Интенсивность солнечного излучения на земле не зависит. Солнечная, земная и атмосферная радиация. Где солнечное ионизирующее облучение сильнее
Наибольшую интенсивность непрерывный спектр имеет в области длин волн 430–500 нм. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излученияабсолютно черного тела с температурой 6000 К. Эта температура соответствует температуре видимой поверхности Солнца – фотосферы. В видимой области спектра Солнца наиболее интенсивны линии Н и К ионизованного кальция, линии бальмеровской серии водорода Н α , Н β и Н γ .
Около 9 % энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400–760 нм) и инфракрасной (760–5000 нм) областями спектра.
Солнце – мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие – постоянную и переменную. Постоянная составляющая характеризует радиоизлучение спокойного Солнца. Солнечная корона излучает радиоволны как абсолютно черное тело с температурой T = 10 6 К. Переменная составляющая радиоизлучения Солнца проявляется в виде всплесков, шумовых бурь. Шумовые бури длятся от нескольких часов до нескольких дней. Через 10 минут после сильной солнечной вспышки радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца; это состояние длится от нескольких минут до нескольких часов. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.
Плотность потока излучения Солнца в рентгеновской области (0,1–10 нм) весьма мала (~5∙10 –4 Вт/м 2 и сильно меняется с изменением уровня солнечной активности. В ультрафиолетовой области на длинах волн от 200 до 400 нм спектр Солнца также описывается законами излучения абсолютно черного тела.
В ультрафиолетовой области спектра с длинами волн короче 200 нм интенсивность непрерывного спектра резко падает и появляются эмиссионные линии. Наиболее интенсивна из них водородная линия лаймановской серии (λ = 121,5 нм). При ширине этой линии около 0,1 нм ей соответствует плотность потока излучения около 5∙10 –3 Вт/м 2 . Интенсивность излучения в линии приблизительно в 100 раз меньше. Заметны также яркие эмиссионные линии различных атомов, важнейшие линии принадлежат Si I (λ = 181 нм), Mg II и Mg I, O II, O III, C III и другие.
Коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца возникает вблизи фотосферы. Рентгеновское излучение исходит из хромосферы (T ~ 10 4 К), расположенной над фотосферой, и короны (T ~ 10 6 К) – внешней оболочки Солнца. Радиоизлучение на метровых волнах возникает в короне, на сантиметровых – в хромосфере.
Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м 2 площади земной границы атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину называют солнечной постоянной .
Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актинометром . Принцип действия его основан на использовании нагревания зачерченных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации. В термоэлектрическом актинометре Савинова – Янишевского приемной часть радиации является тонкий, зачерченный с наружной стороны диск 1. К диску с электрической изоляцией припаяны спаи термоэлементов 2, другие спаи 3 прикреплены к медному кольцу внутри корпуса и затенены. Под действием солнечной радиации возникает электрический ток в термобатарее, сила которого прямо пропорциональна потоку радиации.
Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца очень широк - от радиоволн до рентгеновских лучей. Однако максимум его интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра.
Рис. 4.5. Спектр излучения Солнца, наблюдаемый выше атмосферы Земли и на уровне моря
Особый интерес представляет часть солнечного спектра, включающая электромагнитные поля и излучения с длиной волны выше 100 нм. В этой части солнечного спектра различают три вида излучения:
Ультрафиолетовое (УФ) – с длиной волны 290-400 нм;
Видимое - с длиной волны 400-760 нм;
Инфракрасное (ИК) – с длиной волны 760-2800 нм.
Солнечные лучи, прежде чем достигнуть земной поверхности, должны пройти сквозь мощный слой атмосферы. Солнечное излучение поглощается, рассеивается водяными парами, молекулами газов, частицами пыли и т. д. Около 30 % солнечной радиации не достигает земной поверхности. Так, если на границе земной атмосферы ультрафиолетовая часть солнечного спектра составляет 5 %, видимая часть - 52 % и инфракрасная часть - 43 %, то у поверхности Земли ультрафиолетовая часть составляет 1 %, видимая - 40 % и инфракрасная часть солнечного спектра - 59 %. Некоторые источники информации дают несколько иную картину распределения энергии солнечной радиации на уровне земли: ультрафиолетовое излучение – около 2%, видимая часть спектра – около 49% и инфракрасная зона – тоже около 49%.
Интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли всегда будет меньше уровня солнечной радиации на границе земной атмосферы. Наличие облачного покрова, загрязнения воздуха, дымки или даже рассеянных облаков играет значительную роль в ослаблении солнечного излучения. Зависимость мощности ФЭП от погодных условий представлена на рис. 4. 6 .
Рис. 4. 6. Зависимость мощности ФЭП от погодных условий
При сплошном покрытии неба облаками интенсивность УФ-излучения снижается на 72 %, при половинном покрытии облаками - на 44 %, в экстремальных условиях - более чем на 90 %. Озон и кислород полностью поглощают коротковолновое УФ-излучение (длина волны 290-100 нм), предохраняя все живое от его пагубного воздействия. Молекулы воздуха рассеивают главным образом ультрафиолетовую и синюю части спектра (отсюда голубой цвет неба), поэтому рассеянная радиация богаче УФ-лучами. Когда Солнце находится низко над горизонтом, лучи проходят больший путь, и рассеяние света, в том числе в УФ-диапазоне, увеличивается. Поэтому в полдень Солнце кажется белым, желтым, а затем и оранжевым, так как в прямых солнечных лучах становится меньше ультрафиолета и синих лучей.
Уровень солнечной радиации оценивается по её интенсивности (ватты на единицу поверхности) и тепловому действию (калории на единицу поверхности за единицу времени.
С учетом спектральных характеристик солнечного излучения и состояния технического прогресса в области солнечной энергетики среди существующих способов преобразования энергии солнца можно выделить следующие наиболее распространенные:
– фотоэлектрический;
– гелиотермальный;
– термовоздушный.
4.2.2. Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии .
Принцип действия. Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), рис. 4.7.
Рис. 4.7. Фотоэлектрические приобразователи энергии
Теоретически их предельный коэффициент полезного действия может превышать 90%. Технический прогресс, направленый на снижение необратимых потерь энергии путем оптимизации состава, структуры и других праметоров ФЭП, уже в ближайшие годы позволить поднять практический КПД до 50% и более при уже достигнутом уровне в лабораториях условиях близком 40%. Следует отметить, что основные потери энергии в ФЭП связаны с:
– отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя;
– прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём;
– рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов;
– рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП;
– внутренним сопротивлением преобразователя
– и некоторыми другими физическими процессами.
При фотоэлектрическом преобразовании солнечной энергии используется явление фотоэффекта, открытое Герцем. Фотоэффект (photos - с греч. "свет") возникает в результате воздействия солнечного излучения на поверхностные слои полупроводника толщиной примерно 2-3 мкм, высвобождая при этом некоторое количество электронов. С появлением в теле полупроводника свободных электронов и при наличии разности электрических потенциалов в нем возникает электрический ток. Разность потенциалов образуется между облучаемой поверхностью полупроводника и его "теневой" стороной. Основным материалом для получения солнечных элементов в мире сегодня является кремний. Технически чистый кремний (концентрация примесей <1 к млрд.) (как и германий) является диэлектриком. Удельное сопротивление чистого кремния 2500 Ом-м и разность потенциалов в нем возникнуть не может. Она появляется за счет внедрения в его поверхностные слои специальных добавок. При этом в зависимости от концентрации примесных добавок удельное сопротивление снижается до 1-10 Ом-м. Один вид добавок (донор) в виде тонкого слоя наносится на облучаемую поверхность; он образует дополнительные электроны и, следовательно, отрицательный заряд. Другая примесь (акцептор) наносится на теневую сторону. Акцептор способствует появлению дефицита электронов и, следовательно, положительного заряда Положительный и отрицательный заряд создают разность потенциалов. В роли донора электронов могут выступать атомы мышьяка или фосфора, в роли акцептора - атомы бора или брома. Для замыкания тока на внешнюю цепь используются два электрода. Отрицательный электрод выполняется в виде металлической сетки и накладывается на наружную сторону элемента, на внутреннюю сторону напыляется металл, который выполняет функцию положительного электрода.
