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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 태양 에너지를 전기로 직접 변환합니다. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
태양 복사 에너지를 전류로 직접 변환하는 소위 기계 없는 변환기(열전, 열이온 및 광전(태양전지))를 갖춘 발전소는 기계 변환기에 내재된 단점이 어느 정도 없습니다. 열전 방식 열전 발전기(TEG)는 1821년 독일 물리학자 T.I. 제벡(Seebeck) 열전 효과는 두 개의 서로 다른 도체 끝의 온도가 다른 경우 두 개의 서로 다른 도체 끝에서 열기전력이 나타나는 것으로 구성됩니다. 개방 효과는 원래 온도 측정에서 온도를 측정하는 데 사용되었습니다. 공급된 열에 대한 부하에서 방출되는 전력의 비율을 의미하는 이러한 열전대 장치의 에너지 효율은 몇 퍼센트에 불과했습니다. Academician A.F. 이후에만. Ioffe는 열전소 제조를 위해 금속 대신 반도체를 사용할 것을 제안했고 열전 효과의 에너지 사용이 가능해졌으며 1940-1941년에 레닌그라드 물리 기술 연구소에서 세계 최초의 반도체 열전 발전기가 만들어졌습니다. 40~50년대에는 반도체의 열전 효과에 관한 이론이 개발되었고, (현재까지) 매우 효과적인 열전 재료가 합성되었습니다. 개발된 이론에 따르면 TEG 효율의 표현은 다음 공식으로 표현됩니다.
z는 반도체 재료의 품질 계수, 1/K입니다. 티Г - 열전소자의 열접점 온도 K; 티Х - 냉접점 온도 K; 티CP - 열전소자 다리의 평균 온도, K,
M - Ioffe 기준, a - 열전소 가지의 감소된 차등 열기전력, μV/K; s, l - 열전소 가지의 전기 전도성 및 열 전도성이 각각 1/(Ohm·m) 및 W/(m·K)로 감소합니다. 위의 효율성 공식은 열전 발전기뿐만 아니라 직접 에너지 변환을 위한 기타 장치의 효율성을 특징으로 하기 때문에 이를 고려하는 것이 합리적입니다. 주목할만한 점은 TEG의 효율이 모든 열기관의 효율과 동일한 요소, 즉 가역적 카르노 사이클의 열 효율(공식의 첫 번째 요소)과 비가역적 에너지 손실 계수(두 번째 요소)에 따라 달라진다는 사실입니다. ). TEG에서 내부 비가역 손실은 주로 뜨거운 3(그림 4, a)에서 차가운 1 접합(일반적으로 구리로 만들어진 접합은 분기에서 분리됨)까지 양극 3 및 음극 5 분기를 따른 열 흐름과 관련됩니다. 확산 방지층 2(그림 3, A)). 공식에서 다음과 같이 사용된 재료의 품질 계수가 높을수록 되돌릴 수 없는 손실이 낮아집니다. 그러나 이론과 수년간의 실습을 통해 3 · 10-3 1/deg 정도의 품질 계수 값이 분명히 한계 값이라는 것이 나타났습니다.
