Солнечные термоэлектрические и фотоэлектрические преобразователи. Термодинамическое преобразование солнечной энергии в электрическую. Солнечные электростанции.
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 Ес[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 Еg: λгр= 1,24/ Еg.
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. Отраженнаяземной 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.
Дата добавления: 2015-10-09; просмотров: 3233;