Фотовольтаический эффект возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n-переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.
Принцип работы ФЭП можно пояснить на примере преобразователей с p-n-переходом, которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Принцип работы полупроводниковых фотоэлектрических
преобразователей
Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (т.е. или p- или n-типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p-слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (т.е. электроны) свободно проходят через переход, а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда- фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП имеется контактная система. На передней, освещённой поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть сплошными.
Типы фотоэлектрических преобразователей энергии солнца. Сегодня можно говорить о трех поколениях фотоэлектрических элементов.
К первому поколению, кристаллическому , относят (рис. 4.9):
– монокристаллические кремниевые ФЭП,
– поликристаллические кремниевые и
– технологии выращивания тонкостенных заготовок - EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), - S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).
Рис. 4. 9. Кристаллические ФЭП
Основным показателем эффективности фотоэлементов является коэффициент полезного действия - отношение количества энергии, поступившей на фотоэлемент, к количеству энергии, получаемой потребителем.
Фотоэлементы массового производства на основе монокристаллического кремния имеют практический КПД 16 - 17%, использующие поликристаллический кремний - 14 - 15%, аморфный кремний - 8 - 9%.
Второе поколение, тонкоплёночное , позволяет получать электроэнергию используя фотоэлементы (рис. 4.10):
– кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);
– на основе теллурида кадмия (CdTe);
– на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S).
Рис. 4.10. Пленочные ФЭП
Технология выпуска тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей (ТП ФЭП) второго поколения подразумевает нанесение слоев вакуумным методом. Вакуумная технология по сравнению с технологией производства кристаллических ФЭП является менее энергозатратной, а также характеризуется меньшим объемом капитальных вложений. Она позволяет выпускать гибкие дешевые ФЭП большой площади, однако коэффициент преобразования таких элементов ниже по сравнению с ФЭП первого поколения.
ТП ФЭП разделяются по типу материала на кремниевые и не-кремниевые. Кремниевые ФЭП могут быть однослойными аморфными (они возникли исторически первыми) или более сложной структуры (например, аморфно-микроморфными), появившимися позднее. ТП ФЭП изготавливаются на твердых или гибких подложках. В последние годы распределение производства ФЭП в мире по типам технологий, определила долю кремниевых ФЭП (моно- и мульти-кремниевых) составившую 86% ТП на аморфном кремнии составили 6%. Оставшаяся часть ФЭП производилась в виде тонких пленок таких материалов как теллурид кадмия (CdTe) – 6%, диселенид меди и индия (CIS/CIGS) – 2%.
Основные преимущества ТП ФЭП, по сравнению с кремниевыми кристаллическими ФЭП, состоят в следующем:
– более низкая удельная стоимость;
– более низкий расход материалов;
– возможность производства устройств больших площадей;
– меньшее количество технологических операций;
– способность принимать рассеянный и слабый солнечный свет (когда солнце, скажем, скрыто за облаками) намного более эффективно, чем кристаллические батареи.
ФЭП третьего поколения:
– элементы, фотосенсибилизованные краситилем (dye-sensitized solar cell, DSC) (рис. 4.11);
– органические (полимерные) ФЭП (OPV) (рис. 4.12 и рис. 4.13);
– неорганические ФЭП (CTZSS);
– ФЭП на основе каскадных структур (рис. 4.14).
Рис. 4.11. ФЭП, фотосенсибилизованные краситилем
Рис. 4. 12. Производство органических полимерных ФЭП
Рис. 4.13. Органические полимерные ФЭП
Рис. 4.14 .ФЭП на основе каскадных структур
Идея создания ФЭП третьего поколения заключалась в дальнейшем снижении себестоимости ФЭП, отказе от использования дорогих и токсичных материалов в пользу дешевых и перерабатываемых полимеров иэлектролитов. Важным отличием также является возможность нанесения слоев печатными методами, например, по технологии «рулон-к-рулону» (R2R).
Мероприятия по совершенствованию ФЭП. С учетом используемых способов преобразования энергии для уменьшения всех видов ее потерь в ФЭП разрабатываются и применяется следующие мероприятия:
– использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
– направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
– переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
– оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
– применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
– разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
– создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;
Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т.д.
В системах преобразования энергии СЭС (солнечных электростанций) в принципе могут быть использованы любые созданные и разрабатываемые в настоящее время типы ФЭП различной структуры на базе разнообразных полупроводниковых материалов, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:
– высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе работы;
– доступность исходных материалов в достаточном для изготовления элементов системы преобразования количестве и возможность организации их массового производства;
– приемлемые с точки зрения сроков окупаемости энергозатраты на создание системы преобразования;
– минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос),включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
– удобство техобслуживания.
Так, например, некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья и сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплутационных характеристик ФЭП, например, за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т.д. Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например, на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, т.е. фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля батареи в 2-2,5 раза.
В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.
ФЭП (фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьяка с галлием (GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ.
Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению с кремнием толщине ФЭП. Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения КПД порядка не менее 20%, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50-100 мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки удастся использовать не GaAs, а другой материал, например синтетический сапфир (Al2 O3).
ГФП обладают также более благоприятными с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационными характеристиками по сравнению с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения малых начальных значений обратных токов насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещённой зоны позволяет свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и, кроме того, существенно расширять область линейной зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной температуры последних до 150-180°С не приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше 60-70°С является почти критическим - КПД падает вдвое.
Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180 °С, что уже является вполне рабочими температурами и для тепловых двигателей, паротурбин. Таким образом, к 30-процентному собственному КПД арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, использующего сбросовое тепло охлаждающей фотоэлементы жидкости. Поэтому общий КПД установки, которая к тому же использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла у охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений - может быть даже выше 50-60 %.
Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых значений времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки (отжига) при температуре как раз порядка 150-180 °С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка 150°С, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на протяжении всего срока активного функционирования станций (особенно это касается космических солнечных энергоустановок, для которых важен малые вес и размер ФЭП и высокий КПД).
В целом можно заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космич.), чем характеристики кремниевых ФЭП. Однако кремний является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченны. Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется.
Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один - два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в частности, получать кремниевые ленты, солнечные элементы большой площади и т.п.
В реально действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30% , а в однородных полупроводниках типа монокристаллического кремния - до 18%. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые СБ можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира.
В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения.
Галлий добывается в основном из бокситов, однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого {на подложке}), не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядки) стоимости ФЭП из кремния.
Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразования системы преобразования энергии СЭС на основе ГФП из GaAs может оказаться вполне соизмеримой со стоимостью системы на основе кремния. Таким образом, в настоящее время трудно до конца отдать явное предпочтение одному из двух рассмотренных полупроводниковых материалов - кремнию или арсениду галлия, и лишь дальнейшее развитие технологии их производства покажет, какой вариант окажется более рационален для наземной и космической солнечных энергетики.
Стоимость производства энергии с использованием фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Одним из существенных моментов в распространении солнечной энергетики является ее стоимость.
Главный показатель цены фотовольтаических панелей – стоимость за один киловатт установленной мощности.
