8.2. Прямое преобразование солнечной энергии

Основные положения

Солнце является основным источником энер­гии, обеспечивающим существование жизни на Земле. Вследствие реакций ядерного синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры до 10⁷ К. При этом поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К Электромагнитным излучением солнечная энергия передается в кос­мическом пространстве и достигает поверхности Земли. Вся поверхность Земли получает от Сол­нца мощность около 1,2-10" Вт. Это эквивалентно тому, что менее одного часа получения этой энергии достаточно, чтобы удовлетворить энергетические нужды всего населения Земного шара в течение года. Максимальная плотность потока солнечного излучения, приходящего на Землю, составляет примерно 1кВт/м². Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии меняются от 3 до 30 МДж/м² в день.

В среднем для создания комфортных условий жизни требуется примерно 2 кВт энергетической мощности на человека, или примерно 170 МДж энергии в день. Если принять эффективность преобразования солнечной энергии в удобную для потребления форму 10% и поток солнечной энергии 17 Мдж/м² в день, то требуемую для од­ного человека энергию можно получить со 100 м² площади земной поверхности. При сред­ней плотности населения в городах 500 человек на 1 км² на одного человека приходится 2000 м² земной поверхности. Таким образом, достаточно всего 5% этой площади, чтобы за счет снимаемой с нее солнечной энергии удовлетворить энергетические потребности человека.

Для характеристики солнечного излучения и взаимодействия его с веществом используются следующие основные величины.

Поток излучения — величина, равная энер­гии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную повер­хность. Измеряется в Дж/с=Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) — величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облу­чаемой им поверхности. Измеряется в Вт/м².

Плотность потока излучения от Солнца, па­дающего на перпендикулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой S, которая равна 1367 Вт/м².

Коэффициент поглощения (поглощательная способность тела) — величина, измеряемая от­ношением потока излучения, заключенного в узком спектральном интервале частот, погло­щаемого поверхностью тела, к потоку излуче­ния, падающему на эту поверхность в том же спектральном интервале. Коэффициент погло­щения зависит от температуры тела, частоты (или длины волны) излучения, а также от при­роды тела. Тело, для которого коэффициент поглощения равен единице, называется абсолютно черным телом. Оно поглощает все падающее на него излучение. Близкой по оптичес­ким свойствам к черному телу является сажа.

Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую (солнечные водоподогреватели, подогреватели воздуха, солнечные коллек­торы, солнечные электростанции)

Солнечные водоподогреватели (гелиоводопо-догреватели). Преобразование солнечной энергии в тепловую обеспечивается за счет способности атомов вещества поглощать электромаг­нитное излучение. При этом энергия электромагнитного излучения преобразуется в кинетическую энергию атомов и молекул вещества, т.е. в тепловую энергию. Результатом этого является повышение температуры тела.

Для энергетических целей наиболее рас­пространенным является использование солнечного излучения для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения.

Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 года предусматривает крупносерийное производство гелиоводоподогреватель-ных установок, разработанных белорусскими учеными. Найденные ими удачные технические решения делают их производство более техно­логичным и многократно снижают их вес. К 2010 г, планируется их применение, обеспечивающее эквивалентную экономию 50 тыс. т ус­ловного топлива в год.

Основным элементом солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости. Наиболее распространенными являются плоские (нефокусирующие) приемники, позволяющие собирать как прямое, так и рассеянное излучение и в силу этого способные работать также и в облачную погоду. С учетом их относительно невысо­кой стоимости они являются предпочтительными при нагревании жидкостей до температур ниже 100°С.

Самым оптимальным представляется прямое преобразование солнечной энергии в наиболее распространенную в использовании элек­трическую энергию. Это становится возможным при использовании такого физического явления, как фотоэффект.

Фотоэффектом называются электрические явления, происходящие при освещении вещества светом, а именно: выход электронов из ме­таллов; перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (р—п); изменение электрической проводимости.

При освещении границы раздела полупроводников с различными типами проводимости между ними устанавливается разность потенциалов. Это явление называется вентильным фотоэффектам, и на его использовании основано создание фотоэлектрических преобразователей энергии (солнечных элементов и батарей).

Наиболее распространенным полупроводником, используемым для создания солнечных элементов, является кремний.

Солнечные элементы характеризуются коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, который представляет собой отношение падающего на элемент потока излучения к максимальной мощности вырабатываемой им электрической энергии. Кремниевые солнечные элементы имеют коэффициент преобразования 10—15 % (т. е. при освещеннос­ти, равной 1 кВт/м², они вырабатывают электрическую мощность 1—1,5 Вт с каждого квадратного дециметра) при создаваемой разности по­тенциалов около 1В.

Солнечные элементы последовательно сое­диняются в солнечные модули, которые в свою очередь параллельно соединяются в солнечные батареи, как изображено на рис. 9.

В 1958 г. впервые солнечные батареи были использованы в США для энергообеспечения искусственного спутника Земли Vanguard 1. В последующем они стали неотъемлемой частью космических аппаратов. Широко известны микрокалькуляторы, часы, радиоприемники и многие другие электронные аппараты, работа­ющие на солнечных батареях.

За последние годы мировая продажа солнеч­ных модулей составила по суммарной мощности 25 МВт в 1986 г. и около 60 МВт в 1991 г.