Лекция №2. Использование солнца как источника электрической энергии

Содержание лекции: общая характеристика с олнечного излучения, классификация солнечных энергетических установок, солнечные термоэлектрические и фотоэлектрические преобразователи

Цель лекции: изучить энергетические возможности солнечной энергии испособы и устройства для ее преобразования в электрическую энергию

В 1996 году на Всемирной встрече по проблемам солнечной энергии (г.Хараре, Зимбабве) приняты «Всемирная солнечная программа» и «Харарская Декларация по солнечной энергетике и устойчивому развитию», определившие, что солнечная энергия должна играть заметную роль в обеспечении энергией, сохранении использования природных ресурсов и уменьшении деградации окружающей среды.

Источник лучистой энергии - Солнце - ближайшая к Земле звезда, раскалённый плазменный шар радиусом 696 тыс.км. Солнце вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и Земля. Светимость Солнца 3, 86х10² ³ кВт, эффективная температура поверхности около 6000 К, химический состав: водород - около 90%, гелий – 10%, другие элементы – менее 0, 1%.

Источник энергии Солнца – ядерные превращения водорода в гелий в центральной области Солнца, где температура около 15 млн К. Энергия из недр Солнца к его поверхности переносится излучением, а затем во внешнем слое, толщиной около 0, 2 радиуса шара – конвекцией. Конвективное движение плазмы определяет наличие фотосферной грануляции - солнечных пятен. Интенсивность плазменных процессов на Солнце периодически – через 11 лет меняется. На Землю, находящуюся от Солнца на расстоянии 149 млн км поступает поток солнечной лучистой энергии мощностью около 2 10¹⁷Вт.

Солнечный спектр можно разделить на три основные группы:

- ультрафиолетовые излучение (длины волны до 0, 4 мкм) – 9% интенсивности;

- видимое излучение (длины волны от 0, 4 мкм до 0, 7 мкм) – 45% интенсивности;

- инфракрасные (тепловое) излучение (длины волны более 0, 7 мкм) – 46 % интенсивности;

Для количественной оценки излучения применяется величина, называемая интенсивностью.

Интенсивность Е_с[Вт/м²] – эта мощность лучистой энергии, приходящей за пределами земной атмосферы в секунду на квадратный метр площади, перпендикулярной солнечным лучам.

При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном за счет поглощения излучения парами воды – облаками (инфракрасное излучение), озоном (ультрафиолетовое излучение), частицами пыли, золы, дыма и аэрозолей, за счет рассеяния светового потока молекулами газов. Все эти поглощения света образуют понятие – оптическая плотность атмосферы или атмосферная масса (АМ).

При нулевой атмосферной массе АМ0 на верхней границе атмосферы и в космическом пространстве интенсивность излучения равна Ес = 1360 Вт\м².

Величина атмосферной массы АМ1 соответствует оптической плотности чистого безоблачного неба над уровнем моря при расположении Солнца в зените.

Стандартной величиной атмосферной массы является АМ1, 5 при θ = 41° 49′, при которой плотность солнечного излучения Ес = 835 Вт\ м².

В диапазоне оптических частот существенно проявляется квантовый характер электромагнитного излучения и двойственность природы света – волновая и корпускулярная.

Квант электромагнитного излучения – ФОТОН - элементарная частица, обладающая нулевой массой покоя и скоростью, равной скорости света. Она не имеет ни электрического заряда, ни магнитного момента. Энергия фотонов hν =[ эВ], в излучении с длиной волны λ определяется соотношением

hν = hc\ λ = 1, 24\ λ (1)

где h=6, 63∙ 10^-34 Дж∙ с – постоянная Планка;

с= 2, 99∙ 10⁸ м/с - скорость света;

λ – длина волны, мкм.

Электрон-вольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1В.

1 эВ =1, 6∙ 10^-19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны Е_g: λ _гр= 1, 24/ Е_g.

Более длинноволновое излучение не поглщается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.

Запрещенная зона - зона, характеризующаяся отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных материалов.

Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов:

– широты и долготы местности;

– географических и климатических особенностей; – состояния атмосферы;

– высоты Солнца над горизонтом;

– размещение приемника солнечного излучения на Земле;

– размещение приемника солнечного излучения по отношению к Солнцу и т. д.

Суммарное солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, обычно состоит из трех составляющих:

1. Прямое солнечное излучение, поступающее от Солнца на приемную площадку в виде параллельных лучей.

2. Диффузионное или рассеянное молекулами атмосферных газов и аэрозолей солнечное излучение.

3. Отраженная земной поверхностью доля солнечного излучения.

Классификация солнечных энергетических установок. Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:

– по виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии – тепло или электричество;

– по концентрированию энергии – с концентраторами и без концентраторов;

– по технической сложности – простые (нагрев воды, сушилки, на-гревательные печи, опреснители и т. д.) и сложные.

Сложные солнечные энергетические установки можно разделить на два подвида.

Первый базируется в основном на системе преобразования сол-нечного излучения в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К таким установкам относятся башенные солнечные электрические станции, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного излучения.

Второй подвид солнечных энергетических установок базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок.

В настоящее время в мире наиболее перспективными являются два вида солнечных энергетических установок:

– солнечные коллекторы;

– солнечные фотоэлектрические преобразователи.