Это значение последовательно уменьшается год от года на протяжении более 15 последних лет (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Стоимость 1 Вт установленной мощности ФЭП
Стоимость небольших фотоэлектрических систем (менее 500 кВт) для нежилых помещений в 2014 году снизилась на $0,40 за ватт, а стоимость более мощных систем от 500 кВт сократилась на $0,70 за ватт. Уже пятый год подряд отмечается существенное снижение цен на солнечные батареи с установкой. И процесс продолжается: в первом полугодии 2015 года цены упали еще на $0,20-0,50/Вт, то есть на 6-13%. Постоянное снижение цен на фотоэлектрические системы особенно примечательно на фоне относительно стабильной цены на сами PV-модули. На американском рынке цена панелей падает за счет снижения сопутствующих расходов на установку, снижения цен на другие комплектующие (инвертер, стекло, алюминий, провода и проч.) более эффективного дизайна систем, стоимости получения разрешений и инспекций, удешевлению труда рабочих, а также благодаря усилиям компаний по маркетингу и захвату рынка.
В итоге, серьезно снижается стоимость «солнечного электричества», которое вырабатывается на коммерческих солнечных электростанциях. За последние 7-8 лет стоимость упала с $200 за МВт·ч (то есть с 20 центов за кВт·ч) почти до $40 за МВТч (до 4 центов за кВт·ч). Цифры взяты из отчета Национальной лаборатории Лоренса Беркли “Is $50/MWh Solar for Real?”.
Особенно четко падение цен прослеживается, если вывести зависимость не по времени, а по совокупной мощности уже установленных панелей, то есть введенных в строй электростанций. Здесь видно, что падение цен происходит очень стабильно: на каждое удвоение общей мощности цена установки новых панелей снижается на 16%. Это вполне естественный эффект: цены на любой продукт должны снижаться при увеличении объемов продаж.
Отчет “Tracking the Sun” основан на информации, собранной с более чем 400 000 фотоэлектрических систем, установленных на жилых и нежилых помещениях с 1998 по 2014 годы в 42 штатах. Это более 80% всех PV-систем, установленных в стране за данный период.
Если «закон Мура» здесь сохранит свою силу, то к 2020 или 2021 году совокупная мощность всех солнечных электростанций в мире достигнет 600 ГВт, а стоимость электроэнергии без субсидий опустится до 4,5 центов за кВт·ч для самых солнечных территорий (юг США, Австралия, Ближний Восток и др.) и до 6,5 центов за кВтч для умеренно солнечных территорий (Центральная Европа, большая часть территории США).
Каковы сегодня цены на солнечную энергию? По данным американского издания Pv-magazine цены в августе 2016 достигли минимума, а европейские и китайские производители PV-панелей в снижении цен «идут ноздря в ноздрю», конкурируя между собой за потребителя (рис. 4.16).
Рис. 4.16. Цены на модули из кремния на оптовом рынке ЕС, август 2015 – август 2016 (на 10/08/2016) по происхождению товара
Цены указаны за так называемый «пиковый ватт», или Вт-пик (Wp), то есть за максимально возможную генерируемую мощность. В таблице 4.1. показано сравнение усредненных цен за кремниевые панели разных типов на европейском рынке за июль 2016 г.
Таблица 4.1. Обзор цен PV-модулей в Европе за?/Вт-пик по состоянию на июль 2016 (данные Bloomberg New Energy Finance, pvXchange, США)
«Классические» PV-панели собираются из кремниевых ячеек, сделанных из разных его видов – монокристаллического, поликристаллического, аморфного и т.д.
Эксперты из Института политики Земли (Earth Policy Institute, EPI) и исследовательского центра Bloomberg New Energy Finance (BNEF) подсчитали степень влияния цен на кремниевые панели и взаимосвязь с ростом числа установок солнечной электрогенерации в мире. Диаграмма на рис. 4.17 иллюстрирует, как изменились цены на PV-панели из расчета за $/Вт-пик установленной мощности с 1975 по 2015 г.
Рис. 4.17. История мировых цен на кремниевые PV-панели всех типов
в 1975 – 2015
Взаимное влияние снижения стоимости установленной мощности, себестоимости солнечной электрогенерации и роста числа PV-установок в мире.
За это время стоимость электрогенерации снизилась в более, чем 150 раз (при том, что цена за Вт-пик установленной мощности снизилась > 210 раз), а общее число установок в мире, преобразующих солнечный свет в электричество, выросло в 115 тысяч (!) раз.
Как видно, когда цена солнечных PV-панелей была около $100 за 1 Вт-пик в 1975 г., то общий объем установок в мире составлял всего около 2 МВт. Всего за два года цена упала до $76,67 за 1Вт-пик. С тех пор прошло, в общем-то, совсем немного времени, но теперь всё изменилось. К началу 2016 года среднемировая цена за модуль из кремния за Вт-пик установленной мощности составила около $0,61, а глобальное число установок PV-генерации выросло по экспоненте.
Начиная с 1975 г., стоимость технологии быстро падала. С 1976 до 2008 года цена за 1 Вт-пик мощности модуля упала на 99 %. А с 2008 до 2015-го – еще на 80 %. И только между 2000 и 2005 гг., по оценке BNEF, произошел настоящий прорыв в количестве PV-установок, когда цена за ватт достигла «критической точки» для инвесторов, после чего глобальная установленная мощность быстро достигла уровня 65 ГВт в 2015 г.
Снижение цен и увеличение объемов продаж PV-модулей непосредственно связаны между собой. За последние четыре десятилетия каждое падение цены солнечных панелей примерно на 26 % вызывало удвоение масштабов отрасли мировой солнечной энергетики. Сейчас глобальные инвестиции в отрасль только растут. И это не предел. Это будет продолжаться вплоть до 2030 – 2040 гг. «Инвестиционная усталость», то есть когда прибыльность инвестиций в солнечную энергетику заметно снизится, не грозит еще пару десятилетий.
Все ниже, и ниже, и ниже. «Футуристические» прогнозы BNEF подтверждаются цифрами реальной статистики. В мае 2015 г. были обнародованы исследования Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL, США). Анализ оптовых контрактов продажи солнечной электроэнергии по гарантированной цене (PPA) показал, что еще в январе 2015 г. было заключено 18 таких контрактов на 1,1 ГВт·ч по цене $50/МВт·ч, т.е. всего по 5 центов за 1 кВт·ч, при том, что обычная средняя цена электроэнергии в США за 1 кВт·ч составляет 12 центов.
Это иллюстрирует и падение цен производителей солнечной электроэнергии для крупных коммунальных потребителей. Причем эти «рекорды» быстро устаревают. Например, компания Austin Energy, США, сообщала, что осенью 2014 г. она «подписала рамочное соглашение с First Solar Inc. и Hanwha Q-Cells Corp., США, на 288 МВт полезной потребляемой мощности» электроэнергии, полученной от солнечных установок «при цене ниже 4 цента за кВт·ч». Но уже в конце 2015 г. «городские власти г. Пало-Альто заключили контракт на приобретение электричества из солнечной энергии по $37/МВт·ч», а Bloomberg сообщил, что «энергокомпания Berkshire Hathaway Inc. NV Energy согласилась заплатить 3,87 цента за кВт·ч для мощности от 100 МВт» по проекту, который развивает First Solar Inc., США.
Новые тендеры в Эмиратах выглядят просто ошеломляюще. Администрация по электричеству и воде г. Дубай (Dubai Electricity and Water Authority, DEWA) получила предложение на 800 МВт на поставку фотоэлектричества по 2,99 центов за кВт·ч. Это почти вдвое ниже, чем по заключенному в 2015 г. 25-летнему контракту на 1000 МВт потребляемой мощности по 5,84 цента за кВт·ч. Таким образом, Дубай получил почти двукратное снижение цен на PV-энергию всего за 18 месяцев, причем все эти тендерные предложения были без субсидий и «зеленых тарифов»! И эти цены не являются уникальными. Как сообщил BNEF в апреле 2016 г., коммунальная компания Enel Green Power подписала крупный контракт в Мексике по 3,6 за кВт·ч. Солнечная энергетика уверенно движется к экономической конкурентоспособности с традиционными видами электрогенерации.
