Intensitatea radiației solare pe pământ nu depinde. Radiația solară, terestră și atmosferică. Acolo unde radiațiile ionizante solare sunt mai puternice
Spectrul continuu are cea mai mare intensitate în intervalul de lungimi de undă de 430-500 nm. În regiunile vizibil și infraroșu, spectrul radiației electromagnetice a Soarelui este apropiat de spectrul radiației unui corp absolut negru cu o temperatură de 6000 K. Această temperatură corespunde temperaturii suprafeței vizibile a Soarelui - fotosfera. În regiunea vizibilă a spectrului solar, cele mai intense sunt liniile H și K ale calciului ionizat, liniile din seria Balmer de hidrogen H α , H β și H γ .
Aproximativ 9% din energia din spectrul solar provine din radiații ultraviolete cu lungimi de undă de la 100 la 400 nm. Restul energiei este împărțită aproximativ în mod egal între regiunile vizibile (400–760 nm) și infraroșu (760–5000 nm) ale spectrului.
Soarele este o sursă puternică de emisii radio. Undele radio pătrund în spațiul interplanetar, care sunt emise de cromosferă (unde centimetrice) și coroană (unde decimetrice și metrice). Emisia radio a Soarelui are două componente - constantă și variabilă. Componenta constantă caracterizează emisia radio a Soarelui liniştit. Corona solară emite unde radio ca un corp negru cu temperatură T\u003d 10 6 K. Componenta variabilă a emisiei radio a Soarelui se manifestă sub formă de explozii, furtuni de zgomot. Furtunile de zgomot durează de la câteva ore până la câteva zile. La zece minute după o erupție solară puternică, emisia radio de la Soare crește de mii și chiar milioane de ori în comparație cu emisia radio de la Soarele liniștit; această stare durează de la câteva minute la câteva ore. Această emisie radio are o natură non-termică.
Densitatea fluxului de radiație solară în regiunea de raze X (0,1–10 nm) este foarte scăzută (~5∙10–4 W/m2) și variază foarte mult în funcție de nivelul activității solare.În regiunea ultravioletă, la lungimi de undă de la 200 la 400 nm, spectrul Soarelui este descris și de legile radiației corpului negru.
În regiunea ultravioletă a spectrului cu lungimi de undă mai mici de 200 nm, intensitatea spectrului continuu scade brusc și apar linii de emisie. Cea mai intensă dintre ele este linia de hidrogen din seria Lyman (λ = 121,5 nm). Cu o lățime a acestei linii de aproximativ 0,1 nm, aceasta corespunde unei densități de flux de radiație de aproximativ 5∙10 -3 W/m 2 . Intensitatea radiației în linie este de aproximativ 100 de ori mai mică. Liniile de emisie strălucitoare ale diferiților atomi sunt de asemenea vizibile, cele mai importante linii aparținând Si I (λ = 181 nm), Mg II și Mg I, O II, O III, C III și altele.
Radiația ultravioletă cu lungime de undă scurtă a Soarelui are originea în apropierea fotosferei. radiații cu raze X provine din cromosferă T~ 10 4 K), situat deasupra fotosferei și a coroanei ( T~ 10 6 K) - învelișul exterior al Soarelui. Emisia radio la lungimi de undă de metru are loc în coroană, la lungimi de undă de centimetri - în cromosferă.
Fluxul radiației solare pe 1 m 2 din suprafața limitei pământului a atmosferei este de 1350 W. Această valoare este numită constantă solară.
Se măsoară intensitatea radiației solare directe actinometru. Principiul său de funcționare se bazează pe utilizarea încălzirii suprafețelor conturate ale corpurilor, care provine din radiația solară. În actinometrul termoelectric Savinov-Yanishevsky, partea de recepție a radiației este un disc subțire 1 conturat în exterior. Joncțiunile termoelementelor 2 sunt lipite pe disc cu izolație electrică, alte joncțiuni 3 sunt atașate la un inel de cupru în interiorul carcasei și sunt umbrite. Sub influența radiației solare, electricitateîntr-un termopil, a cărui rezistență este direct proporțională cu fluxul de radiație.
Gama spectrală a radiației electromagnetice a Soarelui este foarte largă - de la unde radio la raze X. Cu toate acestea, intensitatea maximă a acesteia cade pe partea vizibilă (galben-verde) a spectrului.
Orez. 4.5. Spectrul de emisie al Soarelui, observat deasupra atmosferei Pământului și la nivelul mării
De interes deosebit este partea spectrului solar, care include câmpuri electromagnetice și radiații cu o lungime de undă peste 100 nm. Există trei tipuri de radiații în această parte a spectrului solar:
Ultraviolete (UV) - cu o lungime de undă de 290-400 nm;
Vizibil - cu o lungime de undă de 400-760 nm;
Infrarosu (IR) - cu o lungime de unda de 760-2800 nm.
Raze de soare înainte de a ajunge suprafața pământului trebuie să treacă printr-un strat gros al atmosferei. Radiația solară este absorbită și împrăștiată de vaporii de apă, moleculele de gaz, particulele de praf etc. Aproximativ 30% din radiația solară nu ajunge la suprafața pământului. Deci, dacă la limita atmosferei terestre partea ultravioletă a spectrului solar este de 5%, partea vizibilă este de 52% și partea infraroșie este de 43%, atunci la suprafața Pământului partea ultravioletă este de 1%, partea vizibilă. este de 40%, iar partea infraroșie a spectrului solar este de 59%. Unele surse de informații oferă o imagine ușor diferită a distribuției energiei radiației solare la nivelul solului: radiația ultravioletă - aproximativ 2%, partea vizibilă a spectrului - aproximativ 49% și zona infraroșie - tot aproximativ 49%.
Intensitatea radiației solare de pe suprafața Pământului va fi întotdeauna mai mică decât nivelul radiației solare la limita atmosferei Pământului. Prezența acoperirii norilor, poluarea aerului, ceața sau chiar nori împrăștiați joacă un rol semnificativ în atenuarea radiației solare. Dependența puterii celulei solare de condițiile meteorologice este prezentată în fig. 4.6.
Orez. 4. 6. Dependența energiei celulelor solare de condițiile meteorologice
Cu acoperirea continuă a norilor a cerului, intensitatea radiațiilor UV este redusă cu 72%, cu acoperire cu jumătate de nor - cu 44%, în condiții extreme - cu peste 90%. Ozonul și oxigenul absorb complet radiațiile UV cu undă scurtă (lungime de undă 290-100 nm), protejând toate viețuitoarele de efectele sale nocive. Moleculele de aer se împrăștie în principal în părțile ultraviolete și albastre ale spectrului (de unde culoarea albastră a cerului), astfel încât radiația împrăștiată este mai bogată în raze UV. Când Soarele este jos la orizont, razele parcurg o distanță mai mare și împrăștierea luminii, inclusiv în domeniul UV, crește. Prin urmare, la prânz, Soarele apare alb, galben și apoi portocaliu, deoarece există mai puține raze ultraviolete și albastre în lumina directă a soarelui.
Nivelul radiației solare este estimat prin intensitatea acesteia (wați pe unitatea de suprafață) și efectul termic (calorii pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp).
Ținând cont de caracteristicile spectrale ale radiației solare și de stadiul progresului tehnologic în domeniul energiei solare, dintre metodele existente de conversie a energiei solare se pot distinge următoarele cele mai comune:
– fotoelectrice;
– solar termic;
- aer cald.
4.2.2. Convertoare fotovoltaice de energie solară.
Principiul de funcționare. Din punct de vedere energetic, cele mai eficiente aparate de transformare a energiei solare în energie electrică sunt convertoarele fotovoltaice cu semiconductori (PVC), fig. 4.7.
Orez. 4.7. Convertoare fotovoltaice de putere
Teoretic, randamentul lor marginal poate depasi 90%. Progresul tehnologic care vizează reducerea pierderilor ireversibile de energie prin optimizarea compoziției, structurii și a altor parametri ai celulei solare, în următorii ani, va permite creșterea eficienței practice la 50% sau mai mult, în timp ce nivelul deja atins în laboratoare este aproape de 40. %. Trebuie remarcat faptul că principalele pierderi de energie din celula solară sunt asociate cu:
– reflectarea radiației solare de pe suprafața traductorului;
- trecerea unei părți a radiației prin celula solară fără absorbție în aceasta;
– împrăștierea pe vibrațiile termice ale rețelei de energie fotonică în exces;
- recombinarea fotoperechilor formate pe suprafetele si in volumul celulei solare;
– rezistența internă a convertorului
- și alte câteva procese fizice.
În conversia fotoelectrică a energiei solare se folosește fenomenul efectului fotoelectric, descoperit de Hertz. efect fotoelectric (fotografii - din greacă „lumină”) apare ca urmare a acțiunii radiației solare asupra straturilor de suprafață ale unui semiconductor cu o grosime de aproximativ 2-3 microni, eliberând o anumită cantitate de electroni. Odată cu apariția electronilor liberi în corpul unui semiconductor și în prezența unei diferențe de potențiale electrice, în el apare un curent electric. Diferența de potențial se formează între suprafața iradiată a semiconductorului și partea sa „umbră”. Principalul material pentru obținerea celulelor solare în lume astăzi este siliciul. Siliciu tehnic pur (concentrație de impurități<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.
Efectul fotovoltaic apare în structurile semiconductoare neomogene atunci când sunt expuse la radiația solară. Eterogenitatea structurii FEP poate fi obținută prin doparea aceluiași semiconductor cu impurități diferite (creând joncțiuni p-n) sau prin combinarea diferiților semiconductori cu o bandă interzisă diferită - energia de desprindere a unui electron de un atom (crearea heterojoncțiunilor), sau prin modificarea compoziției chimice a semiconductorului, ducând la apariția unui gradient de bandgap (crearea structurilor graded-gap). Sunt posibile și diferite combinații ale acestor metode. Eficiența de conversie depinde de caracteristicile electrice ale structurii semiconductoare neomogene, precum și de proprietățile optice ale celulelor solare, printre care rolul cel mai important îl joacă fotoconductivitatea, datorită fenomenelor de efect fotoelectric intern în semiconductori atunci când acestea sunt iradiate. cu lumina soarelui.