개별 열전대를 연결하면 상당히 강력한 열전퇴를 만들 수 있으며 그 중 하나가 그림 3에 나와 있습니다. 3, ㄴ. 배터리는 집속기(1)의 초점면에 위치합니다. 열접점(2)은 집중된 태양 복사에 의해 직접 가열되고 열은 복사에 의해 냉접점(3)에서 제거됩니다. 그림 50과 유사한 우주발전소의 에너지 특성이 있다. 10, b, 그러나 허브는 없습니다. 예상되는 설치 비중은 최대 200W/kg입니다. 이는 XNUMXGW 발전소의 무게가 최대 XNUMX만 톤에 달할 수 있음을 의미합니다. 발전소의 무게를 줄이는 것은 태양에너지를 전기로 변환하는 효율을 높이는 것과 직접적인 관련이 있는데, 이는 위의 공식에서 알 수 있듯이 두 가지 방법으로 달성할 수 있습니다. 변환기의 열효율을 높이는 것(카르노 사이클 효율) ) 발전소의 모든 요소에서 되돌릴 수 없는 에너지 손실을 액화합니다. 첫 번째 방법은 원칙적으로 가능합니다. 집중된 방사선을 사용하면 매우 높은 온도를 얻을 수 있기 때문입니다. 그러나 이는 태양 추적 시스템의 정확성에 대한 요구 사항을 크게 증가시키며, 이는 거대한 집중 시스템에서는 거의 달성할 수 없습니다. 따라서 연구자들의 노력은 주로 열전도율을 통해 열접점에서 냉접점으로의 열 흐름을 줄이는 등 비가역 손실을 줄이는 것을 목표로 삼았습니다. 이 문제를 해결하려면 반도체 소재의 품질 계수를 높이는 것이 필요했습니다. 그러나 이미 언급한 바와 같이 고품질 요소를 갖는 반도체 재료를 합성하려는 수년간의 시도 끝에 달성된 값(2,5-2,7) · 105가 한계 값이라는 것이 분명해졌습니다. 그런 다음 열 흐름을 줄이는 새로운 방법을 계속 탐색하면서 1전극 램프-다이오드의 경우처럼 열접점과 냉접점을 에어 갭으로 분리하는 아이디어가 떠올랐습니다. 이러한 램프에서 한쪽 전극인 음극 4이 가열되고(그림 2) 동시에 다른 전극인 양극 XNUMX가 냉각되면 외부 전기 회로에 직류가 나타납니다.
열이온 변환기(TEC) 에디슨이 발견한 현상을 열이온 방출이라고 합니다. 열전과 마찬가지로 오랫동안 저전류 기술에 사용되어 왔습니다. 나중에 과학자들은 열을 전기로 변환하는 방법을 사용할 가능성에 관심을 돌렸습니다. 열전과 열이온 방출의 특성은 다르지만 효율성에 대한 표현은 동일합니다.
어디 hк - 가역적 카르노 사이클의 효율성; 시간모드를 해제합니다. - 열이온(열전) 변환기의 비가역 손실을 고려한 계수입니다. TEC의 비가역 손실의 주요 구성 요소는 음극과 양극에서의 열 공급 및 제거의 비등온 특성, TEC의 설계 요소를 통해 음극에서 양극으로의 열 흐름 및 개별 모듈의 직렬 연결 요소의 저항 손실. 카르노 사이클의 높은 효율을 달성하기 위해 최신 TEC는 1700-1900K의 음극 작동 온도에서 생성되며, 이는 약 700K의 냉각된 양극 온도에서 약 10%의 효율을 얻을 수 있습니다. 따라서 변환기 자체의 비가역적 손실 감소와 동시에 열 공급 온도의 증가로 인해 TEC의 효율은 위에서 설명한 TEG의 효율보다 두 배 높지만 훨씬 더 높은 열 공급에서 나타납니다. 온도. 정지 궤도에서 음극 표면의 온도를 얻으려면 태양에 대한 TEC 집광기의 방향 정확도가 6°~8° 이내여야 합니다. 이는 태양광 발전 시스템의 열 전력이 10~20GW이고 집광기의 해당 영역은 위에서 언급한 것처럼 심각한 기술 문제가 될 수 있습니다. 언급된 상황이 XNUMX세대 및 후속 세대 우주선의 온보드 전원 공급 시스템에서 태양 에너지를 변환하기 위한 광전 방법을 선택하는 데 중요한 역할을 했을 가능성이 높습니다. 광전 에너지 변환 방식 태양전지(그림 5)는 빛을 받으면 반도체의 p-n 접합에 나타나는 외부 광전 효과 현상을 기반으로 한다. p-n(또는 np) 접합은 단결정 반도체 모재에 전도성의 반대 부호를 갖는 불순물을 도입하여 생성됩니다. 예를 들어, 알루미늄이나 리튬이 실리콘에 도입됩니다. 결과적으로 태양 복사가 pn 접합에 닿으면 가전자대 전자가 여기되어 외부 회로에 전류가 생성됩니다. 현대 태양광 패널의 효율은 13~15%에 이릅니다.
SCES 변환기를 만드는 데 가장 유망한 것은 15kW/m1 및 2W/kg의 특정 특성을 지닌 약 200%의 효율을 지닌 초박형 태양전지입니다. 이 태양광 패널을 10GW SCES의 변환기로 사용하면 면적은 50km2, 무게는 10톤이 됩니다.
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