에서 응축 후- 터빈에서 배출되는 증기의 라디에이터 7, 펌프 8에 의해 압축된 응축수가 다시 보일러로 들어갑니다. 이 설비의 열 공급 및 제거는 등온으로 수행되기 때문에 평균 공급 및 제거 온도는 가스 터빈 플랜트보다 (동일한 열 공급 온도에서) 높으며 라디에이터의 특정 영역과 집광기는 CCGT보다 적을 수 있습니다. 기계 변환기에 내재된 많은 단점으로 인해 소위 기계 없는 변환기가 있는 발전소는 무료입니다. 즉, 태양 복사 에너지를 전류로 직접 변환하는 열전, 열전자 및 광전지입니다. "열전 발전기는 1821년 독일 물리학자 T.I. Seebeck이 발견한 열전 효과를 기반으로 합니다. 이 효과는 두 도체의 끝이 서로 다른 온도에 있을 경우 두 개의 서로 다른 도체 끝에 열-EMF가 나타나는 현상으로 구성됩니다."라고 L.M.은 씁니다. Soros Educational Journal Drabkin에서 - 개방 효과는 원래 온도를 측정하기 위해 온도계에서 사용되었습니다. 이러한 장치의 에너지 효율은 부하에서 방출되는 전력과 공급된 열의 비율을 의미하는 열전대(thermocouple)는 몇 퍼센트에 불과했습니다. Academician A.F. 이후에만 Ioff는 열전소자의 제조를 위해 금속 대신 반도체를 사용하자고 제안했고, 열전 효과의 에너지 사용이 가능하게 되었고, 1940-1941년에 Leningrad Institute of Physics and Technology에서 세계 최초의 반도체 열전 발전기가 만들어졌습니다. 40년대와 50년대에 반도체의 열전 효과 이론은 그의 학교의 연구에 의해 개발되었고 또한 매우 효과적인 (오늘날까지) 열전 재료가 합성되었습니다. 개별 열전소자를 상호 연결함으로써 충분히 강력한 열전퇴를 생성할 수 있습니다. 10GW 발전소의 무게는 최대 200톤입니다. 발전소의 무게를 줄이는 것은 태양 에너지를 전기로 변환하는 효율성의 증가와 직접적인 관련이 있습니다. 이는 변환기의 열 효율을 높이고 발전소의 모든 요소에서 비가역적인 에너지 손실을 줄이는 두 가지 방법으로 달성할 수 있습니다. 첫 번째 경우에 집중된 방사선으로 인해 매우 높은 온도를 얻을 수 있습니다. 그러나 동시에 태양 추적 시스템의 정확도에 대한 요구 사항이 크게 증가하여 엄청난 크기의 집광 시스템에서는 불가능합니다. 따라서 연구원의 노력은 항상 돌이킬 수없는 손실을 줄이는 것을 목표로했습니다. 그들은 전도에 의해 열접점에서 냉접점으로의 열 흐름을 줄이려고 했습니다. 이 문제를 해결하기 위해서는 반도체 재료의 품질 계수를 높이는 것이 필요했습니다. 그러나 고품질의 반도체 재료를 합성하려는 수년간의 시도 끝에 오늘날 달성한 가치가 한계라는 것이 분명해졌습니다. 그런 다음 1883전극 램프인 다이오드와 같은 에어 갭으로 열접점과 냉접점을 분리하는 아이디어가 떠올랐습니다. 이러한 램프에서 한 전극인 음극이 가열되고 다른 전극인 양극이 냉각되면 외부 전기 회로에 직류가 나타납니다. 이 현상은 XNUMX년 Thomas Edison에 의해 처음 관찰되었습니다. L.M. Drabkin은 "에디슨이 발견한 현상을 열이온 방출(thermionic emission)이라고 불렀다"며 "열전기와 마찬가지로 오래전부터 저전류 기술에 사용됐다. 방출은 다르지만 효율에 대한 표현은 같다. TEC에서 비가역적 손실의 주요 구성 요소는 음극 및 양극에서 열 공급 및 제거의 비등온 특성, TEC의 구조적 요소를 통해 음극에서 양극으로의 열 전달 및 다음과 관련이 있습니다. 개별 모듈의 직렬 연결 요소의 저항 손실. Carnot 사이클의 고효율을 달성하기 위해 최신 TEC는 1700-1900K의 음극 작동 온도용으로 설계되었으며, 약 700K의 냉각된 양극 온도에서 약 10%의 효율을 얻을 수 있습니다. 따라서 컨버터 자체의 비가역 손실 감소와 열 공급 온도의 동시 증가로 인해 TEC의 효율은 위에서 설명한 TEG의 효율보다 두 배 높지만 열 공급이 훨씬 더 높습니다. 온도.
이제 에너지 변환의 광전 방법을 고려하십시오. 태양전지는 외부 광전효과(external photoelectric effect) 현상을 이용하여 반도체의 pn 접합에 빛을 비추면 그 자체가 나타난다. pn(또는 np) 접합은 단결정 반도체 모재에 전도도의 반대 부호를 가진 불순물을 도입하여 생성됩니다. 태양 복사가 pn 접합에 도달하면 가전자대의 전자가 여기되고 외부 회로에 전류가 생성됩니다. 현대 태양 전지의 효율은 13-15%에 이릅니다.
태양광 발전소에는 하나가 있지만 매우 중요한 문제가 있습니다. 대기는 지구 표면에서 "깨끗한" 태양 에너지를 얻고 사용하는 것을 방해합니다. 그리고 우리가 태양광 발전소를 지구 궤도에 가까운 우주에 배치한다면 어떨까요? 대기 간섭이 없으며 무중력으로 인해 태양 에너지를 "수집"하는 데 필요한 수 킬로미터 구조를 만들 수 있습니다. 그러한 역은 큰 장점이 있습니다. 한 유형의 에너지가 다른 유형의 에너지로 변환되면 필연적으로 열 방출이 동반되며 우주로 방출되면 지구 대기의 위험한 과열이 방지됩니다. 오늘날에는 설계자들이 1960년대 후반에 이러한 발전소를 설계하기 시작했지만 태양광 우주 발전소가 실제로 어떤 모습일지 확실히 말할 수 없습니다. 태양 우주 발전소 프로젝트의 모든 버전은 이것이 거대한 구조라고 가정합니다. 가장 작은 우주 발전소라도 무게는 수만 톤에 달합니다. 그리고 이 거대한 덩어리는 지구에서 멀리 떨어진 궤도로 발사되어야 합니다.
최신 발사체는 필요한 수의 태양 전지 블록, 노드 및 패널을 낮은 기준 궤도에 전달할 수 있습니다. 햇빛을 집중시키는 거대한 거울의 질량을 줄이기 위해 가장 얇은 거울 필름, 예를 들어 팽창 가능한 구조의 형태로 만들 수 있습니다. 태양 우주 발전소의 조립된 파편은 높은 궤도로 배달되어 거기에 도킹되어야 합니다. 그리고 태양열 발전소의 섹션은 자체 전력으로 "작업장"으로 비행 할 수 있으며 저추력 전기 로켓 엔진을 설치하기 만하면됩니다. 하지만 그건 미래의 일입니다. 지금까지 태양 전지판은 성공적으로 우주 정거장에 전력을 공급해 왔습니다. 저자: Musskiy S.A.
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