Principiul de funcționare al celulei solare poate fi explicat prin exemplul convertoarelor cu o joncțiune p-n, care sunt utilizate pe scară largă în energia solară și spațială modernă (Fig. 4.8).
Orez. 4.8. Principiul de funcționare a semiconductorului fotovoltaic
convertoare
O tranziție electron-gaură este creată prin doparea unei plăci dintr-un material semiconductor monocristal cu un anumit tip de conductivitate (de exemplu, fie de tip p, fie de tip n) cu o impuritate care asigură crearea unui strat de suprafață cu tipul opus. de conductivitate. Concentrația de dopant din acest strat trebuie să fie semnificativ mai mare decât concentrația de dopant din materialul de bază (monocristal original) pentru a neutraliza principalii purtători de sarcină liberi prezenți acolo și a crea o conductivitate de semn opus. La limita straturilor n și p, ca urmare a scurgerii de sarcină, se formează zone epuizate cu o sarcină de volum pozitivă necompensată în stratul n și o sarcină de volum negativă în stratul p. Aceste zone formează împreună o joncțiune p-n. Bariera de potențial (diferența de potențial de contact) care a apărut la joncțiune împiedică trecerea purtătorilor de sarcină principali, adică. electronii din partea stratului p, dar trec liber purtători minori în direcții opuse. Această proprietate a joncțiunilor p-n determină posibilitatea obținerii foto-emf la iradierea celulelor solare cu lumina solară. Purtătorii de sarcină neechilibrați (perechile electron-gaură) creați de lumină în ambele straturi ale celulei solare sunt separați la joncțiunea p-n: purtătorii minori (adică electronii) trec liber prin joncțiune, iar cei principali (găuri) sunt întârziați. Astfel, sub acțiunea radiației solare, un curent de purtători de sarcină minoritari neechilibrați, fotoelectroni și fotogăuri, va curge prin joncțiunea p-n în ambele direcții, ceea ce este exact ceea ce este necesar pentru funcționarea celulei solare. Dacă închidem acum circuitul extern, atunci electronii din stratul n, după ce au lucrat asupra sarcinii, se vor întoarce la stratul p și se vor recombina (combina) cu găurile care se mișcă în interiorul celulei solare în direcția opusă. Pentru a colecta și elimina electronii într-un circuit extern, există un sistem de contact pe suprafața structurii semiconductoare FEP. Pe suprafața frontală, iluminată a convertorului, contactele sunt realizate sub formă de grilă sau pieptene, iar pe spate pot fi solide.
Tipuri de convertoare fotoelectrice de energie solară. Astăzi putem vorbi despre trei generații de celule fotovoltaice.
Pentru prima generație, cristalin, consultați (Fig. 4.9):
- celule solare cu siliciu monocristal,
- siliciu policristalin si
– tehnologii pentru creșterea semifabricatelor cu pereți subțiri - EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), - S-web (Siemens), polisiliciu în strat subțire (Apex).
Orez. 4. 9. Celule solare cristaline
Principalul indicator al eficienței fotocelulelor este eficiența - raportul dintre cantitatea de energie primită de fotocelulă și cantitatea de energie primită de consumator.
Celulele solare produse în masă pe bază de siliciu monocristal au o eficiență practică de 16 - 17%, folosind siliciu policristalin - 14 - 15%, siliciu amorf - 8 - 9%.
A doua generație, peliculă subțire, vă permite să primiți energie electrică folosind fotocelule (Fig. 4.10):
– siliciu: amorf, microcristalin, nanocristalin, CSG (siliciu cristalin pe sticla);
– pe baza de telurura de cadmiu (CdTe);
– pe bază de seleniră de cupru-indiu-(galiu) (CI(G)S).
Orez. 4.10. Film PVC
Tehnologia de producere a convertoarelor fotoelectrice cu peliculă subțire (TFP) de a doua generație implică depunerea de straturi prin metoda vacuum. Tehnologia vidului, în comparație cu tehnologia de producere a celulelor solare cristaline, este mai puțin consumatoare de energie și se caracterizează, de asemenea, printr-o cantitate mai mică de investiții de capital. Face posibilă producerea de celule solare flexibile ieftine de suprafață mare, cu toate acestea, factorul de conversie al unor astfel de elemente este mai mic în comparație cu celulele solare de prima generație.
TP FEP sunt împărțite în funcție de tipul de material în siliciu și non-siliciu. PVC-urile siliconice pot fi amorfe cu un singur strat (au fost din punct de vedere istoric primele) sau structuri mai complexe (de exemplu, amorf-micromorfe), care au apărut mai târziu. TFC FEP-urile sunt fabricate pe substraturi solide sau flexibile. În ultimii ani, distribuția producției de PVC în lume, pe tip de tehnologie, a determinat ponderea PVC-ului siliciu (mono- și multi-siliciu), care s-a ridicat la 86% TFC-uri pe siliciu amorf a fost de 6%. Restul PVC-ului a fost produs sub formă de pelicule subțiri de materiale precum telurura de cadmiu (CdTe) - 6%, diselenură de cupru și indiu (CIS/CIGS) - 2%.
Principalele avantaje ale TPU FEP, în comparație cu FEP cristalin de siliciu, sunt următoarele:
– cost unitar mai mic;
– consum mai mic de materiale;
– posibilitatea fabricarii dispozitivelor de suprafete mari;
– mai puține operațiuni tehnologice;
- capacitatea de a primi lumina soarelui difuză și slabă (când soarele este, de exemplu, ascuns în spatele norilor) mult mai eficient decât bateriile cu cristal.
FEP a treia generație:
- elemente fotosensibilizate prin colorant (celula solară sensibilizată cu colorant, DSC) (Fig. 4.11);
- PVC organic (polimer) (OPV) (Fig. 4.12 si Fig. 4.13);
– celule solare anorganice (CTZSS);
- FEP bazat pe structuri în cascadă (Fig. 4.14).
Orez. 4.11. FEP fotosensibilizat cu colorant
Orez. 4. 12. Producția de PVC polimer organic
Orez. 4.13. PVC polimer organic
Orez. 4.14.FEP bazat pe structuri în cascadă
Ideea creării unei celule solare de a treia generație a fost de a reduce și mai mult costul celulelor solare, de a abandona utilizarea materialelor scumpe și toxice în favoarea polimerilor și electroliților ieftini și reciclabili. O diferență importantă este și posibilitatea de a aplica straturi prin metode de imprimare, de exemplu, folosind tehnologia roll-to-roll (R2R).
Măsuri de îmbunătățire a FEP. Luând în considerare metodele de conversie a energiei utilizate pentru a reduce toate tipurile de pierderi ale acesteia în celula solară, sunt dezvoltate și aplicate următoarele măsuri:
– utilizarea semiconductoarelor cu band gap optimă pentru radiația solară;
- îmbunătățirea direcționată a proprietăților structurii semiconductoare prin dopajul optim al acesteia și crearea de câmpuri electrice încorporate;
– trecerea de la structuri semiconductoare omogene la eterogene și gradate-gap;
– optimizarea parametrilor de proiectare ai celulei solare (adâncimea joncțiunii p-n, grosimea stratului de bază, frecvența grilei de contact etc.);
– utilizarea de acoperiri optice multifunctionale care asigura antireflexia, controlul termic si protectia celulelor solare de radiatiile cosmice;
– dezvoltarea celulelor solare care sunt transparente în regiunea undelor lungi a spectrului solar dincolo de marginea benzii principale de absorbție;
– realizarea de celule solare în cascadă din semiconductori special selectate în funcție de lățimea benzii interzise, care să permită transformarea în fiecare cascadă a radiației care a trecut prin cascada anterioară etc.;
De asemenea, s-a realizat o creștere semnificativă a eficienței celulelor solare prin crearea de convertoare cu sensibilitate pe două fețe (până la + 80% față de eficiența existentă a unei laturi), utilizarea structurilor reemițătoare luminiscente, descompunerea preliminară a energiei solare. spectrul în două sau mai multe regiuni spectrale folosind divizoare de fascicul de film multistrat (oglinzi dicroice) cu transformarea ulterioară a fiecărei secțiuni a spectrului printr-o celulă solară separată etc.
În sistemele de conversie a energiei SES (centrale solare) pot fi utilizate, în principiu, orice tipuri de celule solare de diferite structuri create și în curs de dezvoltare pe baza diferitelor materiale semiconductoare, dar nu toate satisfac setul de cerințe pentru aceste sisteme:
– fiabilitate ridicată cu o durată lungă de viață (zeci de ani!)
– disponibilitatea materiilor prime în cantități suficiente pentru fabricarea elementelor sistemului de conversie și posibilitatea organizării producției în masă a acestora;
– acceptabile din punct de vedere al perioadei de amortizare, costuri energetice pentru realizarea unui sistem de transformare;
– costuri minime de energie și masă asociate controlului sistemului de conversie și transport de energie (spațiu), inclusiv orientarea și stabilizarea stației în ansamblu;
– ușurință de întreținere.
Deci, de exemplu, unele materiale promițătoare sunt greu de obținut în cantitățile necesare pentru a crea o centrală solară din cauza resurselor naturale limitate ale materiei prime și a complexității prelucrării acesteia. Metodele separate pentru îmbunătățirea caracteristicilor energetice și operaționale ale celulelor solare, de exemplu, prin crearea de structuri complexe, sunt slab compatibile cu posibilitățile de organizare a producției lor în masă la costuri reduse etc. Productivitatea ridicată poate fi atinsă numai prin organizarea unei producții complet automatizate de celule solare, de exemplu, bazată pe tehnologia bandă, și crearea unei rețele dezvoltate de întreprinderi specializate de profilul corespunzător, de exemplu. de fapt, o întreagă industrie, proporțională ca amploare cu industria radio-electronică modernă. Fabricarea celulelor solare și asamblarea bateriilor solare pe linii automate va reduce costul unui modul de baterie de 2-2,5 ori.