Доля в цене. Исполнительный директор крупнейшей в США вертикально интегрированной компании в области солнечной энергетики First Solar Inc. Джим Хьюз, выступая в Edison Electric Institute (EEI), США, с энтузиазмом заявил, что до 2017 г. «мы добьемся полной цены за 1 кВт установленной мощности менее $1!». И вторая новость – «в 2017 году по сравнению с ценой 2015 г. цена солнечных установок упадет еще на 40 %» – прозвучала на Всемирной конференции по будущему энергетики World Energy Future Conference в Абу-Даби тоже в 2015 г. Нет ли тут противоречий с графиками цен на рис.4.16 и 4.17?
Дело в том, что следует различать полную цену установленной мощности всей солнечной установки и цену за установленную мощность кремниевой PV-ячейки или PV-панели. В структуре себестоимости энергетической установки ни ячейка, ни даже панель в сборе с элементами крепления не составляют самую большую статью затрат (рис. 4.18).
Рис. 4.18 Структура себестоимости PV-установки для частного дома в США
Аналитики Deutsche Bank показали, откуда возьмутся эти 40 % падения цены за солнечную электрическую установку в 2017 г. на примере анализа составляющих себестоимости домашней PV-установки для частного дома в США.
Большая часть PV-рынка будет сосредоточена именно на развитии малых домашних систем. Большинство стран мира, где ожидается мировой прирост применения солнечного электричества, пока не обладают мощной сетевой структурой, которая позволит эффективно перераспределять энергию между населенными пунктами или регионами. Это относится даже к США. В Германии ситуация с инфраструктурой лучше. Полная стоимость домашних систем там меньше, а общая стоимость установок за 3 последних года снизилась примерно на 40 %. Затраты в Германии сегодня значительно ниже, чем в США и на других менее развитых «солнечных» рынках. Немецкий пример показывает, что снижение общих затрат на PV-систему еще не достигло дна даже на сравнительно зрелых рынках.
Основной рынок PV-установок на ближайшие годы – это панели на крышах частных домов. Домашние системы в большинстве случаев не смогут эффективно сбрасывать избыток PV-электричества в общую электросеть, а в другое время компенсировать из нее недостаток (в темное время суток, в пасмурную погоду или при нерегулярном пиковом потреблении). Т.н. «сетевой паритет», то есть когда цена за выработанную у себя в домохозяйстве электроэнергию сравняется тарифом за покупное электричество из сети, в большинстве случаев окажется весьма условным показателем.
Показатель BoS (рис. 4.18) означает дополнительные части фотоэлектрической системы, за исключением самой солнечной батареи, т.е. компоненты, необходимые для преобразования выходной мощности PV-панели в полезную электрическую энергию. Поэтому в США в BoS обычно включаются и аккумуляторы. Тем не менее, развитие рынка позволит снизить все составляющие конечной цены за ватт, включая второй по величине вслед за ценой модуля показатель – цену за монтаж.
Цена на кремний – не главное. По расчетам Deutsche Bank стоимость солнечных модулей снизилась с 1,31 $/ватт в 2011 г. до 0,50 $/ватт в 2014 г. за счет снижения затрат на обработку, падения затрат на поликристаллический кремний и улучшения КПД PV-преобразования. Цена на модули тогда упала почти на 60 % за три года. Deutsche Bank считает, что общие расходы могут снизиться еще на 30 – 40 % в течение нескольких следующих лет, но в основном за счет снижения операционных расходов из-за развития самого рынка, особенно для жилого сектора.
Снижение цены кремния в солнечной панели теперь сказывается незначительно. В общей цене модуля сам кремний «весит» не более 10 – 11 центов за ватт, и даже двукратное снижение его цены, которое можно достичь огромными технологическими и финансовыми усилиями, не скажется «революционным» образом на общую себестоимость PV-панелей. Хотя в течение следующих 12 кварталов Deutsche Bank все же ожидает падения цены PV-модулей до равновесной цены спроса-предложения на уровне $0,40 – $0,50 за ватт. Если панели будут продаваться с 10 центами валовой прибыли при цене $0,50 за ватт, то это значит, что производители получат минимум 20 % валовой прибыли – значительно выше, чем недавние исторические средние значения. Кроме того, должны снизиться затраты на таможенные пошлины и транспортировку.
Цены на инверторы, как правило, снижаются на 10-15 % в год. В Deutsche Bank ожидают, что эта тенденция сохранится и в будущем. Крупные «солнечные провайдеры» уже достигли при больших поставках уровня $0,25 за 1Вт или еще ниже. Есть предпосылки ожидать, что дополнительная экономия будет найдена в течение следующих нескольких лет. Снижение затрат на компоненты, уменьшение издерже
Корональные конденсации – плазма в областях активной короны, которая примерно в три раза более плотная нежели в окрестных областях. Среди корональных конденсаций выделяют два вида. Постоянные (спокойные). Средняя температура полтора – два миллиона градусов. Количество горячего вещества в короне возрастает после бурных нестационарных процессов, особенно после солнечных вспышек. На снимках короны с высоким пространственным разрешения корональные конденсации видны в виде совокупности петель, высота которых может достигать 100 000 км (их размеры связанны с размерами связанных с ними групп пятен). Конденсации существуют порядка нескольких суток. Чем сильнее свечение конденсаций в зеленой корональной линии, тем больше их время жизни. Иногда они переживают соответствующие им пятна. Вещество спокойной короны вне активных областей так же сосредоточенно в менее контрастных петлях. Эти петли являются «сгустками» магнитных силовых линий. Отдельные петли оказываются оторванными друг от друга. Причиной этого является препятствие магнитного поля переносу элементарных частиц и энергии поперек силовых линий. В установившемся стационарном состоянии плотность плазмы в петле оказывается тем большей, чем больше выделяется энергии. Кроме постоянных существуют и спорадические корональные конденсации, которые много плотнее постоянных и имеют более высокую температуру выше 3 млн. градусов. Они связаны с солнечными вспышками и существуют не более нескольких часов. Спорадические конденсации состоят из ярких корональных петель. В них усилено свечение желтой и зеленой корональных линий, а также рентгеновских лучей.
Корональные дыры – области спокойной короны в которых петли отсутствуют. Для корональных дыр характерна открытая магнитная конфигурация с замыканием силовых линий далеко в межпланетном пространстве и относительно низкой температурой в 600 000 градусов, из которых в пространство выходят магнитные силовые линии. Такая («открытая») магнитная конфигурация позволяет частицам беспрепятственно покидать Солнце, поэтому солнечный ветер испускается в основном из корональных дыр. Плотность в этих областях короны уменьшается, и в виду больших энергетических потерь на формирование газодинамического потока температура оказывается несколько ниже, чем в обычных корональных петлях. Это объясняет пониженную яркость дыр в рентгеновском диапазоне по сравнению со спокойной короной. Они чаще всего наблюдаются вблизи минимума солнечной активности. Затем площадь их уменьшается и к ее максимуму они вовсе исчезают. Именно они являются источником высокоскоростных потоков солнечной плазмы, обнаруженных в солнечном ветре.
Активные области – области, в которых наблюдается изменение мощности магнитного поля Солнца и как следствие, усиленное движение газов, изменение характера этих движений. В этих областях возникают пятна, факелы, флоккулы, протуберанцы и т.п. Активные области излучают больше энергии, больше корпускул, ультрафиолетовых, рентгеновских лучей. В короне активные области связанны с проявлениями активности в нижележащих слоях солнечной атмосферы. В короне наблюдаются корональные конденсации и корональные дыры. Структура короны определяется расположением и движением в ней силовых линий магнитного поля, которое увлекает с собой плазму, образующую структуру короны.
