Тепловые солнечные электростанции

Солнечные тепловые электростанции в простейшей интерпретации представляют собой электростанцию с паровой машиной, котел которой нагревается за счет сфокусированного солнечного излучения.

Сфокусированное солнечное излучение позволяет получать достаточно высокие для работы паровой машины температуры (до 700^оС). При этом можно получать и достаточно высокий к.п.д.

Еще более лучших показателей можно достичь, используя тепловые машины внешнего сгорания (двигатели Стирлинга).

Устройство и принцип действия реального двигателя Стирлинга, имеющего цикл близкий к теоретическому циклу, показан на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2. Устройство и схема работы

двигателя Стирлинга

1 – источник концентрированного солнечного излучения, 2 – горячая зона, 3 – регенератор, 4 – вытесняющий поршень, 5 – охладитель, 6 – силовой поршень, 7 – холодная зона.

Двигатель работает следующим образом.

Газ под действием концентрированного солнечного излучения нагревается в горячей зоне и, расширяясь, проходит через регенератор, где охлаждается. После прохождения регенератора охлажденный газ поступает в холодную зону и давит на силовой поршень, толкая его вниз. В идеальном цикле это соответствует процессам 3 – 4 и 4 – 1, в реальном двигателе эти процессы идут одновременно и не могут быть разделены.

Силовой поршень связан с вытесняющим поршнем так, что при движении силового поршня вниз, вытесняющий поршень движется вверх, выталкивая газ из горячей зоны через регенератор.

Достигнув нижнего значения, силовой поршень начинает двигаться вверх, вытесняя уже охлажденный газ через регенератор в горячую зону. Проходя через регенератор, газ нагревается до температуры Т₂. Вытесняющий поршень при этом достигает своего нижнего значения.

Газ в горячей зоне нагревается до температуры Т₃ и цикл повторяется.

Серийное производство двигателей внешнего сгорания сдерживается из-за его больших размеров и трудностей конструкции нагреваемой стенки цилиндра.

Фотоэлектрическое преобразование энергии солнечного излучения

Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в электроэнергию непосредственно, минуя преобразования в тепловую и кинетическую энергию. Такое преобразование происходит в фотоэлектрических преобразователях, полупроводниковых приборах, способных под действием света генерировать электродвижущую силу постоянного тока.

Рассмотрим кратко особенности устройства и работы фотоэлектрических преобразователей.

Фотоэлектрические преобразователи представляет собой полупроводниковое устройство, в котором под действием света появляется электрический потенциал. Электрические свойства полупроводников описываются зонной теорией, согласно которой валентная зона и зона проводимости разделены энергетическим зазором, называемым запрещенной зоной

При попадании фотона в валентный электрон, электрон возбуждается, и при достаточной энергии фотона может перейти в зону проводимости.

В настоящее время в фотоэлектрических преобразователях применяется кремний. Чистый кремний не содержит примесных атомов. Технически чистый кремний содержит незначительное число примесных атомов, которые могут отдавать или присоединять электроны. Если в полупроводник с собственной проводимостью внести примесь ионов, то возникает примесная проводимость. Так, например, если четырехвалентный атом кремния в кристаллической решетке заместить атомом с меньшей валентностью, то в решетке возникает акцепторныйузел, способный захватывать свободные электроны. Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются в запрещенной зоне вблизи валентной зоны. Отсутствие свободных электронов приводит к появлению положительных состояний, называемых дырками. Дырки имеют тяготение к заполнению электронами, но тогда на месте присоединенного электрона появляется своя дырка. Такое явление можно интерпретировать, как перемещение дырок в веществе полупроводника.

Если внести примесь с большей валентностью, чем кремний, то возникнут донорныеузлы, способные отдавать электроны. В этом случае по веществу полупроводника будут перемещаться электроны.

Первого типа полупроводники называются полупроводниками р-типа, а вторые – n-типа.