Siliciul și arseniura de galiu (GaAs) sunt considerate în prezent drept cele mai probabile materiale pentru sistemele de conversie a energiei solare fotovoltaice ale centralelor solare, iar în acest din urmă caz vorbim de heterofotoconvertoare (HFP) cu structură AlGaAs-GaAs.
Celulele solare (convertoare fotovoltaice) bazate pe compuși de arsenic-galiu (GaAs) sunt cunoscute a avea o eficiență teoretică mai mare decât celulele solare cu siliciu, deoarece banda interzisă a acestora coincide practic cu banda interzisă optimă pentru convertoarele de energie solară semiconductoare = 1,4 eV. Pentru siliciu, acest indicator \u003d 1,1 eV.
Datorită nivelului mai ridicat de absorbție a radiației solare, care este determinat de tranzițiile optice directe în GaAs, eficiența ridicată a celulelor solare bazate pe acestea se poate obține la o grosime mult mai mică a celulelor solare în comparație cu siliciul. În principiu, este suficient să aveți o grosime HFP de 5–6 μm pentru a obține o eficiență de cel puțin 20%, în timp ce grosimea elementelor de siliciu nu poate fi mai mică de 50–100 μm fără o scădere vizibilă a eficienței lor. Această împrejurare face posibil să se bazeze pe crearea de HFP cu peliculă ușoară, a căror producție necesită o cantitate relativ mică de material de pornire, mai ales dacă este posibil să se utilizeze nu GaAs ca substrat, ci un alt material, de exemplu, safir sintetic. (Al2O3).
HFP-urile au, de asemenea, caracteristici de performanță mai favorabile în ceea ce privește cerințele pentru convertoarele SES, comparativ cu FEP-urile cu siliciu. Deci, în special, posibilitatea de a obține valori inițiale mici ale curenților de saturație inversă în joncțiunile p-n datorită benzii interzise mari permite reducerea la minimum a mărimii gradienților negativi de temperatură a eficienței și a puterii optime a HFP și, în plus, extinzând semnificativ regiunea dependenței liniare a acestuia din urmă de densitatea fluxului luminos . Dependența experimentală de temperatură a eficienței HFP indică faptul că o creștere a temperaturii de echilibru a acestuia din urmă la 150–180°C nu duce la o scădere semnificativă a eficienței și a puterii specifice optime. În același timp, pentru celulele solare cu siliciu, creșterea temperaturii peste 60-70°C este aproape critică - eficiența scade la jumătate.
Datorită rezistenței lor la temperaturi ridicate, celulele solare cu arseniură de galiu fac posibilă aplicarea concentratoarelor de radiație solară asupra acestora. Temperatura de funcționare a HFP pe GaAs ajunge la 180 °C, ceea ce este deja destul de temperatură de funcționare pentru motoarele termice și turbinele cu abur. Astfel, la eficiența inerentă de 30% a HFP-urilor cu arseniură de galiu (la 150°C), se poate adăuga eficiența unui motor termic folosind căldura reziduală a lichidului care răcește fotocelulele. Prin urmare, eficiența generală a instalației, care utilizează și al treilea ciclu de îndepărtare a căldurii la temperatură joasă din lichidul de răcire după turbină pentru încălzirea spațiului, poate fi chiar mai mare de 50-60%.
De asemenea, HFP-urile pe bază de GaAs, într-o măsură mult mai mică decât PVC-urile de siliciu, sunt susceptibile la distrugere prin fluxuri de protoni și electroni de înaltă energie datorită nivelului ridicat de absorbție a luminii în GaAs, precum și duratei de viață și difuziei reduse necesare. transportatorii minoritari. Mai mult, experimentele au arătat că o parte semnificativă a defectelor de radiație în HFP-urile pe bază de GaAs dispar după tratamentul termic (recoace) la o temperatură de aproximativ 150-180 ° C. Dacă HFP-urile GaAs funcționează în mod constant la o temperatură de aproximativ 150°C, atunci gradul de degradare prin radiație a eficienței lor va fi relativ mic pe toată perioada de funcționare activă a stațiilor (acest lucru este valabil mai ales pentru centralele solare spațiale, pentru care lumina greutatea și dimensiunea celulelor solare și randamentul ridicat sunt importante).
În ansamblu, se poate concluziona că energia, masa și caracteristicile operaționale ale HFP-urilor pe bază de GaAs sunt mai în conformitate cu cerințele SES și SCES (cosmice) decât cu caracteristicile PVC-urilor cu siliciu. Cu toate acestea, siliciul este un material mult mai accesibil și mai stăpânit decât arseniura de galiu. Siliciul este larg distribuit în natură, iar stocurile de materii prime pentru crearea celulelor solare pe baza acestuia sunt practic nelimitate. Tehnologia de fabricație a celulelor solare cu siliciu este bine stabilită și este în continuă îmbunătățire.
Există o perspectivă reală de reducere a costului celulelor solare cu siliciu cu unul sau două ordine de mărime odată cu introducerea de noi metode de producție automatizate, care fac posibilă, în special, obținerea de benzi de siliciu, celule solare cu suprafață mare etc.
În structurile care funcționează efectiv cu heterojoncțiuni, eficiența ajunge astăzi la peste 30%, iar în semiconductori omogene, cum ar fi siliciul monocristal - până la 18%. Eficiența medie a celulelor solare bazate pe siliciu monocristal este astăzi de aproximativ 12%, deși ajunge la 18%. Este, practic, SB-uri de siliciu care pot fi văzute astăzi pe acoperișurile caselor din diferite țări ale lumii.
Spre deosebire de siliciu, galiul este un material foarte rar, ceea ce limitează posibilitatea de a produce HFP pe bază de GaAs în cantitățile necesare pentru o utilizare pe scară largă.
Galiul este extras în principal din bauxite, dar se ia în considerare și posibilitatea obținerii lui din cenușă de cărbune și apă de mare. Cele mai mari rezerve de galiu se găsesc în apa de mare, dar concentrația acesteia acolo este foarte scăzută, randamentul de extracție este estimat la doar 1% și, prin urmare, costurile de producție sunt susceptibile de a fi prohibitive. Tehnologia de producere a HFP pe bază de GaAs folosind metode de epitaxie lichidă și gazoasă (creșterea orientată a unui singur cristal pe suprafața altuia (pe un substrat)) nu a fost încă dezvoltată în aceeași măsură ca tehnologia pentru producerea de celule fotovoltaice cu siliciu și, ca urmare, costul HFP este acum semnificativ mai mare (după comenzi) față de costul unei celule solare din siliciu.
Costul HFP atunci când sunt produse în masă pe baza tehnologiei avansate este, de asemenea, probabil să fie redus semnificativ și, în general, costul sistemului de conversie al sistemului de conversie a energiei al centralelor solare GaAs HFP poate fi destul de proporțional cu costul unui sistem pe bază de siliciu. Astfel, în prezent este dificil să se acorde o preferință completă unuia dintre cele două materiale semiconductoare considerate - siliciu sau arseniura de galiu și doar dezvoltarea ulterioară a tehnologiei lor de producție va arăta care opțiune va fi mai rațională pentru energia solară terestră și spațială.
Costul producției de energie folosind convertoare fotovoltaice de energie solară. Unul dintre punctele esențiale în răspândirea energiei solare este costul acesteia.
Principalul indicator al prețului panourilor fotovoltaice este costul pe kilowatt de capacitate instalată.
Această valoare a scăzut constant de la an la an în ultimii 15 ani (Fig. 4.15).
Orez. 4.15. Costul de 1 W din puterea instalată a celulelor solare
Costul sistemelor fotovoltaice mici (mai puțin de 500 kW) pentru spațiile nerezidențiale în 2014 a scăzut cu 0,40 USD pe watt, iar costul sistemelor mai mari de la 500 kW a scăzut cu 0,70 USD pe watt. Pentru al cincilea an consecutiv, s-a înregistrat o reducere semnificativă a prețurilor la panourile solare cu instalare. Și procesul continuă: în prima jumătate a anului 2015, prețurile au scăzut cu încă 0,20-0,50 USD/W, adică cu 6-13%. Scăderea constantă a prețurilor pentru sistemele fotovoltaice este deosebit de remarcabilă, având în vedere prețul relativ stabil al modulelor fotovoltaice în sine. Pe piața din SUA, prețul panourilor este în scădere din cauza costurilor de instalare asociate mai mici, a prețurilor mai mici pentru alte componente (invertor, sticlă, aluminiu, fire etc.), a proiectării mai eficiente a sistemului, a costului de obținere a autorizațiilor și a inspecțiilor, mai ieftin. costurile forței de muncă, dar și datorită eforturilor de marketing și de captare a pieței companiilor.
Drept urmare, costul „electricității solare”, care este generată la centralele solare comerciale, este redus serios. În ultimii 7-8 ani, costul a scăzut de la 200 USD pe MWh (adică de la 20 de cenți pe kWh) la aproape 40 USD pe MWh (până la 4 cenți pe kWh). Cifrele sunt preluate din raportul Laboratorului Național Lawrence Berkeley „Este 50 USD/MWh solar pentru real?”.
Scăderea prețurilor se vede mai ales clar dacă derivăm dependența nu de timp, ci de capacitatea totală a panourilor deja instalate, adică a centralelor electrice puse în funcțiune. Aici puteți observa că scăderea prețului este foarte stabilă: la fiecare dublare a capacității totale, prețul instalării panourilor noi se reduce cu 16%. Acesta este un efect natural: prețul oricărui produs ar trebui să scadă pe măsură ce vânzările cresc.
Raportul Tracking the Sun se bazează pe informațiile colectate de la peste 400.000 de instalații fotovoltaice rezidențiale și nerezidențiale din 1998 până în 2014 în 42 de state. Aceasta reprezintă mai mult de 80% din toate sistemele fotovoltaice instalate în țară în această perioadă.
