Энергия Солнца

1.

Энергия Солнца

2.

• Источником
энергии
солнечного
излучения
являются
термоядерные реакции, протекающие на Солнце. Солнце
излучает в окружающее пространство поток мощности,
эквивалентный 4·1023 кВт. Вследствие реакций ядерного
синтеза в активном ядре Солнца достигаются температуры
до 1·108 К, спектральное распределение потока излучения
из
ядра
неравномерно.
Это
внешними
неактивными
слоями,
спектральное
распределение
излучение
в
результате
солнечного
становится относительно непрерывным.
поглощается
чего
излучения

3.

• Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн км.
Площадь поверхности Земли, облучаемой Солнцем, составляет около
5e8 кв.км. Поток солнечной радиации, достигающей Земли, по
оценкам экспертов составляет до 1,2·1014 кВт, что значительно
превышает ресурсы всех других возобновляемых источников
энергии (для примера, суммарная мощность всех электростанций
России примерно 2,2·108 кВт).
• Солнечный спектр можно разделить на три основные группы:
ультрафиолетовое излучение (длины волн до 0,4 мкм) – 9 %
интенсивности;
видимое излучение (длины волн от 0,4 мкм до 0,7 мкм) – 45 %
интенсивности;
инфракрасное (тепловое) излучение (длины волн более 0,7 мкм) 46

4.

• Энергия фотонов hv = [эВ], в излучении с длиной волны λ
определяется из соотношения:
• hv= hc/λ,
где h – постоянная Планка, 6,63·10-34 Дж·с; c – скорость
света,
2,99·108 м/с; λ – длина волны, мкм.
• Электрон-вольт – работа, которую необходимо совершить,
чтобы переместить электрон между двумя точками с
разностью потенциалов 1 В. 1 эВ = 1,6·10-19 Дж.

5.

• Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов:
– широты и долготы местности;
– географических и климатических особенностей;
– состояния атмосферы;
– высоты Солнца над горизонтом;
– размещение приемника солнечного излучения на Земле;
– размещение приемника солнечного излучения по отношению к Солнцу и т. д.
• В целом можно выделить как закономерные особенности солнечного излучения, так и существенную долю его случайной
составляющей. Суммарное солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, обычно состоит из трех составляющих:
1. Прямое солнечное излучение, поступающее от Солнца на приемную площадку в виде параллельных лучей.
2. Диффузионное или рассеянное молекулами атмосферных газов и аэрозолей солнечное излучение.
3. Отраженная земной поверхностью доля солнечного излучения.

6.

• Поток солнечного излучения на Земле существенно меняется, достигая
максимума в 2200 (кВт·ч)/(м2·год) для северо-запада США, запада
Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Аравии и
Центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток
солнечного излучения меняется в пределах от 800 до 1400
(кВт·ч)/(м2·год). При этом продолжительность солнечного сияния в
России находится в пределах от 1700 до 2000 часов в год. Максимум
указанных значений на Земле составляет более 3600 часов в год. За год
на всю территорию России поступает солнечной энергии больше, чем
энергии от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.

7.

• Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании
непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.
Использование всего лишь 0,0125 % этого количества энергии Солнца могло
бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а
использование 0,5 % – полностью покрыть потребности на перспективу.
• Препятствие
такой
реализации
-
низкая
интенсивность
солнечного
излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты,
чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более
1250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения собирали за
год
энергию,
необходимую
для
удовлетворения
всех
человечества, нужно разместить их на территории 130 000 км2!
потребностей

8.

• Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам
производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной
энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в
материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи
сырья,
его
обогащения,
получения
материалов,
изготовление
гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.
• Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами,
обходится
намного
дороже,
чем
получаемая
традиционными
способами.
• Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на
опытных
установках
и
станциях,
помогут
технические, но и экономические проблемы.
решить
не
только

9.

• Несмотря на относительно низкую плотность лучистой энергии, солнечная
энергетика интенсивно развивается именно в последние годы. В США
введены 8 крупных солнечных электростанций модульного типа общей
мощностью около 450 МВт, энергия при этом поступает в энергосистемы
штатов.
Мощность
выпущенных
солнечных
фотоэлектрических
преобразователей в мире достигла 300 МВт в год. В настоящее время в
мире работают более 2 млн гелиоустановок теплоснабжения. Площадь
солнечных теплофикационных коллекторов на территории США составляет
10 млн м2, в Японии – 8 млн м2.
• Таким образом, в мире уже сегодня солнечная энергетика весьма
интенсивно
развивается
топливноэнергетическом
и
занимает
комплексе
ряда
заметное
стран.
место
в
Принимаются
на
государственном уровне законы, которые дают существенную поддержку
развитию солнечной энергетики.