Корона состоит из следующих частей:
K-корона (электронная корона или непрерывная корона). Видна как белый свет фотосферы, рассеиваемый высокоэнергетическими электронами при температуре порядка миллиона градусов. K-корона неоднородна, она содержит различные структуры, такие как потоки, уплотнения, перья и лучи. Поскольку электроны движутся в высокой скоростью, фраунгоферовы линии в спектре отраженного света стерты.
F-корона (фраунгоферова корона или пылевая корона) - свет фотосферы, рассеиваемый более медленными частицами пыли, движущимися вокруг Солнца. В спектре видны фраунгоферовы линии. Продолжение F-короны в межпланетное пространство наблюдается как зодиакальный свет.
E-корона (корона эмиссионных линий) образуется светом в дискретных эмиссионных линиях сильно ионизированных атомов, особенно железа и кальция. Она обнаруживается на расстоянии двух солнечных радиусов. Эта часть короны излучает также в крайнем ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах спектра.
фраунгоферовы линии - Темные линии поглощения в спектре Солнца и, по аналогии, в спектре любой звезды. Впервые такие линии были выделены Йозефом фон Фраунгофером (1787-1826), который обозначил самые заметные линии буквами латинского алфавита. Некоторые из этих символов все еще используются в физике и астрономии, особенно линии натрия D и линии кальция H и K.
| Оригинальные обозначения Фраунгофера (1817) линий поглощения в солнечном спектре | ||
| Буква | Длина волны (нм) | Химическое происхождение |
| A | 759,37 | Атмосферный O 2 |
| B | 686,72 | Атмосферный O 2 |
| C | 656,28 | Водород α |
| D1 | 589,59 | Нейтральный натрий |
| D2 | 589,00 | Нейтральный натрий |
| D3 | 587,56 | Нейтральный гелий |
| E | 526,96 | Нейтральное железо |
| F | 486,13 | Водород β |
| G | 431,42 | Молекула CH |
| H | 396,85 | Ионизированный кальций |
| K | 393,37 | Ионизированный кальций |
Корональные линии - запрещенные линии в спектрах многократно ионизованных Fe, Ni, Ca, Al и других элементов, возникают в солнечной короне и указывают на высокую (ок. 1,5 млн. К) температуру короны.
Выброс корональной массы (ВКМ) - эрупция вещества из солнечной короны в межпланетное пространство. ВКМ связан с особенностями магнитного поля Солнца. В периоды высокой солнечной активности каждый день происходит один или два выброса, возникающих в самых разных солнечных широтах. В периоды спокойного Солнца они происходят существенно реже (примерно один раз каждые 3 -10 дней) и ограничиваются более низкими широтами. Средняя скорость выброса изменяется от 200 км/сек при минимальной активности до величин примерно вдвое больших в максимуме активности. Большинство выбросов не сопровождается вспышками, а в тех случаях, когда вспышки происходят, они обычно начинаются после начала ВКМ. ВКМ представляют собой наиболее мощные из всех нестационарных солнечных процессов и оказывают заметное влияние на солнечный ветер. Большие ВКМ, ориентированные в плоскости земной орбиты, ответственны за геомагнитные бури.
Солнечный ветер - поток частиц (в основном протонов и электронов), истекающих за пределы Солнца со скоростью до 900 км/сек. Солнечный ветер фактически представляет собой горячую солнечную корону, распространяющуюся в межпланетное пространство. Теоретически это явление было предсказано американским физиком Е. Паркером, а экспериментально подтверждено при помощи приборов, установленных на советских космических аппаратах «Луна-2» и «Луна-3», которые и обнаружили потоки заряженных частиц в межпланетном пространстве. Расширяется корона неравномерно во все стороны пространства, скорости ее расширения, или скорости солнечного ветра, меняются от 300 км/сек до 1 500 км/сек в зависимости от процессов, происходящих на Солнце. Источниками высокоскоростного солнечного ветра являются коронарные дыры - области с низкой плотностью, возникающие над поверхностью там, где магнитное поле Солнца открывается в межпланетное пространство. Во время минимума солнечной активности корональные дыры обычно появляются над полюсами Солнца и протягиваются на очень большие расстояния. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц - 108-109 в см 3 /с. Их количество резко возрастает после солнечных выпушек, особенно после мощных. Они несут с собой магнитное поле и движутся не по радиусу солнца, а по спиралям. В потоках этого излучения наблюдается турбулентность плазмы и деформация магнитного поля. Солнечный ветер оказывает заметное влияние на все планеты, он, подобно конвейерной ленте переносит последствия событий, происходящих на солнечной поверхности, в межпланетное пространство. Когда он сталкивается с удаленным небесным телом, то вызывает в пространстве вокруг него изменении электрических свойств, что может оказывать значительные воздействия на атмосферу планет, и особенно на их собственное магнитное поле, в тот случае, если оно есть. Много нового о солнечном ветре выяснила международная космическая станция SOHO. Оказалось, что он переносит такие элементы, как никель, железо, кремний, сера, кальций, хром.
Источник информации: Осадчий Геннадий Борисович
Размещено 22.10.2012
Для определения основных и второстепенных факторов, влияющих на эффективность аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным прудом, базовым модулем ряда систем и установок энергетики возобновляемых источников энергии (ВИЭ) , обратимся к рисунку 1 - где приведено параллельное и последовательное продвижение теплоты Солнца к горячему рассолу солнечного соляного пруда. А также происходящие изменения значений различных видов солнечного излучения и их суммарного значения на этом пути.
Рисунок 1 – Гистограмма изменения интенсивности солнечного излучения (энергии) на пути к горячему рассолу солнечного соляного пруда.
Для оценки эффективности активного использования различных видов солнечного излучения определимся с тем, какие из природных, техногенных и эксплуатационных факторов оказывают позитивное, а какие негативное влияние на концентрацию (увеличение поступления) солнечного излучения в пруд и аккумулирование его горячим рассолом.
Земля и атмосфера получают от Солнца в год 1,3∙10 24 кал тепла. Оно измеряется интенсивностью, т.е. количеством лучистой энергии (в калориях), которое поступает от Солнца за единицу времени на площадь поверхности, перпендикулярную солнечным лучам.
Лучистая энергия Солнца доходит до Земли в виде прямой и рассеянной радиации, т.е. суммарной. Она поглощается земной поверхностью и превращается в тепло не полностью, часть её теряется в виде отраженной радиации.
Прямая и рассеянная (суммарная), отраженная и поглощенная радиация относятся к коротковолновой части спектра. Наряду с коротковолновой радиацией к земной поверхности поступает длинноволновое излучение атмосферы (встречное излучение), в свою очередь земная поверхность излучает длинноволновую радиацию (собственное излучение).
Прямое солнечное излучение относится к основному природному фактору поступления энергии к водной поверхности солнечного соляного пруда.
Солнечная радиация, поступающая на деятельную поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от диска Солнца, называется прямой солнечной радиацией.
Прямая солнечная радиация относится к коротковолновой части спектра (с длинами λ
волн от 0,17 до 4 мкм, фактически земной поверхности достигают лучи с длиной волны от 0,29 мкм).
Солнечный спектр можно разделить на три основных области:
Ультрафиолетовое излучение (λ < 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.
Коротковолновая ультрафиолетовая области (λ < 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О2, О3, О, N2 и их ионами;
Ближний ультрафиолет диапазон (0,29 мкм < λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;
Видимое излучение (0,4 мкм < λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.
Видимое излучение чистая атмосфера пропускает практически полностью, и она становится «окном», открытым для прохода на Землю этого вида солнечной энергии. Наличие аэрозолей и загрязнений атмосферы могут быть причинами значительного поглощения излучения этого спектра.
Инфракрасное излучение (λ > 0,7 мкм) - 46 % интенсивности. Ближняя инфракрасная область (0,7 мкм <λ < 2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходится почти половина интенсивности солнечного излучения. Более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО2 (диоксидом углерода). Концентрация СО2 в атмосфере относительно постоянна и составляет 0,03 %, а концентрация паров воды меняется очень сильно - почти до 4 %.