Dacă „legea lui Moore” este valabilă aici, atunci până în 2020 sau 2021 capacitatea totală a tuturor centralelor solare din lume va ajunge la 600 GW, iar costul energiei electrice fără subvenții va scădea la 4,5 cenți pe kWh pentru zonele cele mai însorite (sudice). SUA, Australia, Orientul Mijlociu etc.) și până la 6,5 cenți pe kWh pentru zonele moderat însorite (Europa Centrală, majoritatea SUA).
Care sunt prețurile pentru energia solară astăzi? Potrivit ediției americane a revistei Pv-magazine, prețurile au atins un minim în august 2016, iar producătorii europeni și chinezi de panouri fotovoltaice sunt „cap în cap” în reducerea prețurilor, concurând între ei pentru consumator (Fig. 4.16).
Orez. 4.16. Prețuri pentru modulele de siliciu pe piața angro din UE, august 2015 - august 2016 (începând cu 10.08.2016) după origine
Prețurile sunt date pentru așa-numitul „peak watt”, sau Wp (Wp), adică pentru puterea maximă posibilă generată. Tabelul 4.1. este prezentată o comparație a prețurilor medii pentru panourile de siliciu de diferite tipuri pe piața europeană pentru luna iulie 2016.
Tabelul 4.1. Prezentare generală a prețurilor modulelor fotovoltaice în Europa pe vârf de ?/W din iulie 2016 (date de la Bloomberg New Energy Finance, pvXchange, SUA)
Panourile fotovoltaice „clasice” sunt asamblate din celule de siliciu realizate din diferite tipuri de siliciu - monocristalin, policristalin, amorf etc.
Experții Earth Policy Institute (EPI) și centrul de cercetare Bloomberg New Energy Finance (BNEF) au calculat gradul de influență al prețurilor panourilor de siliciu și relația cu creșterea numărului de instalații de generare a energiei solare în lume. Schema din fig. Figura 4.17 ilustrează modul în care prețurile panourilor fotovoltaice s-au schimbat pe capacitatea instalată de vârf $/W din 1975 până în 2015.
Orez. 4.17. Istoria prețurilor mondiale pentru panourile fotovoltaice de siliciu de toate tipurile
în 1975 – 2015
Influența reciprocă a reducerii costului capacității instalate, a costului de producere a energiei solare și a creșterii numărului de instalații fotovoltaice din lume.
În acest timp, costul de producere a energiei a scăzut de peste 150 de ori (în ciuda faptului că prețul pe W-peak capacitate instalată a scăzut de > 210 ori), iar numărul total de instalații din lume care transformă lumina solară în energie electrică. a crescut cu 115 mii (!) o dată.
După cum puteți vedea, când prețul panourilor solare fotovoltaice era de aproximativ 100 USD per Wp în 1975, instalațiile totale din lume erau de doar aproximativ 2 MW. În doar doi ani, prețul a scăzut la 76,67 USD per watt-vârf. De atunci, a trecut, în general, destul de mult timp, dar acum totul s-a schimbat. Până la începutul anului 2016, prețul mediu mondial pe Wpk de capacitate instalată per modul de siliciu era de aproximativ 0,61 USD, iar numărul global de instalații de generare fotovoltaică a crescut exponențial.
Începând cu 1975, costul tehnologiei a scăzut rapid. Din 1976 până în 2008, prețul pe modul de putere watt-vârf a scăzut cu 99%. Și din 2008 până în 2015 - încă 80%. Abia între 2000 și 2005, potrivit BNEF, s-a înregistrat o adevărată descoperire în ceea ce privește numărul de instalații fotovoltaice, când prețul pe watt a atins un „punct critic” pentru investitori, după care capacitatea globală instalată a atins rapid nivelul de 65. GW în 2015.
Scăderea prețurilor și creșterea vânzărilor de module fotovoltaice sunt direct legate. În ultimele patru decenii, fiecare scădere a prețului panourilor solare cu aproximativ 26% a dublat dimensiunea industriei globale a energiei solare. Acum investițiile globale în industrie sunt în creștere. Și aceasta nu este limita. Aceasta va continua până în 2030-2040. „Oboseala investițională”, adică atunci când profitabilitatea investițiilor în energia solară va scădea vizibil, nu amenință pentru încă două decenii.
Jos și jos și jos. Prognozele „futuriste” BNEF sunt confirmate de statistici reale. În mai 2015, au fost făcute publice studii de la Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, SUA). O analiză a contractelor angro de vânzare a energiei electrice solare la preț garantat (PPA) a arătat că încă din ianuarie 2015 au fost încheiate 18 astfel de contracte pentru 1,1 GWh la un preț de 50 USD/MWh, i.e. doar 5 cenți pe 1 kWh, în ciuda faptului că prețul mediu obișnuit al energiei electrice în Statele Unite pentru 1 kWh este de 12 cenți.
Aceasta ilustrează și scăderea prețurilor producătorilor de energie solară pentru marii consumatori de utilități. Mai mult, aceste „înregistrări” devin rapid învechite. De exemplu, Austin Energy, SUA, a raportat că în toamna lui 2014 „a semnat un acord-cadru cu First Solar Inc. și Hanwha Q-Cells Corp., SUA, pentru 288 MW de putere netă absorbită” de la instalațiile solare „la un preț sub 4 cenți pe kWh”. Dar deja la sfârșitul anului 2015, „orașul Palo Alto a semnat un contract pentru achiziționarea de energie electrică din energie solară la 37 USD/MWh”, iar Bloomberg a raportat că „Berkshire Hathaway Inc. NV Energy a fost de acord să plătească 3,87 cenți pe kWh pentru o capacitate de 100 MW sau mai mult pentru proiectul dezvoltat de First Solar Inc., SUA.
Noile licitații din Emirate arată pur și simplu uimitoare. Dubai Electricity and Water Authority (DEWA) a primit o ofertă pentru 800 MW de alimentare fotovoltaică la 2,99 cenți pe kWh. Aceasta este aproape jumătate din contractul de 25 de ani pentru 1.000 MW de putere de intrare semnat în 2015 la 5,84 cenți pe kWh. Astfel, Dubai a primit o reducere de aproape două ori a prețurilor energiei fotovoltaice în doar 18 luni, iar toate aceste licitații au fost fără subvenții și tarife de alimentare! Și aceste prețuri nu sunt unice. După cum a raportat BNEF în aprilie 2016, compania de utilități Enel Green Power a semnat un contract major în Mexic la 3,6 per kWh. Energia solară se îndreaptă constant către competitivitatea economică cu vederi tradiționale generarea de energie electrică.
Cota din pret. CEO al First Solar Inc., cea mai mare companie de energie solară integrată vertical din Statele Unite. Jim Hughes, vorbind la Edison Electric Institute (EEI), SUA, a declarat cu entuziasm că până în 2017 „vom atinge un preț complet pentru 1 kW de putere instalată de mai puțin de 1 dolar!”. Iar a doua știre – „în 2017 față de prețul din 2015, prețul instalațiilor solare va mai scădea cu încă 40%” – a fost auzită la Conferința Mondială a Viitorului Energetic de la Abu Dhabi, tot în 2015. Există vreo contradicție cu graficele de preț din figurile 4.16 și 4.17?
Faptul este că ar trebui să se facă distincția între prețul total al capacității instalate a întregii instalații solare și prețul pe capacitatea instalată a unei celule fotovoltaice de siliciu sau a unui panou fotovoltaic. În structura de cost a unei centrale electrice, nici o celulă, nici măcar un panou asamblat cu elemente de fixare, nu constituie cel mai mare element de cost (Fig. 4.18).
Orez. 4.18 Structura costurilor unei instalații fotovoltaice pentru o casă privată din SUA
Analiștii Deutsche Bank au arătat de unde va veni această scădere de 40% a prețului unei instalații electrice solare în 2017 analizând componentele de cost ale unei instalații fotovoltaice de acasă pentru o casă privată din Statele Unite.
O mare parte a pieței fotovoltaice se va concentra pe dezvoltarea de sisteme de locuințe mici. Majoritatea țărilor lumii, unde se preconizează creșterea globală a utilizării energiei electrice solare, nu au încă o structură de rețea puternică care să permită redistribuirea eficientă a energiei între aşezări sau regiuni. Acest lucru este valabil chiar și în SUA. În Germania, situația infrastructurii este mai bună. Costul total al sistemelor de acasă este mai mic acolo și cost total se instaleaza in 3 anii recenti a scăzut cu aproximativ 40%. Costurile în Germania astăzi sunt semnificativ mai mici decât în SUA și pe alte piețe solare mai puțin dezvoltate. Exemplul german arată că scăderea costurilor totale ale sistemelor fotovoltaice nu a atins încă nivelul minim, chiar și pe piețele relativ mature.
Principala piață pentru instalațiile fotovoltaice în următorii ani o reprezintă panourile de pe acoperișurile caselor particulare.În majoritatea cazurilor, sistemele de acasă nu vor putea să arunce în mod eficient excesul de electricitate fotovoltaică în rețeaua publică și alteori să compenseze lipsa acesteia (noaptea, pe vreme înnorată sau în timpul consumului de vârf neregulat). așa-zisul. „paritatea rețelei”, adică atunci când prețul pentru energia electrică generată în gospodăria cuiva este egal cu tariful pentru energia electrică achiziționată din rețea, în majoritatea cazurilor se va dovedi a fi un indicator foarte condiționat.
BoS (fig. 4.18) se referă la părți suplimentare ale sistemului fotovoltaic, cu excepția baterie solară, adică componentele necesare pentru a converti puterea de ieșire a unui panou fotovoltaic în energie electrică utilizabilă. Prin urmare, în Statele Unite, bateriile sunt de obicei incluse în BoS. Cu toate acestea, dezvoltarea pieței va reduce toate componentele prețului final pe watt, inclusiv al doilea cel mai mare indicator după prețul modulului - prețul de instalare.