10.

Классификация солнечных
энергетических установок
• Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных
энергетических установок, которые можно классифицировать по
следующим признакам:
• – по виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии –
тепло или электричество;
• – по концентрированию энергии – с концентраторами и без
концентраторов;
• – по технической сложности – простые (нагрев воды, сушилки,
нагревательные печи, опреснители и т. д.) и сложные.

11.

• Сложные солнечные энергетические установки можно разделить
на два подвида.
• Первый базируется в основном на системе преобразования
солнечного излучения в тепло, которое далее чаще всего
используется в обычных схемах тепловых электростанций. К
таким
установкам
относятся
электрические
станции,
энергетические
установки
башенные
солнечные
с
пруды,
солнечные
солнечные
параболоцилиндрическими
концентраторами. Сюда же относятся и солнечные коллекторы,
в которых происходит нагрев воды с помощью солнечного
излучения.

12.

• Второй
подвид
базируется
излучения
на
в
солнечных
прямом
энергетических
преобразовании
электроэнергию
установок
солнечного
с
помощью
солнечных
и
в
России
наиболее
вида
солнечных
фотоэлектрических установок.
•В
настоящее
время
перспективными
в
мире
являются
два
энергетических установок:
• – солнечные коллекторы;
• – солнечные фотоэлектрические преобразователи.

13.

Паротурбинные СЭС
Схема СЭС:
1 – гелиостаты; 2 – башня; 3 – солнечный котел; 4 – теплоаккумулятор;
5 – трубопровод острого пара; 6 – трубопровод питательной воды

14.

• На башне 2 установлен котел 3, на котором фокусируется солнечное
излучение, собираемое с нескольких гектаров земной поверхности
зеркалами-гелиостатами.
Гелиостаты
1
отслеживают
движение
Солнца по небосводу. Зеркала каждого гелиостата площадью в
несколько квадратных метров направляют солнечные лучи на стенки
теплообменника котлоагрегата, в котором вырабатывается пар с
температурой до 510 °С. По паропроводу 5 пар направляется в
машинный зал, где электроэнергия производится в традиционном
паротурбинном цикле. Установка имеет накопитель теплоты 4 –
емкость объемом в несколько тыс. м , заполненную щебнем, который
3
нагревается «острым» паром в часы максимума интенсивности
солнечного излучения и отдает теплоту после захода Солнца.

15.

• Ряд паротурбинных СЭС различной мощности построен во
Франции и в Италии. Разрабатываются проекты СЭС с
замкнутыми
газотурбинными
установками,
в
которых
рабочим телом является гелий. Параметры гелиевого
теплоносителя перед турбиной: температура около 600 °С,
давление 0,8 МПа; проектный КПД установок – около 25 %.

16.

Фотоэлектрические
преобразователи
• Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространственным разделением
положительных
и
отрицательных
носителей
заряда
при
поглощении
в
полупроводнике электромагнитного излучения.
• В присутствии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи
электрический
ток.
В местах
переходов
или неоднородностей
материала
существуют внутренние электростатические поля.
• Внутренние
поля
фотоэлементов
на
основе
структур
полупроводник
–
полупроводник или металл – полупроводник создают разность потенциалов около
0,5 В и плотность тока порядка 200 А/м2 при плотности потока солнечного
излучения около 1 кВт/м2.

17.

• Солнечная
батарея
(СБ)
-
это
устройство
для
непосредственного
преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию. В
основе работы солнечной батареи лежит вентильный фотоэффект.
• Вентильный фотоэффект — это явление возникновения электродвижущей
силы (или фотоЭДС) при освещении структуры, состоящей из разнородных
элементов. Составляющими такой структуры могут быть:
•-
металл и полупроводник (контакт Шоттки);
•-
два полупроводника с различным типом проводимости (р-п-переход);
•-
два
полупроводника,
(гетероструктура).
различных
по
химическому
составу

18.

• Впервые это явление было обнаружено в контактах Шоттки на основе
металлической меди и закиси меди (Сu-Сu2О). Однако коэффициент полезного действия
(к.п.д.) таких устройств составлял всего несколько процентов, поэтому широкого
применения они не нашли. Практическое применение солнечные батареи получили,
когда на смену контактам Шоттки пришли сначала германиевые, а затем кремниевые
фотоэлементы с р-n-переходом, имеющие существенно более высокий к.п.д.
• В первую очередь СБ были использованы в качестве электрических генераторов на
космических аппаратах. Уже третий искусственный спутник Земли (1958 г.) снабжался
энергией
от
солнечной
батареи.
В
настоящее
время
СБ
выпускаются
промышленностью, имеют мощность в десятки киловатт, а коэффициент полезного
действия батарей на основе гетероструктур из новых полупроводниковых материалов
достигает 30 %.