При длинах волн более 2,5 мкм слабое внеземное излучение интенсивно поглощается СО2 и водой, так что только небольшая часть этого диапазона солнечной энергии достигает поверхности Земли.
Дальний инфракрасный диапазон (λ > 12 мкм) солнечного излучения практически не поступает на Землю .
С точки зрения применения солнечной энергии на Земле следует учитывать только излучение в интервале длин волн 0,29 – 2,5 мкм.
Большая часть солнечной энергии за пределами атмосферы приходится на диапазон длин волн 0,2 – 4 мкм, а на поверхности Земли - на диапазон 0,29 – 2,5 мкм .
Проследим, как перераспределяются, в общем виде, потоки энергии, которую дает Земле Солнце. Возьмем 100 условных единиц солнечной мощности (1,36 кВт/м 2), попадающей на Землю, и проследим за их путями в атмосфере. Один процент (13,6 Вт/м 2), короткий ультрафиолет солнечного спектра, поглощается молекулами в экзосфере и термосфере, разогревая их. Ещё три процента (40,8 Вт/м 2) ближнего ультрафиолета поглощаются озоном стратосферы.
Инфракрасный хвост солнечного спектра (4 % или 54,4 Вт/м 2) остается в верхних слоях тропосферы, содержащей пары воды (выше водяного пара практически нет).
Оставшиеся 92 доли солнечной энергии (1,25 кВт/м 2) приходятся на «окно прозрачности» атмосферы 0,29 мкм <λ < 2,5 мкм. Они проникают в плотные приземные слои воздуха. Значительная часть их (45 единиц или 612 Вт/м 2), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи - оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м 2) начального светового потока - достигают поверхности. Она отражает примерно 7 процентов (95,2 Вт/м 2) из этих 47 % (639,2 Вт/м 2) и этот свет по пути в космос отдает ещё 3 единицы (40,8 Вт/м 2) диффузному рассеянному свету неба. Сорок же долей энергии солнечных лучей, и ещё 8 от атмосферы (всего 48 или 652,8 Вт/м 2) поглощаются поверхностью Земли, нагревая сушу и океан.
Рассеянная в атмосфере световая мощность (всего 48 долей или 652,8 Вт/м 2) частично поглощается ею (10 долей или 136 Вт/м 2), а остальное распределяется между поверхностью Земли и космосом. В космическое пространство уходит больше, чем попадает на поверхность, 30 долей (408 Вт/м 2) наверх, 8 долей (108,8 Вт/м 2) вниз.
Это была описана общая, осредненная, картина перераспределения солнечной энергии в атмосфере Земли. Однако, она не позволяет решать частные задачи использования солнечной энергии для удовлетворения потребностей человека в конкретной зоне его проживания и трудовой деятельности и вот почему.
Атмосфера Земли лучше отражает косые солнечные лучи, поэтому часовая инсоляция на экваторе и в средних широтах намного больше чем в высоких.
Значениям высоты Солнца (возвышениям над горизонтом) 90, 30, 20, и 12 ⁰ (воздушная (оптическая) масса (m) атмосферы соответствует 1, 2, 3, и 5) при безоблачной атмосфере соответствует интенсивность около 900, 750, 600 и 400 Вт/м 2 (при 42 ⁰ - m = 1,5, а при 15 ⁰ - m = 4). В действительности полная энергия падающего излучения превышает указанные значения, поскольку она включает не только прямую составляющую, но и рассеянную при воздушных массах 1, 2, 3 и 5 величина рассеянной составляющей интенсивности излучения на горизонтальную поверхность при этих условиях соответственно равна 110, 90, 70 и 50 Вт/м 2 (с коэффициентом 0,3 – 0,7 для вертикальной плоскости, т. к. видна только половина неба). Кроме того, на участках небосклона близких к Солнцу, присутствует «околосолнечный ореол» в радиусе ≈ 5⁰.
В таблице 1 приведены данные по инсоляции для различных регионов Земли.
Таблица 1 – Инсоляция прямой составляющей по регионам для чистой атмосферы.
Из таблицы 1 видно, что дневное количество солнечного излучения максимально не на экваторе, а вблизи 40 ⁰. Подобный факт также является следствием наклона земной оси к плоскости её орбиты. В период летнего солнцестояния Солнце в тропиках почти весь день находится над головой и продолжительность светового дня - 13,5 часов, больше чем на экваторе в день равноденствия. С повышением географической широты продолжительность дня возрастает, и хотя интенсивность солнечного излучения при этом уменьшается, максимальное значение дневной инсоляции приходится на широту около 40 ⁰ и остается почти постоянным (для условий безоблачного неба) вплоть до полярного круга.
Следует подчеркнуть, что данные таблицы 1 справедливы лишь для чистой атмосферы. С учетом облачности и загрязнений атмосферы промышленными отходами, характерных для многих стран мира, приведенные в таблице величины следует уменьшать, по крайней мере, вдвое. Например, для Англии 70 г. XX века, до начала борьбы за охрану окружающей среды, годовое количество солнечной радиации составляло лишь 900 кВт∙ч/м 2 вместо 1700 кВт∙ч/м 2 .
Первые данные, о прозрачности атмосферы на Байкале были получены В.В. Буфалом в 1964г. Он показал, что значения прямой солнечной радиации над Байкалом в среднем на 13 % выше, чем в Иркутске. Средний спектральный коэффициент прозрачности атмосферы на Северном Байкале в летний период составляет для красного, зеленого и синего фильтров соответственно 0,949, 0,906, 0,883. В летний период атмосфера более неустойчива в оптическом отношении, чем зимой, и эта неустойчивость значительно меняется от дополуденных к послеполуденным часам. В зависимости от годового хода ослабления водяным паром и аэрозолями меняется и их вклад в общее ослабление солнечной радиации. В холодную часть года основную роль играют аэрозоли, в теплую - водяной пар. Байкальская котловина и озеро Байкал отличаются сравнительно высокой интегральной прозрачностью атмосферы. При оптической массе m = 2 средние значения коэффициента прозрачности колеблются от 0,73 (летом) до 0,83 (зимой) При этом межсуточные изменения интегральной прозрачности атмосферы велики, особенно в полуденные часы - от 0,67 до 0,77 .
Аэрозоли существенно снижают поступление в акваторию пруда прямого солнечного излучения, причем они поглощают в основном излучение видимого спектра , с той длиной волны, которая беспрепятственно проходит пресный слой пруда, и это для аккумулирования прудом солнечной энергии имеет большое значения. (Слой воды толщиной 1 см практически непрозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны более 1 мкм). Поэтому вода толщиной в несколько сантиметров используется как теплозащитный фильтр. Для стекла длинноволновая граница пропускания инфракрасного излучения составляет - 2,7 мкм.
Большое количество частиц пыли, беспрепятственно переносимое по степи также снижает прозрачность атмосферы.
Электромагнитное излучение испускают все нагретые тела, причем, чем холоднее тело, тем меньше интенсивность излучения и тем дальше в длинноволновую область смещен максимум его спектра. Существует очень простое соотношение λ max X T = c 1 [ c 1 = 0,2898 см∙град. (закон Вина)], с помощью которого легко установить, где находится максимум излучения тела с температурой T (⁰К). Например, человеческое тело, имеющее температуру 37 + 273 = 310 ⁰К, испускает инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения λ max = 9,3 мкм . А стенки, например, гелиосушилки, с температурой 90 ⁰С будут испускать инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения λ = 8 мкм.
Видимое солнечное излучение (0,4 мкм < λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.