Prețul siliciului nu este principalul lucru. Conform calculelor Deutsche Bank, costul modulelor solare a scăzut de la 1,31 USD/watt în 2011 la 0,50 USD/watt în 2014, din cauza costurilor mai mici de procesare, scăderii costurilor cu polisiliciu și îmbunătățirii eficienței conversiei PV. Prețul modulelor a scăzut apoi cu aproape 60% în trei ani. Deutsche Bank consideră că costurile totale ar putea scădea cu încă 30-40% în următorii câțiva ani, dar în principal din cauza costurilor de operare mai scăzute ca urmare a dezvoltării pieței în sine, în special pentru sectorul rezidențial.
Reducerea prețului siliciului din panoul solar are acum un efect redus. În prețul total al modulului, siliciul în sine „cântărește” nu mai mult de 10 - 11 cenți pe watt și chiar și o reducere de două ori a prețului său, care poate fi realizată cu eforturi tehnologice și financiare uriașe, nu va afecta costul total al Panouri fotovoltaice într-un mod „revoluționar”. Deși, în următoarele 12 trimestre, Deutsche Bank încă se așteaptă ca prețul modulelor fotovoltaice să scadă la prețul de echilibru licitație-ofertă de 0,40 USD - 0,50 USD per watt. Dacă panourile ar fi vândute la o marjă brută de 10 cenți la 0,50 USD per watt, asta ar însemna că producătorii ar câștiga o marjă brută de minim 20% - semnificativ mai mare decât mediile istorice recente. În plus, costul taxelor vamale și al transportului ar trebui redus.
Prețurile invertoarelor tind să scadă cu 10-15% pe an. Deutsche Bank se așteaptă ca această tendință să continue și în viitor. Marii „furnizori de energie solară” au ajuns deja, cu provizii mari, la 0,25 USD pe 1W sau chiar mai puțin. Există motive să ne așteptăm că se vor găsi economii suplimentare în următorii câțiva ani. Costuri mai mici ale componentelor, costuri mai mici
condensări coronare– plasmă în regiunile coroanei active, care este de aproximativ trei ori mai densă decât în regiunile înconjurătoare. Există două tipuri de condensări coronare. Permanent (calm). Temperatura medie este de unu și jumătate - două milioane de grade. Cantitatea de materie fierbinte din coroană crește după procese violente nestaționare, în special după erupțiile solare. În imaginile cu rezoluție spațială mare ale coroanei, condensările coronale sunt văzute ca o colecție de bucle care pot avea o înălțime de până la 100.000 km (dimensiunea lor este legată de dimensiunea grupurilor de pete solare asociate). Condensurile există de câteva zile. Cu cât strălucirea condensului în linia coronară verde este mai puternică, cu atât durata lor de viață este mai lungă. Uneori supraviețuiesc petele lor respective. Materialul coroanei liniştite din afara regiunilor active este, de asemenea, concentrat în bucle mai puţin contrastante. Aceste bucle sunt „grupuri” de linii de câmp magnetic. Buclele separate sunt rupte unele de altele. Motivul pentru aceasta este obstrucția câmpului magnetic la transfer particule elementareși energie peste liniile de forță. În starea de echilibru, densitatea plasmei în buclă se dovedește a fi cu atât mai mare, cu atât este eliberată mai multă energie. Pe lângă cele permanente, există și condensări coronare sporadice, care sunt mult mai dense decât cele permanente și au mai multe temperatura ridicata peste 3 milioane de grade. Ele sunt asociate cu erupțiile solare și nu există mai mult de câteva ore. Condensările sporadice constau din bucle coronare strălucitoare. Acestea sporesc strălucirea liniilor coronale galbene și verzi, precum și a razelor X.
gauri coronale - regiuni ale unei coroane liniştite în care nu există bucle. Găurile coronale sunt caracterizate printr-o configurație magnetică deschisă, cu linii de câmp care se închid departe în spațiul interplanetar și o temperatură relativ scăzută de 600.000 de grade, din care liniile de câmp magnetic ies în spațiu. Această configurație magnetică ("deschisă") permite particulelor să părăsească Soarele nestingherite, astfel încât vântul solar este emis în principal din găurile coronale. Densitatea în aceste regiuni ale coroanei scade și, având în vedere pierderile mari de energie pentru formarea unui flux gaz-dinamic, temperatura se dovedește a fi ceva mai mică decât în buclele coronale convenționale. Aceasta explică luminozitatea mai scăzută a razelor X a găurilor în comparație cu o coroană liniștită. Ele sunt cel mai adesea observate în apropierea minimului de activitate solară. Apoi aria lor scade și la maxim dispar complet. Ele sunt sursa fluxurilor de plasmă solară de mare viteză găsite în vântul solar.
Hotspot-uri- zone în care are loc o modificare a puterii câmpului magnetic al Soarelui și, ca urmare, o mișcare crescută a gazelor, o modificare a naturii acestor mișcări. În aceste zone apar pete, penuri, flocule, proeminențe etc. Regiunile active emit mai multă energie, mai mulți corpusculi, ultraviolete, raze X. În coroană, regiunile active sunt asociate cu manifestări de activitate în straturile subiacente ale atmosferei solare. În coroană se observă condensări coronale și găuri coronare. Structura coroanei este determinată de locația și mișcarea liniilor de câmp magnetic în ea, care antrenează plasma care formează structura coroanei.
Coroana este formată din următoarele părți:
coroana K(corona electronică sau corona continuă). Vizibilă ca lumina albă a fotosferei, împrăștiată de electroni de înaltă energie la o temperatură de aproximativ un milion de grade. K-corona este eterogenă, conține diverse structuri precum fluxuri, foci, pene și raze. Pe măsură ce electronii se deplasează înăuntru de mare viteză, liniile Fraunhofer din spectrul luminii reflectate sunt șterse.
coroana F(Fraunhofer corona sau dust corona) - lumina fotosferei împrăștiată de particulele de praf mai lente care se mișcă în jurul Soarelui. Liniile Fraunhofer sunt vizibile în spectru. Continuarea coroanei F în spațiul interplanetar este observată ca lumină zodiacală.
E-coronă(corona liniilor de emisie) este formată de lumină în linii de emisie discrete de atomi puternic ionizați, în special fier și calciu. Se găsește la o distanță de două raze solare. Această parte a coroanei emite și în intervalele extreme de raze X ultraviolete și moi ale spectrului.
linii Fraunhofer - Liniile de absorbție întunecate în spectrul Soarelui și, prin analogie, în spectrul oricărei stele. Pentru prima dată au fost identificate astfel de linii Joseph von Fraunhofer(1787-1826), care a marcat cele mai vizibile linii cu litere ale alfabetului latin. Unele dintre aceste simboluri sunt încă folosite în fizică și astronomie, în special liniile D de sodiu și liniile H și K de calciu.
| Notația originală a lui Fraunhofer (1817) pentru liniile de absorbție în spectrul solar | ||
| Scrisoare | lungime de unda (nm) | Origine chimică |
| A | 759,37 | O2 atmosferic |
| B | 686,72 | O2 atmosferic |
| C | 656,28 | Hidrogenul α |
| D1 | 589,59 | sodiu neutru |
| D2 | 589,00 | sodiu neutru |
| D3 | 587,56 | heliu neutru |
| E | 526,96 | fier neutru |
| F | 486,13 | Hidrogen β |
| G | 431,42 | molecula CH |
| H | 396,85 | Calciu ionizat |
| K | 393,37 | Calciu ionizat |
Linii coronale- linii interzise în spectrele de Fe, Ni, Ca, Al și alte elemente ionizate multiplicat, apar în coroana solară și indică o temperatură ridicată (aproximativ 1,5 milioane K) a coroanei.
ejecție de masă coronară(VKM) - erupția materiei din coroana solară în spațiul interplanetar. ECM este asociat cu caracteristicile câmpului magnetic solar. În perioadele de mare activitate solară, în fiecare zi au loc una sau două ejecții, care au loc la diferite latitudini solare. În perioadele de soare liniștit, ele apar mult mai puțin frecvent (aproximativ o dată la 3-10 zile) și sunt limitate la latitudini inferioare. Viteza medie a ejecției variază de la 200 km/sec la activitate minimă până la valori de aproximativ două ori mai mari decât la activitatea maximă. Cele mai multe ejecții nu sunt însoțite de erupții, iar atunci când apar erupții, acestea încep de obicei după debutul ECM. ECM-urile sunt cele mai puternice dintre toate procesele solare non-staționare și au un efect semnificativ asupra vântului solar. ECM-urile mari orientate în planul orbitei Pământului sunt responsabile pentru furtunile geomagnetice.
vânt însorit- un flux de particule (în principal protoni și electroni) care curge din Soare cu o viteză de până la 900 km/sec. Vântul solar este de fapt o coroană solară fierbinte care se propagă în spațiul interplanetar. Teoretic, acest fenomen a fost prezis de fizicianul american E. Parker și confirmat experimental folosind instrumente instalate pe navele spațiale sovietice Luna-2 și Luna-3, care au detectat fluxuri de particule încărcate în spațiul interplanetar. Corona se extinde neuniform în toate direcțiile spațiului, viteza de expansiune a acesteia, sau viteza vântului solar, variază de la 300 km/s la 1.500 km/s, în funcție de procesele care au loc la Soare. Sursele vântului solar de mare viteză sunt găurile coronale - regiuni cu densitate scăzută care apar deasupra suprafeței unde câmpul magnetic al Soarelui se deschide în spațiul interplanetar. În timpul minimului solar, găurile coronale apar de obicei peste polii Soarelui și se extind pe distanțe foarte mari. La nivelul orbitei Pământului, viteza medie a particulelor vântului solar (protoni și electroni) este de aproximativ 400 km/s, numărul particulelor este de 108-109 cm3/s. Numărul lor crește brusc după erupțiile solare, mai ales după cele puternice. Ei poartă cu ei un câmp magnetic și se mișcă nu de-a lungul razei soarelui, ci în spirale. Turbulența plasmatică și deformarea câmpului magnetic sunt observate în fluxurile acestei radiații. Vântul solar are un efect vizibil asupra tuturor planetelor; el, ca o bandă transportoare, transferă consecințele evenimentelor care au loc pe suprafața solară în spațiul interplanetar. Când se ciocnește cu un corp ceresc îndepărtat, provoacă o modificare a proprietăților electrice în spațiul din jurul său, care poate avea efecte semnificative asupra atmosferei planetelor și mai ales asupra propriului câmp magnetic, dacă este cazul. O mulțime de informații noi despre vântul solar au fost găsite de stația spațială internațională SOHO. S-a dovedit că poartă elemente precum nichel, fier, siliciu, sulf, calciu, crom.
