Физические основы процессов преобразования солнечной энергии

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевой воздушной массе АМ 0 интенсивность излучения равна EC = 1360 Вт/м2.

Величина АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле AM(x) =х/ x0 sinQ, где x – атмосферное давление, Па; x0 – нормальное атмосферное давление (1,013-105 Па); Q – угол высоты Солнца над горизонтом. Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ 1,5 (в ~ 42 °). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной плотности солнечного излучения EC = 835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследований различных солнечных элементов.

Энергия фотонов [эВ] определяется из соотношения hv=hс/л, где h – постоянная Планка, Дж-с; с – скорость света, ; л – длина волны, мкм. Электронвольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ = 1,6*10-19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны Eg. Лz=1,24 / Eg. Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования. Запрещенная зона – характеризуется отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных материалов.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения: 1фотовольтаика — получение электроэнергии с помощью фотоэлементов; 2гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах). В качестве особого вида станций гелиотермальной энергетики принято выделять солнечные системы концентрирующего типа (CSP - Concentrated solar power). В этих установках энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч солнца. Этот луч солнца используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости, которая расходуется для электрогенерации по аналогии с обычными ТЭЦ или накапливается для сохранения энергии. Преобразование солнечной энергии в электричество осуществляется с помощью тепловых машин: паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны; двигатель Стирлинга; 3Солнечный парус - устройство для преобразования солнечного света (лучей) в кинетическую энергию в безвоздушном пространстве. 4термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор). 5солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Фотоэлектрические генераторы основаны на физ. свойствах полупроводников: выбивание электронов из внешней оболочки (pn переход)

Рис.

Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем её вырабатывается всеми электростанциями мира. Задача состоит в том, чтобы научиться практически использовать хотя бы ее небольшое количество. Нельзя утверждать, что широкомасштабное использование солнечной энергии не будет иметь никаких последствий для окружающей среды, но все же они будут несравненно меньшими, чем в традиционной энергетике.