19.

Теоретические основы фотоэлектрического преобразования
солнечной энергии. Физические основы вентильного
фотоэффекта
• В основе вентильного фотоэффекта лежат два фундаментальных явления - внутренний
фотоэффект и пространственное разделение разноименных неравновесных носителей заряда.
• Внутренний фотоэффект - это явление генерации неравновесных носителей заряда при облучении
полупроводника электромагнитным излучением с энергией квантов, достаточной для такой
генерации. Другими словами - должно выполняться пороговое условие красной границы
фотоэффекта, т.е. энергия кванта света должна быть больше некоторой характеристической
энергии εкрас
• где h = 6,63 10-34 Дж с - постоянная Планка.

20.

• Максимальный к.п.д. солнечных батарей возможен только в случае
«собственной
фотопроводимости»,
т.е.
ситуации,
когда
при
поглощении кванта света происходит переход электрона из валентной
зоны в зону проводимости и появляется пара неравновесных
носителей заряда - электрон и дырка.
• Эти
неравновесные
носители
заряда
пространственно
не
разделены и фотоЭДС не возникает, пока электрон и дырка не будут
разнесены в пространстве. Эту функцию могут выполнять контакты
между полупроводником и металлом (контакт Шоттки) или между
полупроводниками (p-n-переход, гетероструктура).

21.

• Рассмотрим процесс разделения неравновесных носителей
заряда на р- n-переходе. На рис. 1 показана типичная
конструкция вентильного фотоэлемента с р-п-переходом
(фотодиода) и включение фотоэлемента во внешнюю цепь.

22.

• При контакте материалов с различной величиной работы выхода
инжекция электронов всегда происходит из материала с меньшей работой
выхода в материал с большей работой выхода. В частности, для
полупроводников, отличающихся только типом проводимости, работа
выхода из полупроводника р-типа всегда больше, чем работа выхода из
полупроводника n-типа, и при образовании p-n-перехода электроны
инжектируются из приконтактного слоя электронного полупроводника в
приконтактный слой дырочного полупроводника.
• При этом в n-области создается нескомпенсированный положительный
объемный заряд, образованный ионизированными донорными примесями, а
в p-области - отрицательный объемный заряд, образованный акцепторами,
захватившими инжектированные электроны.

23.

• При освещении р-области излучение поглощается в ней и
генерирует электронно-дырочные пары. Поскольку концентрация
тех и других носителей максимальна у поверхности, они
диффундируют вглубь p-области к р-n-переходу. Электроны
(неосновные носители в p-области) перебрасываются контактным
полем в n-область, заряжая ее отрицательно. Для основных
носителей заряда (в данном случае это дырки) на границе
существует потенциальный барьер, который они не способны
преодолеть и поэтому дырки остаются в p-области, заряжая ее
положительно. Таким образом, электрическое поле контакта
пространственно разделяет неравновесные электроны и дырки,
образующиеся под действием света.

24.

• Попадая в n-область, электроны уменьшают положительный
объемный заряд в ней, а дырки, оставшиеся в p-области,
уменьшают объемный отрицательный заряд. Это равносильно
подаче на р-n-переход прямого смещения φ, понижающего
потенциальный барьер на величину eφ, где е - заряд электрона
(рис. 2).
Рис 2. Освещенный р-n-переход: потенциальный барьер и для электронов, и для дырок
уменьшается на величину фотоЭДС

25.

• Таким образом, солнечный элемент состоит из двух
соединенных между собой кремниевых пластинок. Свет,
падающий
на
верхнюю
пластинку,
выбивает
из
нее
электроны, посылая их на нижнюю пластинку. Так создается
ЭДС элемента. Последовательно соединенные элементы
являются
источником
объединенных
постоянного
фотоэлектрических
представляют собой солнечную батарею.
тока.
Несколько
преобразователей

26.

•В
современных
условиях
эффективность
преобразования
лучистой энергии в электрическую достигает 13…16 %, в
лабораторных
условиях
на
некоторых
полупроводниках
достигнута эффективность 40 %. За последние 40 лет стоимость
кремниевых фотоэлектрических преобразователей снизилась в
100
раз
и
более,
1
кВт
установленной
мощности
на
фотоэлектрических солнечных электростанциях обходится в
1000 долл. и менее.
• Использование фотоэлектрических солнечных электростанций
начиналось с космической техники.