Лекция 3

Солнечная энергия. Использование солнца как источника электрической энергии. Солнечные термоэлектрические и фотоэлектрические преобразователи. Термодинамическое преобразование солнечной энергии в электрическую. Солнечные электростанции.

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  3,86х10²³ 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 кон-центраторов;

– 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 и в России наиболее перспективными являются два вида солнечных энергетических установок:

– солнечные коллекторы;

– солнечные фотоэлектрические преобразователи.

Термоэлектрические преобразователи

В основе прямого преобразования тепловой энергии солнечного излучения в электричество лежит эффект Зеебека, открытый в 1821 году. Если спаять концами два проводника разного химического состава и поместить спаи в среды с разными температурами (рисунок 1), то между ними воз-никает термо-ЭДС:

Е =α(Т₁ - Т₂),

где Т₁ – абсолютная температура горячего спая; Т₂ – абсолютная температура холодного спая; α– коэффициент пропорциональности.

В цепи проводников возникает ток I , причем горячий спай за секунду поглощает теплоту из нагретого источника в количестве Q = αT₁I , а холодный спай отдает теплоту низкотемпературному телу в количестве

а)

б)

Рисунок 1 – Конструкция термоэлектрического преобразователи

Q₂= αT₂I . Разность подведенной и отведенной теплоты со-ставляет секундную работу тока L, Вт:

L = α(T₁ –T₂)I .

Отношение работы к подведенной теплоте есть термический КПД процесса преобразования:

Таким образом, КПД идеального термоэлектрического преобразователя совпадает с термическим КПД цикла Карно и полностью определяется абсолютными температурами холодного и горячего спаев. В реальных преобразователях имеют место потери из-за электрического со-противления проводников, их теплопроводности и термического сопротивления теплообмену спаев с окружающими средами. Поэтому дейст-вительный КПД установки равен:

(2)



где 1 – относительный электрический КПД преобразователя.

При использовании металлических термоэлектродов КПД термо-электрических преобразователей очень мал – не превышает сотых долей процента.

Значительный эффект дает применение полупроводников – КПД возрастает до величины порядка 10 %..

В современных термоэлектрических генераторах полупроводниковые термоэлементы, в которых горячие спаи нагреваются солнечными лучами, соединены последовательно. Такого рода генераторы при-меняются в качестве автономных источников электроэнергии для потребителей малой мощности – маяков, морских сигнальных буев, космических аппаратов и т. п.

Термогенераторы бывают низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные.  Максимальная рабочая температура самых распространённых термоэлектрических генераторов – 200-250°C (они относятся к классу низкотемпературных). Их типовые размеры – 3 х 3 и 4 х 4 сантиметра. Напряжение, ток, мощность – порядка 2В, 1А, 2Вт (при температурах холодного / горячего спая 50 - 150 °С). Конечно, такие термоэлементы не бросишь в костёр или печь. Температура пламени костра и горячих углей достигает от 300 до 600-1200 градусов по шкале Цельсия.

Фотоэлектрические преобразователи

Фотоны взаимодействуют электромагнитным образом со всеми элементарными частицами, создают процессы – излучение, поглощение, упругое рассеяние энергии. Под действием потока фотонов в некоторых полупроводниках возникает внутренний фотоэффект, при котором происходит переход носителей зарядов из связанного состояния в свободное и скопление их на p – n  переходах, создающее разность потенциалов на поверхностях элемента.

Вентильный фотоэффект или фотоэлектрический эффект – это возникновение ЭДС  в системе, содержащей контакт двух разных полупроводников  или полупроводника  и металла при поглощении квантов излучения оптического диапазона.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует эн ергию фотонов в электрическую энергию. Подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые  фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД около 44,7 %.