Sursa de informații: Osadchy Gennady Borisovich
Postat pe 22.10.2012
Pentru a determina factorii principali și secundari care afectează eficiența stocării energiei solare de către un iaz de sare solară, modulul de bază al unui număr de sisteme și instalații de surse regenerabile de energie (SRE), să ne întoarcem la Figura 1 - care arată paralel și secvenţial avansarea căldurii Soarelui la saramura fierbinte a iazului de sare solară. Precum și schimbările continue ale valorilor diferite feluri radiația solară și valoarea lor totală pe parcurs.
Figura 1 - Histograma modificărilor intensității radiației solare (energiei) pe drumul spre saramura fierbinte a iazului de sare solară.
Pentru a evalua eficacitatea utilizării active a diferitelor tipuri de radiații solare, vom determina care dintre factorii naturali, tehnologici și operaționali au un efect pozitiv și care efect negativ asupra concentrației (creșterii debitului) radiației solare în iaz și acumularea acestuia cu saramură fierbinte.
Pământul și atmosfera primesc de la Soare 1,3∙10 24 cal de căldură pe an. Se măsoară prin intensitate, adică cantitatea de energie radiantă (în calorii) care vine de la Soare pe unitatea de timp către suprafața perpendiculară pe razele soarelui.
Energia radiantă a Soarelui ajunge pe Pământ sub formă de radiație directă și împrăștiată, adică. total. Este absorbit de suprafața pământului și nu este complet transformat în căldură, o parte din ea se pierde sub formă de radiație reflectată.
Radiațiile directe și împrăștiate (totale), reflectate și absorbite aparțin părții de unde scurte a spectrului. Odată cu radiația cu undă scurtă, radiația cu undă lungă din atmosferă (radiația inversă) intră pe suprafața pământului, la rândul său, suprafața pământului emite radiații cu undă lungă (autoradiație).
Radiația solară directă se referă la principalul factor natural în furnizarea de energie la suprafața apei a unui iaz de sare solară.
Radiația solară care ajunge la suprafața activă sub forma unui fascicul de raze paralele care emană direct de pe discul solar se numește radiație solară directă.
Radiația solară directă aparține părții cu unde scurte a spectrului (cu lungimi de undă λ ale undelor de la 0,17 la 4 microni, de fapt, razele cu o lungime de undă de 0,29 microni ajung la suprafața pământului).
Spectrul solar poate fi împărțit în trei domenii principale:
Radiația ultravioletă (λ< 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.
Regiunea ultravioletă cu unde scurte (λ< 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О2, О3, О, N2 и их ионами;
Aproape domeniul ultraviolet (0,29 µm< λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;
Radiația vizibilă (0,4 µm< λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.
Atmosfera limpede transmite radiația vizibilă aproape complet și devine o „fereastră” deschisă pentru ca acest tip de energie solară să treacă pe Pământ. Prezența aerosolilor și a poluării atmosferice pot fi motivele pentru absorbția semnificativă a radiațiilor în acest spectru.
Radiație infraroșie (λ > 0,7 µm) - 46% intensitate. Infraroșu apropiat (0,7 µm<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 %.
La lungimi de undă mai mari de 2,5 microni, radiația extraterestră slabă este absorbită intens de CO2 și apă, astfel încât doar o mică parte din această gamă de energie solară ajunge la suprafața Pământului.
Intervalul infraroșu îndepărtat (λ > 12 μm) al radiației solare practic nu ajunge pe Pământ.
Din punctul de vedere al utilizării energiei solare pe Pământ, trebuie luate în considerare doar radiațiile în intervalul de lungimi de undă de 0,29 - 2,5 μm.
Cea mai mare parte a energiei solare din afara atmosferei se află în intervalul de lungimi de undă de 0,2 - 4 microni, iar pe suprafața Pământului - în intervalul de lungimi de undă de 0,29 - 2,5 microni.
Să vedem cum sunt redistribuite vedere generala, fluxuri de energie pe care Soarele le dă Pământului. Să luăm 100 de unități arbitrare de energie solară (1,36 kW/m 2 ) care cad pe Pământ și să le urmăm căile în atmosferă. Un procent (13,6 W/m2), ultravioletul scurt al spectrului solar, este absorbit de moleculele din exosferă și termosferă, încălzindu-le. Alte trei procente (40,8 W/m2) din ultravioletul apropiat sunt absorbite de ozonul stratosferei.
Coada infraroșu a spectrului solar (4% sau 54,4 W/m 2) rămâne în straturile superioare ale troposferei conținând vapori de apă (practic nu există vapori de apă deasupra).
Restul de 92 de cote de energie solară (1,25 kW/m 2) cad pe „fereastra de transparență” a atmosferei de 0,29 microni.<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.
Puterea luminii împrăștiată în atmosferă (doar 48 de părți sau 652,8 W/m2) este parțial absorbită de aceasta (10 părți sau 136 W/m2), iar restul este distribuit între suprafața Pământului și spațiu. Mai mult merge în spațiu decât ajunge la suprafață, 30 de acțiuni (408 W / m 2) în sus, 8 acțiuni (108,8 W / m 2) în jos.
Aceasta a fost imaginea generală, mediată, a redistribuirii energiei solare în atmosfera Pământului. Cu toate acestea, nu permite rezolvarea unor probleme speciale de utilizare a energiei solare pentru a satisface nevoile unei persoane într-o anumită zonă a reședinței și a muncii sale și iată de ce.
Atmosfera Pământului reflectă mai bine razele oblice ale soarelui, astfel încât insolația orară la ecuator și la latitudini medii este mult mai mare decât la latitudini mari.
Înălțimile Soarelui (altitudini deasupra orizontului) de 90, 30, 20 și 12 ⁰ (masa aerului (optică) (m) a atmosferei corespunde cu 1, 2, 3 și 5) cu o atmosferă fără nori corespunde la o intensitate de aproximativ 900, 750, 600 și 400 W/m 2 (la 42 ⁰ - m = 1,5, și la 15 ⁰ - m = 4). În realitate, energia totală a radiației incidente depășește valorile indicate, deoarece include nu numai componenta directă, ci și valoarea componentei împrăștiate a intensității radiației împrăștiate la masele de aer 1, 2, 3 și 5. suprafata orizontalaîn aceste condiții, respectiv, este egală cu 110, 90, 70 și 50 W/m 2 (cu un coeficient de 0,3 - 0,7 pentru planul vertical, deoarece doar jumătate din cer este vizibilă). În plus, în zonele cerului apropiate de Soare, există un „halou circumsolar” pe o rază de ≈ 5⁰.
Tabelul 1 prezintă date privind insolația pentru diferite regiuni ale Pământului.
Tabel 1 - Izolația componentei directe pe regiune pentru o atmosferă curată.
Tabelul 1 arată că cantitatea zilnică de radiație solară este maximă nu la ecuator, ci aproape de 40 ⁰. Un fapt similar este, de asemenea, o consecință a înclinării axei pământului față de planul orbitei sale. În timpul solstițiului de vară, Soarele de la tropice este aproape toată ziua deasupra capului, iar orele de lumină sunt de 13,5 ore, mai mult decât la ecuator în ziua echinocțiului. Odată cu creșterea latitudinii, lungimea zilei crește și, deși intensitatea radiației solare scade, valoarea maximă a insolației diurne apare la o latitudine de aproximativ 40 ⁰ și rămâne aproape constantă (pentru condițiile de cer fără nori) până la Cercul Arctic.
Trebuie subliniat faptul că datele din tabelul 1 sunt valabile doar pentru o atmosferă pură. Luând în considerare înnorabilitatea și poluarea atmosferică cu deșeurile industriale, tipice pentru multe țări ale lumii, valorile date în tabel ar trebui să fie cel puțin înjumătățite. De exemplu, pentru Anglia în anii 70 ai secolului XX, înainte de începerea luptei pentru protecția mediului, cantitatea anuală de radiație solară era de numai 900 kWh/m 2 în loc de 1700 kWh/m 2 .
Primele date despre transparența atmosferei de pe lacul Baikal au fost obținute de V.V. Bufalom în 1964 El a arătat că valorile radiației solare directe peste Baikal sunt în medie cu 13% mai mari decât în Irkutsk. Coeficientul mediu de transparență spectrală al atmosferei în nordul Baikalului vara este de 0,949, 0,906, 0,883 pentru filtrele roșu, verde și, respectiv, albastru. Vara atmosfera este mai instabilă din punct de vedere optic decât iarna, iar această instabilitate variază considerabil de la orele preamiezi până la după-amiază. În funcție de cursul anual de atenuare prin vapori de apă și aerosoli, se modifică și contribuția acestora la atenuarea totală a radiației solare. Aerosolii joacă rolul principal în perioada rece a anului, iar vaporii de apă joacă rolul principal în perioada caldă a anului. Bazinul Baikal și Lacul Baikal se disting printr-o transparență integrală relativ ridicată a atmosferei. Cu o masă optică m = 2, valorile medii ale coeficientului de transparență variază de la 0,73 (vara) la 0,83 (iarna).
Aerosolii reduc semnificativ fluxul de radiație solară directă în zona apei iazului și absorb în principal radiația din spectrul vizibil, cu lungimea de undă care trece liber prin stratul proaspăt al iazului, iar acest lucru este de mare importanță pentru acumularea de energie solară. energie de lângă iaz. (Un strat de apă de 1 cm grosime este practic opac la radiația infraroșie cu o lungime de undă mai mare de 1 micron). Prin urmare, apa cu grosimea de câțiva centimetri este folosită ca filtru de protecție termică. Pentru sticlă, limita de transmisie în infraroșu cu lungime de undă lungă este de 2,7 µm.
Un număr mare de particule de praf, transportate liber în stepă, reduce, de asemenea, transparența atmosferei.
Radiația electromagnetică este emisă de toate corpurile încălzite, iar cu cât corpul este mai rece, cu atât intensitatea radiației este mai mică și cu atât maximul spectrului său este deplasat către regiunea undelor lungi. Există o relație foarte simplă λ max X T = c 1 [c 1 = 0,2898 cm∙deg. (Legea lui Wien)], cu ajutorul căreia este ușor de stabilit unde se află radiația maximă a unui corp cu temperatură T (⁰K). De exemplu, un corp uman cu o temperatură de 37 + 273 = 310 ⁰K emite raze infraroșii cu un maxim apropiat de valoarea λ max = 9,3 µm. Iar pereții, de exemplu, ai unui uscător solar, cu o temperatură de 90 ⁰С, vor emite raze infraroșii cu un maxim apropiat de valoarea λ = 8 μm.
Radiația solară vizibilă (0,4 µm< λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.
La un moment dat, un mare progres a fost trecerea de la o lampă electrică incandescentă cu filament de carbon la o lampă modernă cu filament de wolfram. Chestia este că un filament de carbon poate fi adus la o temperatură de 2100 ⁰K, iar un filament de wolfram - până la 2500 ⁰K. De ce sunt aceste 400 ⁰K atât de importante? Chestia este că scopul unei lămpi cu incandescență nu este de a încălzi, ci de a da lumină. Prin urmare, este necesar să se obțină o astfel de poziție încât maximul curbei să cadă pe studiul vizibil. Ideal ar fi să existe un filament care să reziste la temperatura de pe suprafața Soarelui. Dar chiar și trecerea de la 2100 la 2500 ⁰K crește fracția de energie atribuită radiațiilor vizibile, de la 0,5 la 1,6%.
Toată lumea poate simți razele infraroșii emanate de un corp încălzit la doar 60 - 70 ⁰С prin aducerea palmei de jos (pentru a elimina convecția termică).
Sosirea radiației solare directe în zona de apă a iazului corespunde cu sosirea acesteia pe suprafața orizontală de iradiere. În același timp, cele de mai sus arată incertitudinea caracteristicilor cantitative ale sosirii la un anumit moment în timp, atât sezonier, cât și zilnic. Doar înălțimea Soarelui (masa optică a atmosferei) este o caracteristică constantă.
Acumularea radiației solare de către suprafața pământului și iaz diferă semnificativ.
Suprafețele naturale ale Pământului au abilități diferite de reflectare (absorbție). Astfel, suprafețele întunecate (cernoziom, turbării) au o valoare scăzută de albedo de aproximativ 10%. (Albedo-ul unei suprafețe este raportul dintre fluxul de radiație reflectat de această suprafață în spațiul înconjurător și fluxul care a căzut pe ea).
Suprafețele ușoare (nisip alb) au un albedo mare, 35 - 40%. Albedoul suprafețelor ierboase variază de la 15 la 25%.
Albedo-ul coroanei unei păduri de foioase vara este de 14–17%, iar cel al unei păduri de conifere este de 12–15%. Albedo de suprafață scade odată cu creșterea altitudinii solare.
Albedo-ul suprafețelor apei este în intervalul 3 - 45%, în funcție de înălțimea Soarelui și de gradul de excitare.
Cu o suprafață de apă calmă, albedoul depinde doar de înălțimea Soarelui (Figura 2).
Figura 2 - Dependența coeficientului de reflexie a radiației solare pentru o suprafață de apă calmă de înălțimea Soarelui.
Intrarea radiației solare și trecerea acesteia printr-un strat de apă are propriile sale caracteristici.
În general, proprietățile optice ale apei (soluțiile sale) în regiunea vizibilă a radiației solare sunt prezentate în Figura 3.
F o- fluxul (puterea) radiaţiei incidente;
F neg- fluxul de radiatii reflectat de suprafata apei;
F absorb este fluxul de radiații absorbit de masa de apă;
F pr este fluxul de radiație care a trecut prin masa de apă.
Coeficientul de reflexie al corpului p \u003d F neg /F o;
Coeficient de absorbție a \u003d F podea / F o;
Transmisie h \u003d F pr / F o;
Figura 3 - Proprietățile optice ale apei (soluțiile sale) în regiunea vizibilă a radiației solare
Pe limita plană a două medii, aer - apă, se observă fenomenele de reflexie și refracție a luminii.
Când lumina este reflectată, fasciculul incident, fasciculul reflectat și perpendiculara pe suprafața reflectantă, restaurate în punctul de incidență al fasciculului, se află în același plan, iar unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidență. În cazul refracției, fasciculul incident, perpendiculara restabilită în punctul de incidență a fasciculului la interfața dintre două medii și fasciculul refractat se află în același plan. Unghiul de incidență a și unghiul de refracție B (Figura 4) sunt legate sin a / sin B = n 2, unde n 2 este indicele de refracție absolut al celui de-al doilea mediu, n 1 - primul. Deoarece pentru aer n \u003d 1, atunci formula va lua forma sin a / sin B \u003d n 2.
Figura 4 - Refracția razelor în timpul trecerii de la aer la apă
Când razele trec din aer în apă, ele se apropie de „perpendiculara de incidență”; de exemplu, un fascicul incident asupra apei la un unghi pe perpendiculara pe suprafața apei intră în ea deja sub un unghi care este mai mic decât (Fig. 4a). Dar când un fascicul incident, alunecând peste suprafața apei, cade pe suprafața apei aproape la un unghi drept față de perpendiculară, de exemplu, la un unghi de 89 ⁰ sau mai puțin, atunci intră în apă la un unghi mai mic decât o linie dreaptă și anume sub un unghi de numai 48,5 ⁰. La un unghi mai mare față de perpendiculară decât 48,5 ⁰, fasciculul nu poate intra în apă: acesta este unghiul „limitator” pentru apă (Figura 4, b).
În consecință, razele care cad pe apă în diferite unghiuri sunt comprimate sub apă într-un con destul de strâns, cu un unghi de deschidere de 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (Fig. 4c).
În plus, refracția apei depinde de temperatura acesteia (Tabelul 2), dar aceste modificări nu sunt atât de semnificative încât să nu poată fi de interes pentru practica ingineriei pe tema luată în considerare.
Tabelul 2 - Indicele de refracție al apei la diferite temperaturi t
Să urmărim acum cursul razelor care se întorc (din punctul P) - de la apă la aer (Figura 5). Conform legilor opticii, traseele vor fi aceleași, iar toate razele conținute în conul de 97 de grade menționat vor merge în aer sub unghiuri diferite, răspândindu-se pe întreg spațiul de 180 de grade deasupra apei.
Razele subacvatice care se află în afara unghiului menționat (97 de grade) nu vor ieși de sub apă, ci vor fi reflectate în întregime de la suprafața acesteia, ca dintr-o oglindă.
Dacă 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 există doar un fascicul reflectat, nu există un fascicul refractat (fenomenul de reflexie internă totală).
Orice rază subacvatică care întâlnește suprafața apei la un unghi mai mare decât cel „limitator” (adică mai mare de 48,5 ⁰) nu este refractată, ci reflectată: suferă „reflexie internă totală”. Reflecția este numită în acest caz totală deoarece toate razele incidente sunt reflectate aici, în timp ce chiar și cea mai bună oglindă argintie lustruită reflectă doar o parte din razele incidente pe ea, absorbind restul. Apa în aceste condiții este o oglindă ideală. În acest caz, vorbim despre lumina vizibilă. În general vorbind, indicele de refracție al apei, ca și alte substanțe, depinde de lungimea de undă (acest fenomen se numește dispersie). Ca o consecință a acestui fapt, unghiul limitator la care are loc reflexia internă totală nu este același pentru lungimi de undă diferite, dar pentru lumina vizibilă atunci când este reflectată la limita apă-aer, acest unghi se modifică cu mai puțin de 1⁰.
Datorită faptului că la un unghi mai mare față de perpendiculară decât 48,5⁰, raza de soare nu poate intra în apă: acesta este unghiul „limitator” pentru apă (Figura 4, b), apoi masa de apă, în întregul interval de valori de înălțimea Soarelui, nu se schimbă atât de mult nesemnificativ decât aerul - este întotdeauna mai puțin 
Cu toate acestea, deoarece densitatea apei este de 800 de ori mai mare decât densitatea aerului, absorbția radiației solare de către apă se va modifica semnificativ.
În plus, dacă radiația luminoasă trece printr-un mediu transparent, atunci spectrul unei astfel de lumini are unele caracteristici. Anumite linii din el sunt puternic slăbite, adică undele de lungimea corespunzătoare sunt puternic absorbite de mediul luat în considerare. Astfel de spectre sunt numite spectre de absorbție.
Forma spectrului de absorbție depinde de substanța luată în considerare.
Deoarece soluția de sare a unui iaz de sare solară poate conține diferite concentrații de cloruri de sodiu și magneziu și raporturile acestora, nu are sens să vorbim fără ambiguitate despre spectrele de absorbție. Deși cercetările și datele pe această temă abundă.
Deci, de exemplu, studiile efectuate în URSS (Yu. Usmanov) pentru a identifica transmisia radiațiilor de diferite lungimi de undă pentru apă și o soluție de clorură de magneziu de diferite concentrații au obținut următoarele rezultate (Figura 6). Și B. J. Brinkworth arată o dependență grafică a absorbției radiației solare și a densității de flux monocromatic a radiației solare (radiația) în funcție de lungimea de undă (Figura 7).
In consecinta, alimentarea cantitativa cu radiatii solare directe catre saramura fierbinte a iazului, dupa intrarea in apa, va depinde de: densitatea monocromatica a fluxului de radiatii (radiatii) solare; de la înălțimea soarelui. Și, de asemenea, din albedoul suprafeței iazului, din puritatea stratului superior al iazului de sare solară, format din apă dulce, cu o grosime de obicei de 0,1 - 0,3 m, unde amestecul nu poate fi suprimat, compoziția, concentrația și grosimea a soluției în stratul gradient (strat izolator cu concentrația saramură crescând în jos), asupra purității apei și a saramurii.
Figurile 6 și 7 arată că apa are cea mai mare capacitate de transmisie în regiunea vizibilă a spectrului solar. Acesta este un factor foarte favorabil pentru trecerea radiației solare prin stratul proaspăt superior al iazului de sare solară.
Figura 6. Dependență lățime de bandă soluție de clorură de magneziu din concentrație. Figura 7. Absorbția radiației solare în apă.
Bibliografie:
1. Osadchiy G.B. Energia solară, derivatele sale și tehnologiile de utilizare a acestora (Introducere în energia SRE) / G.B. Osadchy. Omsk: IPK Maksheeva E.A., 2010. 572 p.;
2. Twydell J. Surse de energie regenerabilă / J. Twydell, A. Ware. M.: Energoatomizdat, 1990. 392 p.;
3. Duffy J. A. Procese termice folosind energia solară / J. A. Duffy, W. A. Beckman. M.: Mir, 1977. 420 p.;
4. Resursele climatice ale Baikalului și bazinului său /N. P. Ladeyshchikov, Novosibirsk, Nauka, 1976, 318 p.;
5. Pikin S. A. Cristale lichide / S. A. Pikin, L. M. Blinov. M.: Nauka, 1982. 208 p.;
6. Kitaygorodsky A.I. Fizica pentru toată lumea: Fotoni și nuclee / A.I. Kitaygorodsky. M.: Nauka, 1984. 208 p.;
7. Kuhling H. Manual de fizică. / H. Kuhling. M.: Mir, 1982. 520 p.;
8. Enohovici A. S. Manual de fizică și tehnologie / A. S. Enohovici. M.: Educaţie, 1989. 223 p.;
9 . Perelman Ya. I. Fizică distractivă. Cartea 2 / Ya. I. Perelman. M.: Nauka, 1986. 272 p.
| Discutați pe forum |
|
| |
|
Din ce cauze se schimbă când ajunge la suprafața pământului?
Există mai multe astfel de motive.
Se știe că Pământul se învârte în jurul Soarelui nu într-un cerc, ci într-o elipsă. Ca urmare, distanța dintre Pământ și Soare se modifică continuu pe parcursul anului. Cea mai mică distanță este în ianuarie, când Pământul este la periheliu, iar cea mai mare este în iulie, când Pământul este la afeliu.
Din acest motiv, fiecare centimetru pătrat de suprafață, așezat perpendicular pe razele soarelui, va primi în ianuarie radiația solară cu 7 la sută mai mult decât în iulie. Aceste schimbări periodice, repetate de la un an la altul, se pretează la însuși calcul precisși nu sunt necesare măsurători.
Mai mult, în funcție de înălțimea Soarelui deasupra orizontului, lungimea traseului razei solare în atmosferă se modifică foarte semnificativ. Cu cât Soarele este mai jos deasupra orizontului, cu atât mai puțină radiație solară ar trebui să ajungă la suprafața pământului. Cunoscând proprietățile de împrăștiere și absorbție ale așa-numitei atmosfere ideale, adică absolut curată și uscată, este posibil să se calculeze care ar fi radiația de la suprafața pământului în acest caz și să se compare cu aceasta radiația observată în condiții naturale. .
O astfel de comparație este făcută în tabel. 1, care oferă valori pentru altitudini solare de la 5 la 60 de grade.
După cum se poate observa din tabel, prezența chiar și a unei atmosfere ideale are un efect foarte puternic asupra radiației solare: cu cât înălțimea Soarelui este mai mică, cu atât radiația este mai slăbită în mod semnificativ.
Dacă nu ar exista deloc atmosferă, atunci la orice înălțime a Soarelui, am observa întotdeauna aceeași valoare - 1,88 calorii. La o înălțime a Soarelui de 60 de grade, atmosfera ideală slăbește radiația solară cu 0,22 calorii, în timp ce atmosfera reală o slăbește cu încă 0,35 calorii, în principal din cauza conținutului de vapori de apă și praf din atmosfera reală. În acest caz, doar 1,31 calorii ajung la suprafața pământului. La o înălțime a Soarelui de 30 de grade, o atmosferă ideală reduce radiația cu 0,31 calorii, iar 1,11 calorii ajung pe Pământ. La o înălțime a Soarelui de 5 grade, cifrele corespunzătoare vor fi de 0,73 și 0,39 calorii. Atat atenueaza atmosfera radiatia solara!
Pe fig. 5 această proprietate a atmosferei poate fi văzută deosebit de clar. Aici, înălțimile Soarelui sunt reprezentate vertical, iar procentele de atenuare sunt reprezentate orizontal.
Umbrirea orizontală arată atenuarea radiației solare într-o atmosferă ideală, umbrirea oblică arată atenuarea cauzată de vaporii de apă și praful conținute în atmosfera reală, iar umbrirea verticală arată cantitatea de radiație care ajunge în cele din urmă la suprafața pământului.
Din acest grafic se poate observa, de exemplu, că, cu o transparență medie a atmosferei și la o înălțime a Soarelui de 60 de grade, 70 la sută din radiație ajunge la suprafața pământului, la 30 de grade - 60 la sută și la 5 grade - doar 20 la sută.
Desigur, în unele cazuri transparența atmosferei poate diferi semnificativ de medie, mai ales în direcția scăderii acesteia.
Intensitatea radiației incidente pe o suprafață orizontală depinde și de unghiul de incidență a acesteia.
Așa se explică Fig. 6. Să presupunem că o rază de soare cu o secțiune transversală de 1 metru patrat cade pe planul ab sub diferite unghiuri. Gravidă eu când fasciculul cade perpendicular, toată energia conținută în fasciculul solar va fi distribuită pe o suprafață de 1 metru pătrat. Gravidă II razele soarelui cad la un unghi mai mic de 90 de grade; în acest caz, un fascicul de lumină solară a acestuia secțiune transversală, ca și în primul caz, cade pe zonă vg, ceea ce este mai mult ab; prin urmare, va fi necesară o cantitate mai mică de energie pe unitate de suprafață.
Gravidă III razele cad la un unghi și mai mic; aceeași energie radiantă va fi distribuită pe o suprafață și mai mare de, și există o cantitate și mai mică per unitate din ea.
Dacă fasciculul cade la un unghi de 30 de grade, atunci radiația pe unitate de suprafață va fi de 2 ori mai mică decât cu incidența sa normală; la o înălțime a Soarelui de 10 grade, se va dovedi a fi de 6 ori mai puțin, iar la o înălțime de 5 grade - de 12 ori.
De aceea, iarna, la o altitudine joasă a Soarelui, afluxul de radiații este atât de mic. Pe de o parte, scade deoarece razele solare parcurge un drum lung în atmosferă și pierde multă energie pe parcurs; pe de altă parte, radiația în sine cade la un unghi mic. Ambele cauze acţionează în aceeaşi direcţie, iar intensitatea radiaţiei solare este destul de neglijabilă în comparaţie cu vara, iar, în consecinţă, efectul de încălzire este neglijabil; mai ales dacă ții cont și că zilele de iarnă sunt scurte.
Deci, principalii factori care afectează cantitatea de radiație solară care ajunge la suprafața pământului sunt înălțimea Soarelui deasupra orizontului și unghiul de incidență al radiației. Prin urmare, trebuie să ne așteptăm în avans la schimbări semnificative ale radiației solare în funcție de latitudinea locului.
Deoarece observațiile sistematice ale radiației solare au fost făcute acum în multe puncte și de mult timp, este interesant de văzut care sunt cele mai mari valori obținute în acest timp în condiții naturale.
Constanta solară este de 1,88 calorii. Aceasta este cantitatea de radiație în absența unei atmosfere. Cu o atmosferă ideală, la latitudinile mijlocii, în ora de vara, în jurul prânzului radiația ar fi de aproximativ 1,65 calorii.
Ce oferă observațiile directe în condiții naturale?
În tabel. 2 este un rezumat al celor mai mari valori ale radiației solare obținute în urma observațiilor pe o perioadă lungă de timp.
Pe teritoriul URSS, cea mai mare valoare măsurată a radiațiilor (pentru o altitudine mică deasupra nivelului mării) este de 1,51 calorii. A doua coloană de numere arată ce procent de radiație, în comparație cu cel posibil în absența unei atmosfere, a ajuns la suprafața pământului; rezultă că, în cel mai bun caz, doar 80 la sută ajung; 20 la sută nu permite atmosfera. În țările polare, acest procent este doar puțin mai mic (70), ceea ce se explică prin transparența ridicată a atmosferei din Arctica, mai ales având în vedere că înălțimea Soarelui în timpul observațiilor a fost mult mai mică acolo decât în punctele situate mai la sud.
Este destul de firesc ca pe munți și în general în straturile superioare ale atmosferei, intensitatea radiației solare să crească, deoarece masa atmosferei străbătută de razele solare scade. La dezvoltare modernă aviație, s-ar putea aștepta ca numeroase măsurători să se facă la diferite înălțimi, dar, din păcate, nu este cazul: măsurătorile la înălțimi sunt unice. Acest lucru se explică prin complexitatea măsurătorilor actinometrice pe baloane și mai ales pe avioane; în plus, tehnica măsurătorilor la mare altitudine a radiațiilor a fost dezvoltată foarte puțin.
Dacă găsiți o eroare, evidențiați o bucată de text și faceți clic Ctrl+Enter.