Принципы солнечной энергетики

Природа солнечной энергии и её преобразование

Солнечная энергия является возобновляемым источником энергии, который образуется в результате термоядерных реакций на Солнце. В процессе этих реакций водород преобразуется в гелий, что сопровождается выделением колоссального количества энергии в форме электромагнитного излучения.

Это излучение, преодолевая огромные расстояния в космосе, достигает Земли и становится доступным для использования. Солнечное излучение – одно из самых мощных и стабильных источников энергии на Земле, что делает его важной основой для генерации электричества в современных энергетических установках.

Энергия солнечного излучения на уровне Земли может быть преобразована в электрическую и тепловую энергию с помощью специальных технологий: солнечных батарей (фотогальванических панелей) и солнечных коллекторов. Электрическая энергия, получаемая через фотогальванические панели, представляет собой устойчивый и экологически чистый источник энергии, позволяющий не загрязнять окружающую среду и не выбрасывать вредные вещества в атмосферу.

Ключевые термины и понятия

Для лучшего понимания процессов преобразования солнечной энергии рассмотрим несколько ключевых понятий и терминов, которые широко используются в солнечной энергетике.

Солнечная радиация

Солнечная радиация – это энергия, излучаемая Солнцем в виде электромагнитных волн, которая достигает поверхности Земли. Данная радиация охватывает широкий спектр длин волн, от инфракрасного до ультрафиолетового. Однако основной вклад в солнечную радиацию вносят видимый свет и инфракрасное излучение, которые оказывают прямое влияние на работу солнечных панелей и коллекторов.

Солнечная радиация на уровне Земли зависит от множества факторов, таких как время суток, угол падения солнечных лучей, погодные условия и географическое положение. В ясную погоду солнечная радиация достигает своих максимальных значений, а в пасмурные дни – минимальных.

Основные типы солнечной радиации, воздействующей на поверхность Земли:

• Прямая радиация – это солнечное излучение, которое достигает поверхности Земли непосредственно, не преломляясь и не рассеиваясь в атмосфере.
• Рассеянная радиация – это излучение, которое претерпело рассеяние в атмосфере из-за взаимодействия с молекулами воздуха, водяными парами и другими частицами. Даже в облачную погоду часть солнечной радиации достигает Земли, пройдя через облака и туман.
• Отражённая радиация – часть солнечной энергии, которая отражается от различных поверхностей, таких как вода, снег, здания и земля.

Мощность солнечного излучения

Мощность солнечного излучения – это количество энергии, которое солнечное излучение переносит на единицу площади в единицу времени. Она измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Солнечная постоянная, наиболее точное значение которой составляет 1360,8 Вт/м², на уровне Земли изменяется из-за влияния атмосферы и в оптимальных условиях достигает около 1000 Вт/м².

Измерения солнечного излучения позволяют оценить потенциал солнечной энергии для установки солнечных систем. Солнечная постоянная меняется под влиянием солнечной активности, включая количество и площадь солнечных пятен, особенно заметно в рентгеновском и радиодиапазонах.

На Земле мощность солнечного излучения также варьируется из-за эллиптичности орбиты — от 1,412 кВт/м² в январе до 1,321 кВт/м² в июле. Долгосрочные изменения солнечной постоянной влияют на климат: расчёты показывают, что изменение на 1 % приведёт к изменению температуры на 1 - 2  K.

Световая солнечная постоянная, равная около 135000 люксов, измеряется в видимом диапазоне спектра и в англоязычной литературе называется «solar illuminance constant».

Альбедо

Альбедо — это показатель отражательной способности поверхности, выражаемый в виде коэффициента, который показывает, какая часть солнечной энергии отражается от поверхности, а какая поглощается. Чем выше альбедо, тем больше солнечной энергии возвращается обратно в атмосферу и меньше поглощается поверхностью.

Этот коэффициент сильно зависит от типа поверхности и её цвета: например, у снежного покрова альбедо может достигать 0,85–0,90, что означает, что снег отражает 85–90 % солнечного излучения и лишь небольшая часть остаётся поглощенной. Наоборот, у тёмной почвы альбедо гораздо ниже и составляет примерно 0,1–0,2, то есть только 10–20 % солнечной энергии отражается, а основная часть поглощается поверхностью, нагревая её.

Знание и учёт альбедо важны при проектировании солнечных энергетических систем, поскольку они позволяют более точно оценивать количество доступной солнечной энергии, зависящее от окружающих условий и типов поверхностей. Например, в заснеженных районах с высоким альбедо солнечная энергия менее эффективно поглощается поверхностью, чем в областях с более тёмными поверхностями, которые поглощают большую долю солнечного излучения.

Преобразование солнечной энергии

Солнечная энергия может быть преобразована в электрическую и тепловую с использованием различных технологий:

1. Фотогальваническое преобразование – процесс, при котором солнечная энергия преобразуется в электрическую за счет фотогальванического эффекта в полупроводниковых материалах (например, в кремнии). Этот метод широко применяется в солнечных батареях, которые состоят из множества фотогальванических элементов.

При попадании солнечных лучей на полупроводниковый материал, электроны в его атомах переходят на более высокий энергетический уровень, создавая электрическое напряжение. В результате создается постоянный ток, который затем может быть преобразован в переменный и направлен в электрическую сеть или использован для зарядки аккумуляторов.

2. Солнечное тепловое преобразование – метод, при котором солнечная энергия преобразуется в тепловую с помощью солнечных коллекторов. Коллекторы поглощают солнечное излучение и передают тепло носителю (например, воде или антифризу), который затем может использоваться для отопления зданий или нагрева воды. Существуют плоские, вакуумные и концентрирующие солнечные коллекторы, каждый из которых имеет свои особенности и применение.

3. Концентрация солнечной энергии – метод, при котором солнечные лучи фокусируются с помощью зеркал или линз, чтобы достичь высоких температур. Концентрированная солнечная энергия может использоваться для выработки пара, который вращает турбины и генерирует электроэнергию на солнечных тепловых электростанциях (СТЭС).

Смотрите дальше: Использование солнечной энергии, солнечная энергетика - история развития, плюсы и минусы

Андрей Повный