В свое время большим прогрессом явился переход от электрической лампы накаливания с угольной нитью к современной лампе с вольфрамовой нитью. Все дело в том, что угольную нить можно довести до температуры 2100 ⁰К, а вольфрамовую - до 2500 ⁰К. Почему эти 400 ⁰К так важны? Все дело в том, что цель лампы накаливания - не греть, а давать свет. Следовательно, надо добиться такого положения, чтобы максимум кривой приходился на видимое изучение. Идеалом было бы располагать такой нитью, которая выдерживала бы температуру поверхности Солнца. Но даже переход с 2100 до 2500 ⁰К повышает долю энергии, приходящейся на видимое излучение, от 0,5 до 1,6 % .
Инфракрасные лучи, исходящие от тела, нагретого всего до 60 – 70 ⁰С, каждый может почувствовать, поднося ладонь снизу (для устранения тепловой конвекции).
Приход прямого солнечного излучения в акваторию пруда соответствует его приходу на горизонтальную поверхность облучения. При этом, изложенное выше показывает, неопределенность количественной характеристики прихода в конкретный момент времени, как сезонного, так и суточного. Постоянной характеристикой является только высота Солнца (оптическая масса атмосферы).
Аккумулирование же солнечного излучения земной поверхностью и прудом существенно различаются.
Естественные поверхности Земли обладают различной отражательной (поглощательной) способностью. Так, темные поверхности (чернозем, болота торфяные) имеют низкое значение альбедо около 10 %. (Альбедо поверхности - это отношение потока излучения, отраженного этой поверхностью в окружающее пространство, к потоку, упавшему на неё).
Светлые поверхности (белый песок) обладают большим альбедо, 35 – 40 %. Альбедо поверхностей с травяным покровом колеблются в пределах 15 – 25 %.
Альбедо крон лиственного леса летом равно 14 – 17 %, хвойного леса - 12 – 15 %. Альбедо поверхности уменьшается с увеличением высоты Солнца.
Альбедо же водных поверхностей заключается в пределах 3 – 45 %, в зависимости от высоты Солнца и степени волнения.
При спокойной водной поверхности альбедо зависит только от высоты Солнца (рисунок 2).
Рисунок 2 – Зависимость коэффициента отражения солнечного излучения для спокойной водной поверхности от высоты Солнца.
Вступление солнечного излучения и прохождение его через слой воды имеет свои особенности.
В общем виде оптические свойства воды (её растворов) в видимой области солнечного излучения представлены на рисунке 3.
Ф о - поток (мощность) падающего излучения;
Ф отр - поток отраженного водной поверхностью излучения;
Ф погл - поток поглощенного водной массой излучения;
Ф пр - поток прошедшего водную массу излучения.
Коэффициент отражения тела p = Ф отр /Ф о;
Коэффициент поглощения а = Ф пол /Ф о;
Коэффициент пропускания ч = Ф пр /Ф о;
Рисунок 3 – Оптические свойства воды (её растворов) в видимой области солнечного излучения
На плоской границе двух сред воздух - вода наблюдаются явления отражения и преломления света.
При отражении света луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости, и угол отражения равен углу падения. В случае преломления падающий луч, перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, и преломленный луч лежат в одной плоскости. Угол падения a и угол преломления B (рисунок 4) связаны sin a / sin B = n 2 , где n 2 - абсолютный показатель преломления второй среды, n 1 - первой. Поскольку для воздуха n=1 , то формула примет вид sin a / sin B = n 2 .
Рисунок 4 – Преломление лучей при переходе из воздуха в воду
Когда лучи идут из воздуха в воду, то они приближаются к «перпендикуляру падения»; например, луч, падающий на воду под углом к перпендикуляру к поверхности воды, вступает в неё уже под углом, который меньше, чем (рис 4,а). Но когда падающий луч, скользя по поверхности воды, падает на водную поверхность почти под прямым углом к перпендикуляру, например, под углом 89 ⁰ и менее, то он вступает в воду под углом, меньшем чем прямой, а именно под углом всего 48,5 ⁰. Под большим углом к перпендикуляру, чем 48,5 ⁰, луч вступить в воду не может: это для воды «предельный» угол (рисунок 4,б).
Следовательно, лучи, падающие на воду под всевозможными углами, сжимаются под водой в довольно тесный конус с углом раствора 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (рис 4,в).
Кроме того преломление воды зависит от её температуры (таблица 2), однако изменения эти столь не значительны что не могут представлять интереса для инженерной практики, по рассматриваемой теме.
Таблица 2 – Показатель преломления воды при различной температуре t
Проследим теперь за ходом лучей, идущих обратно (из точки Р) - из воды в воздух (рисунок 5). По законам оптики, пути будут те же самые, и все лучи, заключенные в упомянутом 97-градусном конусе, выйдут в воздух под различными углами, распределяясь по всему 180 - градусному пространству над водой.
Подводные лучи, находящиеся вне упомянутого угла (97-градусного) не выйдут из-под воды, а отразятся целиком от её поверхности, как от зеркала.
Если n 2 < n 2 (вторая среда оптически менее плотная), то a < B . Наибольшему значению B = 90 ⁰ соответствует угол падения, определяемый равенством sin a o = n 2 /n 1 . При угле падения a > a o существует только отраженный луч, преломленный луч отсутствует (явление полного внутреннего отражения).
Всякий подводный луч, встречающий поверхность воды под углом, большим «предельного» (т.е. большим 48,5 ⁰), не преломляется, а отражается: он претерпевает «полное внутреннее отражение». Отражение называется в данном случае полным потому, что здесь отражаются все падающие лучи, между тем как даже самое лучшее зеркало из полированного серебра отражает только часть падающих на него лучей, остальную же поглощает. Вода при указанных условиях является идеальным зеркалом. В данном случае речь идет о видимом свете. Вообще говоря, показатель преломления воды, как и других веществ, зависит от длины волны (это явление называется дисперсией). Как следствие этого предельный угол, при котором наступает полное внутреннее отражение, не один и тот же для разных длин волн, но для видимого света при отражении на границе вода - воздух этот угол изменяется меньше чем на 1⁰ .
Благодаря тому, что под большим углом к перпендикуляру, чем 48,5⁰, солнечный луч вступить в воду не может: это для воды «предельный» угол (рисунок 4,б), то водная масса, во всем диапазоне значений высоты Солнца изменяется не столь незначительно, чем воздушная - она всегда меньше 
Однако, поскольку, плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, то поглощение солнечного излучения водой будет меняться существенно.
Кроме того, если световое излучение проходит сквозь прозрачную среду, то спектр такого света обладает некоторыми особенностями. Определенные линии в нем сильно ослаблены, т. е. волны соответствующей длины сильно поглощаются рассматриваемой средой. Такие спектры называются спектрами поглощения.
Вид спектра поглощения зависит от рассматриваемого вещества.
Поскольку раствор солей солнечного соляного пруда может содержать различные концентрации хлористых натрия и магния и их отношения, то однозначно говорить о спектрах поглощения нет смысла. Хотя исследований и данных по этому вопросу предостаточно.
Так, например, исследованиями, проведенными в СССР (Ю. Усмановым) по выявлению коэффициента пропускания излучения различных длин волн для воды и раствора хлористого магния различной концентрации получены следующие результаты (рисунок 6). А Б. Дж. Бринквортом показана графическая зависимость поглощения солнечной радиации и монохроматическая плотность потока солнечной радиации (излучения) в зависимости от длин волн (рисунок 7).
Следовательно, количественное поступление прямого солнечного излучения к горячему рассолу пруда, после вступления в воду, будет зависеть: от монохроматической плотности потока солнечной радиации (излучения); от высоты Солнца. А также от альбедо поверхности пруда, от чистоты верхнего слоя солнечного соляного пруда, состоящего из пресной воды, с толщиной обычно 0,1 – 0,3 м, где подавить перемешивание не удается, состава, концентрации и толщины раствора в градиентном слое (изолирующем слое с увеличивающейся книзу концентрацией рассола), от чистоты воды и рассола.
Из рисунков 6 и 7 следует, что вода обладает наибольшей пропускной способностью в видимой области солнечного спектра. Это является очень благоприятным фактором для прохождения солнечной радиации через верхний пресный слой солнечного соляного пруда.
Рисунок 6. Зависимость пропускной способности раствора хлористого магния от концентрации. Рисунок 7. Поглощение солнечной радиации в воде.
Список Литературы:
1. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.;
2. Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии / Дж. Твайделл, А. Уэйр. М.: Энергоатомиздат, 1990. 392 с.;
3. Даффи Дж. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / Дж. А. Даффи, У. А. Бекман. М.: Мир, 1977. 420 с.;
4. Климатические ресурсы Байкала и его бассейна /Н. П. Ладейщиков, Новосибирск, Наука, 1976, 318с.;
5. Пикин С. А. Жидкие кристаллы/ С. А. Пикин, Л. М. Блинов. М.: Наука, 1982. 208 с.;
6. Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра/ А. И. Китайгородский. М.: Наука, 1984. 208 с.;
7. Кухлинг Х. Справочник по физике. / Х. Кухлинг. М.: Мир, 1982. 520 с.;
8. Енохович А. С. Справочник по физике и технике/ А. С. Енохович. М.: Просвещение, 1989. 223 с.;
9 . Перельман Я. И. Занимательная физика. Книга 2 / Я. И. Перельман. М.: Наука, 1986. 272 с.
| Обсудить на форуме |
|
| |
|
От каких же причин она меняется, когда доходит до земной поверхности?
Таких причин несколько.
Известно, что Земля вращается вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсу. Вследствие этого расстояние между Землей и Солнцем в продолжение всего года непрерывно меняется. Наименьшее расстояние бывает в январе, когда Земля находится в перигелии, а наибольшее - в июле, при нахождении Земли в афелии.
Благодаря этому каждый квадратный сантиметр поверхности, поставленной перпендикулярно к солнечным лучам, в январе будет получать солнечной радиации на 7 процентов больше, чем в июле. Эти периодические изменения, повторяющиеся из года в год, поддаются самому точному расчету и ни в каких измерениях не нуждаются.
Далее, в зависимости от высоты Солнца над горизонтом длина пути солнечного луча в атмосфере меняется очень значительно. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше солнечной радиации должно доходить до земной поверхности. Зная рассеивающие и поглощающие свойства так называемой идеальной атмосферы, то есть абсолютно чистой и сухой, можно рассчитать, какова была бы в этом случае радиация у земной поверхности, и сравнить с ней радиацию, наблюдаемую в естественных условиях.
Такое сопоставление сделано в табл. 1, в которой приведены величины для высот Солнца от 5-до 60 градусов.
Как видно из таблицы, наличие даже идеальной атмосферы очень сильно сказывается на солнечной радиации: чем меньше высота Солнца, тем значительнее ослабляется радиация.
Если бы атмосферы не было совсем, то при любой высоте Солнца мы всегда наблюдали бы одну и ту же величину - 1,88 калории. При высоте же Солнца 60 градусов идеальная атмосфера ослабляет солнечную радиацию на 0,22 калории, реальная же атмосфера ослабляет ее еще на 0,35 калории главным образом за счет содержания в реальной атмосфере водяных паров и пыли. В этом случае к земной поверхности доходит только 1,31 калории. При высоте Солнца 30 градусов идеальная атмосфера уменьшает радиацию на 0,31 калории, а до Земли доходит 1,11 калории. При высоте Солнца 5 градусов соответствующие цифры будут 0,73 и 0,39 калории. Вот как сильно атмосфера ослабляет солнечную радиацию!
На рис. 5 это свойство атмосферы видно особенно наглядно. Здесь по вертикали отложены высоты Солнца, по горизонтали - проценты ослабления.
Горизонтальная штриховка показывает ослабление солнечной радиации при идеальной атмосфере, наклонная - ослабление, вызываемое содержащимися в реальной атмосфере водяными парами и пылью, вертикальная - количество радиации, доходящей в конечном результате до земной поверхности.
Из этого графика видно, например, что при средней прозрачности атмосферы и при высоте Солнца 60 градусов до земной поверхности доходит 70 процентов радиации, при 30 градусах-60 процентов, а при 5 градусах - только 20 процентов.
Конечно, в отдельных случаях прозрачность атмосферы может значительно отличаться от средней, особенно в сторону ее уменьшения.
Интенсивность радиации, падающей на горизонтальную поверхность, зависит еще от угла ее падения.
Это поясняет рис. 6. Допустим, что солнечный луч сечением 1 квадратный метр падает на плоскость аб под разными углами. В положении I , когда луч падает перпендикулярно, вся энергия, заключающаяся в солнечном луче, распределится на площадь 1 квадратный метр. В положении II солнечные лучи падают под углом менее 90 градусов; в этом случае пучок солнечных лучей такого же поперечного сечения, как и в первом случае, падает на площадь вг , которая больше аб ; следовательно, на единицу площади придется уже меньшее количество энергии.
В положении III лучи падают под еще меньшим углом; та же лучистая энергия распределится по еще большей площади де, и на единицу ее приходится еще меньшая величина.
Если луч будет падать под углом 30 градусов, то радиация на единицу площади получится в 2 раза меньше, чем при нормальном ее падении; при высоте Солнца 10 градусов ее получится меньше в 6 раз, а при высоте 5 градусов - в 12 раз.
Вот потому-то зимой при малой высоте Солнца приток радиации так мал. С одной стороны, он уменьшается оттого, что солнечный луч проходит длинный путь в атмосфере и много энергии теряет по пути; с другой стороны, и сама радиация падает под малым углом. Обе эти причины действуют в одну сторону, и напряжение солнечной радиации по сравнению с летним получается совсем ничтожное, а следовательно, и эффект нагрева незначителен; особенно, если еще принять во внимание, что зимние дни коротки.
Итак, основными причинами, которые влияют на количество солнечной радиации, достигающей земной поверхности, являются высота Солнца над горизонтом и угол падения радиации. Поэтому мы заранее должны ожидать значительных изменений солнечной радиации в зависимости от широты места.
Так как систематические наблюдения над солнечной радиацией к настоящему времени производятся уже на многих пунктах и в течение продолжительного времени, то интересно посмотреть, какие наибольшие величины были получены за это время в естественных условиях.
Солнечная постоянная - 1,88 калории. Такова величина радиации при отсутствии атмосферы. При идеальной атмосфере, в средних широтах, в летнее время, в околополуденные часы радиация была бы равна примерно 1,65 калории.
Что же дают непосредственные наблюдения в естественных условиях?
В табл. 2 приведена сводка наибольших величин солнечной радиации, полученных по наблюдениям за продолжительное время.
На территории СССР наибольшая измеренная величина радиации (для небольшой высоты над уровнем моря) - 1,51 калории. Второй столбец чисел показывает, какой процент радиации по сравнению с возможной при отсутствии атмосферы дошел до земной поверхности; оказывается, в самом лучшем случае доходит только 80 процентов; 20 процентов не допускает атмосфера. В полярных странах этот процент лишь немного меньше (70), что объясняется большой прозрачностью атмосферы в Арктике, особенно, если учесть, что высота Солнца во время наблюдений была там значительно меньше, чем в пунктах, расположенных южнее.
Вполне естественно, что на горах и вообще в более высоких слоях атмосферы интенсивность солнечной радиации должна увеличиваться, так как уменьшается масса атмосферы, проходимой солнечным лучом. При современном развитии авиации можно было бы ожидать, что произведены многочисленные измерения на разных высотах, но, к сожалению, дело обстоит не так: измерения на высотах единичны. Объясняется это сложностью актинометрических измерений на аэростатах и особенно на аэропланах; к тому же методика высотных измерений радиации разработана еще очень мало.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .