Источники тепла. В жизни атмосферы решающее значение имеет тепловая энергия. Главнейшим источником этой энергии является Солнце. Что же касается теплового излучения Луны, планет и звезд, то оно для Земли настолько ничтожно, что практически его нельзя принимать во внимание. Значительно больше тепловой энергии дает внутреннее тепло Земли. По вычислениям геофизиков, постоянный приток тепла из недр Земли повышает температуру земной поверхности на 0°,1. Но подобный приток тепла все же настолько мал, что принимать его в расчет также нет никакой необходимости. Таким образом, единственным источником тепловой энергии на поверхности Земли можно считать только Солнце.

Солнечная радиация. Солнце, имеющее температуру фотосферы (излучающей поверхности) около 6000°, излучает энергию в пространство во всех направлениях. Часть этой энергии в виде огромного пучка параллельных солнечных лучей попадает на Землю. Солнечная энергия, дошедшая до поверхности Земли в виде прямых лучей Солнца, носит название прямой солнечной радиации. Но не вся солнечная радиация, направленная на Землю, доходит до земной поверхности, так как солнечные лучи, проходя через мощный слой атмосферы, частично поглощаются ею, частично рассеиваются молекулами и взвешенными частичками воздуха, некоторая часть отражается облаками. Та часть солнечной энергии, которая рассеивается в атмосфере, называется рассеянной радиацией. Рассеянная солнечная радиация распространяется в атмосфере и попадает к поверхности Земли. Нами этот вид радиации воспринимается как равномерный дневной свет, когда Солнце полностью закрыто облаками или только что скрылось за горизонтом.

Прямая и рассеянная солнечная радиация, достигнув поверхности Земли, не полностью поглощается ею. Часть солнечной радиации отражается от земной поверхности обратно в атмосферу и находится там в виде потока лучей, так называемой отраженной солнечной радиации.

Состав солнечной радиации весьма сложный, что связано с очень высокой температурой излучающей поверхности Солнца. Условно по длине волн спектр солнечной радиации делят на три части: ультрафиолетовую (η<0,4<μ видимую глазом (η от 0,4μ до 0,76μ) и инфракрасную часть (η >0,76μ). Кроме температуры солнечной фотосферы, на состав солнечной радиации у земной поверхности влияет еще поглощение и рассеивание части солнечных лучей при их прохождении через воздушную оболочку Земли. В связи с этим состав солнечной радиации на верхней границе атмосферы и у поверхности Земли будет неодинаков. На основании теоретических расчетов и наблюдений установлено, что на границе атмосферы на долю ультрафиолетовой радиации приходится 5%, на видимые лучи - 52% и на инфракрасные - 43%. У земной же поверхности (при высоте Солнца 40°) ультрафиолетовые лучи составляют только 1%, видимые - 40%, а инфракрасные - 59%.

Интенсивность солнечной радиации. Под интенсивностью прямой солнечной радиации понимают количество тепла в калориях, получаемого в 1 мин. от лучистой энергии Солнца поверхностью в 1 см 2 , расположенной перпендикулярно к солнечным лучам.

Для измерения интенсивности прямой солнечной радиации применяются специальные приборы - актинометры и пиргелиометры; величина рассеянной радиации определяется пиранометром. Автоматическая регистрация продолжительности действия солнечной радиации производится актинографами и гелиографами. Спектральная интенсивность солнечной радиации определяется спектроболографом.

На границе атмосферы, где исключено поглощающее и рассеивающее воздействие воздушной оболочки Земли, интенсивность прямой солнечной радиации равна приблизительно 2 кал на 1 см 2 поверхности в 1 мин. Эта величина носит название солнечной постоянной. Интенсивность солнечной радиации в 2 кал на 1 см 2 в 1 мин. дает такое большое количество тепла в течение года, что его хватило бы, чтобы расплавить слой льда в 35 м толщиной, если бы такой слой покрывал всю земную поверхность.

Многочисленные измерения интенсивности солнечной радиации дают основание полагать, что количество солнечной энергии, приходящее к верхней границе атмосферы Земли, испытывает колебания в размере нескольких процентов. Колебания бывают периодические и непериодические, связанные, по-видимому, с процессами, происходящими на самом Солнце.

Кроме того, некоторое изменение в интенсивности солнечной радиации происходит в течение года благодаря тому, что Земля в годовом своем вращении движется не по окружности, а по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. В связи с этим меняется расстояние от Земли до Солнца и, следовательно, происходит колебание интенсивности солнечной радиации. Наибольшая интенсивность наблюдается около 3 января, когда Земля находится ближе всего от Солнца, а наименьшая около 5 июля, когда Земля удалена от Солнца на максимальное расстояние.

Колебание интенсивности солнечной радиации по этой причине очень невелико и может представлять только теоретический интерес. (Количество энергии при максимальном расстоянии относится к количеству энергии при минимальном расстоянии, как 100: 107, т. е. разница совершенно ничтожна.)

Условия облучения поверхности земного шара. Уже одна только шарообразная форма Земли приводит к тому, что лучистая энергия Солнца распределяется на земной поверхности весьма неравномерно. Так, в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября) только на экваторе в полдень угол падения лучей будет 90° (рис. 30), а по мере приближения к полюсам он будет уменьшаться от 90 до 0°. Таким образом,

если на экваторе количество полученной радиации принять за 1, то на 60-й параллели она выразится в 0,5, а на полюсе будет равна 0.

Земной шар, кроме того, имеет суточное и годовое движение, причем земная ось наклонена к плоскости орбиты на 66°,5. В силу этого наклона между плоскостью экватора и плоскостью орбиты образуется угол в 23°30 г. Это обстоятельство приводит к тому, что углы падения солнечных лучей для одних и тех же широт будут меняться в пределах 47° (23,5+23,5).

В зависимости от времени года меняется не только угол падения лучей, но также продолжительность освещения. Если в тропических странах во все времена года продолжительность дня и ночи приблизительно одинакова, то в полярных странах, наоборот, она очень различна. Так, например, на 70° с. ш. летом Солнце не заходит 65 суток, на 80° с. ш.- 134, а на полюсе -186. В силу этого на Северном полюсе радиация в день летнего солнцестояния (22 июня) на 36% больше, чем на экваторе. Что же касается всего летнего полугодия, то общее количество тепла и света, получаемого полюсом, только на 17% меньше, чем на экваторе. Таким образом, в летнее время в полярных странах продолжительность освещения в значительной мере компенсирует тот недостаток радиации, который является следствием малого угла падения лучей. В зимнее полугодие картина совершенно другая: количество радиации на том же Северном полюсе будет равно 0. В результате за год среднее количество радиации на полюсе оказывается в 2,4 меньше, чем на экваторе. Из всего сказанного следует, что количество солнечной энергии, которое получает Земля путем радиации, определяется углом падения лучей и продолжительностью облучения.

Земная поверхность при отсутствии атмосферы на различных широтах за сутки получала бы следующее количество тепла, выраженное в калориях на 1 см 2 (см. таблицу на стр. 92).

Приведенное в таблице распределение радиации по земной поверхности принято называть солярным климатом. Повторяем, что такое распределение радиации мы имеем только у верхней границы атмосферы.

Ослабление солнечной радиации в атмосфере. До сих пор мы говорили об условиях распределения солнечного тепла по земной поверхности, не принимая во внимание атмосферы. Между тем атмосфера в данном случае имеет огромное значение. Солнечная радиация, проходя через атмосферу, испытывает рассеивание и, кроме того, поглощение. Оба эти процесса вместе ослабляют солнечную радиацию в значительной степени.

Солнечные лучи, проходя через атмосферу, прежде всего испытывают рассеивание (диффузию). Рассеивание создается тем, что лучи света, преломляясь и отражаясь от молекул воздуха и частичек твердых и жидких тел, находящихся в воздухе, отклоняются от прямого пути к действительно «рассеиваются».

Рассеивание сильно ослабляет солнечную радиацию. При увеличений количества водяных паров и особенно пылевых частиц рассеивание увеличивается и радиация ослабляется. В больших городах и пустынных областях, где запыленность воздуха наибольшая, рассеивание ослабляет силу радиации на 30-45%. Благодаря рассеиванию получается тот дневной свет, который освещает предметы, если даже на них непосредственно солнечные лучи не падают. Рассеивание обусловливает и самый цвет неба.

Остановимся теперь на способности атмосферы поглощать лучистую энергию Солнца. Основные газы, входящие в состав атмосферы, поглощают лучистую энергию сравнительно очень мало. Примеси же (водяной пар, озон, углекислый газ и пыль), наоборот, отличаются большой поглотительной способностью.

В тропосфере наиболее значительную примесь составляют водяные пары. Они особенно сильно поглощают инфракрасные (длинноволновые), т. е. преимущественно тепловые лучи. И чем больше водяных паров в атмосфере, тем естественно больше и. поглощение. Количество же водяных паров в атмосфере подвержено большим изменениям. В естественных условиях оно меняется от 0,01 до 4% (по объему).

Очень большой поглотительной способностью отличается озон. Значительная примесь озона, как уже говорилось, находится в нижних слоях стратосферы (над тропопаузой). Озон поглощает ультрафиолетовые (коротковолновые) лучи почти полностью.

Большой поглотительной способностью отличается также и углекислый газ. Он поглощает главным образом длинноволновые, т. е. преимущественно тепловые лучи.

Пыль, находящаяся в воздухе, также поглощает некоторое количество солнечной радиации. Нагреваясь под действием солнечных лучей, она может заметно повысить температуру воздуха.

Из общего количества солнечной энергии, приходящей к Земле, атмосфера поглощает всего около 15%.

Ослабление солнечной радиации путем рассеивания и поглощения атмосферой для различных широт Земли очень различно. Это различие зависит прежде всего от угла падения лучей. При зенитном положении Солнца лучи, падая вертикально, пересекают атмосферу кратчайшим путем. С уменьшением угла падения путь лучей удлиняется и ослабление солнечной радиации становится более значительным. Последнее хорошо видно по чертежу (рис. 31) и приложенной таблице (в таблице величина пути солнечного луча при зенитном положении Солнца принята за единицу).

В зависимости от угла падения лучей изменяется не только количество лучей, но также и их качество. В период, когда Солнце находится в зените (над головой), на ультрафиолетовые лучи приходится 4%, на

видимые - 44% и инфракрасные - 52%. При положении Солнца у горизонта ультрафиолетовых лучей совсем нет, видимых 28% и инфракрасных 72%.

Сложность влияния атмосферы на солнечную радиацию усугубляется еще тем, что пропускная ее способность очень сильно меняется в зависимости от времени года и состояния погоды. Так, если бы небо все время оставалось безоблачным, то годовой ход притока солнечной радиации на различных широтах можно было бы графически выразить следующим образом (рис. ,32) Из чертежа ясно видно, что при безоблачном небе в Москве в мае, июне и июле тепла от солнечной радиации получалось бы больше, чем на экваторе. Точно так же во вторую половину мая, в июне и первой половине июля на Северном полюсе тепла получалось бы больше, чем на экваторе и в Москве. Повторяем, что так было бы при безоблачном небе. Но на самом деле этого не получается, потому что облачность в значительной мере ослабляет солнечную радиацию. Приведем пример, изображенный на графике (рис. 33). На графике видно, как много солнечной радиации не доходит до поверхности Земли: значительная часть ее задерживается атмосферой и облаками.

Однако нужно сказать, что тепло, поглощенное облаками, частью идет на нагревание атмосферы, а частью косвенным образом достигает и земной поверхности.

Суточный и годовой ход интенсивности сол нечной радиации. Интенсивность прямой солнечной радиации у поверхности Земли зависит от высоты Солнца над горизонтом и от состояния атмосферы (от ее запыленности). Если бы. прозрачность атмосферы в течение суток была постоянная, то максимальная интенсивность солнечной радиации наблюдалась бы в полдень, а минимальная - при восходе и заходе Солнца. В этом случае график хода суточной интенсивности солнечной радиации был бы симметричным относительно полдня.

Содержание пыли, водяного пара и других примесей в атмосфере непрерывно меняется. В связи с этим меняется прозрачность воздуха и нарушается симметричность графика хода интенсивности солнечной радиации. Нередко, особенно в летний период, в полуденное время, когда происходит усиленное нагревание земной поверхности, возникают мощные восходящие токи воздуха, увеличивается количество водяного пара и пыли в атмосфере. Это приводит к значительному ослаблению солнечной радиации в полдень; максимум интенсивности радиации в этом случае наблюдается в дополуденные или послеполуденные часы. Годовой ход интенсивности солнечной радиации также связан с изменениями высоты Солнца над горизонтом в течение года и с состоянием прозрачности атмосферы в различные сезоны. В странах северного полушария наибольшая высота Солнца над горизонтом бывает в июне месяце. Но в это же время наблюдается и наибольшая запыленность атмосферы. Поэтому максимальная интенсивность обычно приходится не на середину лета, а на весенние месяцы, когда Солнце довольно высоко* поднимается над горизонтом, а атмосфера после зимы остается еще сравнительно чистой. Для иллюстрации годового хода интенсивности солнечной радиации в северном полушарии приводим данные среднемесячных полуденных величин интенсивности радиации в Павловске.

Сумма тепла солнечной радиации. Поверхность Земли в течение дня непрерывно получает тепло от прямой и рассеянной солнечной радиации или только от рассеянной радиации (при пасмурной погоде). Определяют суточную величину тепла на основании актинометрических наблюдений: по учету количества прямой и рассеянной радиации, поступившей на земную поверхность. Определив сумму тепла за каждые сутки, вычисляют и количество тепла, получаемого земной поверхностью за месяц или за год.

Суточное количество тепла, получаемого земной поверхностью от солнечной радиации, зависит от интенсивности радиации и от продолжительности ее действия в течение суток. В связи с этим минимум притока тепла приходится на зиму, а максимум на лето. В географическом распределении суммарной радиации по земному шару наблюдается ее увеличение с уменьшением широты местности. Это положение подтверждается следующей таблицей.

Роль прямой и рассеянной радиации в годовом количестве тепла, получаемом земной поверхностью на разных широтах земного шара, неодинакова. В высоких широтах в годовой сумме тепла преобладает рассеянная радиация. С уменьшением широты преобладающее значение переходит к прямой солнечной радиации. Так, например, в бухте Тихой рассеянная солнечная радиация дает 70% годовой суммы тепла, а прямая радиация только 30%. В Ташкенте, наоборот, прямая солнечная радиация дает 70%, рассеянная только 30%.

Отражательная способность Земли. Альбедо. Как уже указывалось, поверхность Земли поглощает только часть солнечной энергии, поступающей к ней в виде прямой и рассеянной радиации. Другая часть отражается в атмосферу. Отношение величины солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к величине потока лучистой энергии, падающей на эту поверхность, называется альбедо. Альбедо выражается в процентах и характеризует отражательную способность данного участка поверхности.

Альбедо зависит от характера поверхности (свойства почвы, наличия снега, растительности, воды и т. д.) и от величины угла падения лучей Солнца на поверхность Земли. Так, например, если лучи падают на земную поверхность под углом в 45°, то:

Из приведенных примеров видно, что отражающая способность у различных предметов неодинакова. Она всего больше у снега и меньше всего у воды. Однако взятые нами примеры относятся лишь к тем случаям, когда высота Солнца над горизонтом равна 45°. При уменьшении же этого угла отражающая способность увеличивается. Так, например, пои высоте Солнца в 90° вода отражает только 2%, при 50° - 4%, при 20°-12%, при 5° - 35-70% (в зависимости от состояния водной поверхности).

В среднем при безоблачном небе поверхность земного шара отражает 8% солнечной радиации. Кроме того, 9% отражает атмосфера. Таким образом, земной шар в целом при безоблачном небе отражает 17% падающей на него лучистой энергии Солнца. Если же небо покрыто облаками, то от них отражается 78% радиации. Если взять естественные условия, исходя из того соотношения между безоблачным небом и небом, покрытым облаками, которое наблюдается в действительности, то отражательная способность Земли в целом равна 43%.

Земная и атмосферная радиация. Земля, получая солнечную энергию, нагревается и сама становится источником излучения тепла в мировое пространство. Однако лучи, испускаемые земной поверхностью, резко отличаются от солнечных лучей. Земля излучает лишь длинноволновые (λ 8-14 μ) невидимые инфракрасные (тепловые) лучи. Энергия, излучаемая земной поверхностью, называется земной радиацией. Излучение Земли происходит и. днем и ночью. Интенсивность излучения тем больше, чем выше температура излучающего тела. Земное излучение определяется в тех же единицах, что и солнечное, т. е. в калориях с 1 см 2 поверхности в 1 мин. Наблюдения показали, что величина земного излучения невелика. Обычно она достигает 15-18 сотых калории. Но, действуя непрерывно, она может дать значительный тепловой эффект.

Наиболее сильное земное излучение получается при безоблачном небе и хорошей прозрачности атмосферы. Облачность (особенно низкие облака) значительно уменьшает земное излучение и часто доводит его до нуля. Здесь можно сказать, что атмосфера вместе с облаками является хорошим «одеялом», предохраняющим Землю от чрезмерного остывания. Части атмосферы подобно участкам земной поверхности излучают энергию в соответствии с их температурой. Эта энергия носит название атмосферной радиации. Интенсивность атмосферной радиации зависит от температуры излучающего участка атмосферы, а также от количества водяных паров и углекислого газа, содержащихся в воздухе. Атмосферная радиация относится к труппе длинноволновой. Распространяется она в атмосфере во всех направлениях; некоторое количество ее достигает земной поверхности и поглощается ею, другая часть уходит в межпланетное пространство.

О приходе и расходе энергии Солнца на Земле. Земная поверхность, с одной стороны, получает солнечную энергию в виде прямой и рассеянной радиации, а с другой стороны, теряет часть этой энергии в виде земной радиации. В результате прихода и расхода солнечной’ энергии получается какой-то результат. В одних случаях этот результат может быть положительным, в других отрицательным. Приведем примеры того и другого.

8 января. День безоблачный. На 1 см 2 земной поверхности поступило за сутки 20 кал прямой солнечной радиации и 12 кал рассеянной радиации; всего, таким образом, получено 32 кал. За это же время в силу излучения 1 см? земной поверхности потерял 202 кал. В результате, выражаясь языком бухгалтерии, в балансе имеется потеря 170 кал (отрицательный баланс).

6 июля. Небо почти безоблачно. От прямой солнечной радиации получено 630 кал, от рассеянной радиации 46 кал. Всего, следовательно, земная поверхность получила на 1 см 2 676 кал. Путем земного излучения потеряно 173 кал. В балансе прибыль на 503 кал (баланс положительный).

Из приведенных примеров, помимо всего прочего, совершенно ясно, почему в умеренных широтах зимой холодно, а летом тепло.

Использование солнечной радиации для технических и бытовых целей. Солнечная радиация является неисчерпаемым природным источником энергии. О величине солнечной энергии на Земле можно судить по такому примеру: если, например, использовать тепло солнечной радиации, падающей только на 1/10 часть площади СССР, то можно получить энергию, равную работе 30 тыс. Днепрогэсов.

Люди издавна стремились использовать даровую энергию солнечной радиации для своих нужд. К настоящему времени создано много различных гелиотехнических установок, работающих на использовании солнечной радиации и получивших большое применение в промышленности и для удовлетворения бытовых нужд населения. В южных районах СССР в промышленности и в коммунальном хозяйстве на основе широкого использования солнечной радиации работают солнечные водонагреватели, кипятильники, опреснители соленой воды, гелиосушилки (для сушки фруктов), кухни, бани, теплицы, аппараты для лечебных целей. Широко используется солнечная радиация на курортах для лечения и укрепления здоровья людей.

— Источник—

Половинкин, А.А. Основы общего землеведения/ А.А. Половинкин.- М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1958.- 482 с.

Post Views: 469

Разложение на спектр

Солнечный свет это электромагнитное излучение, исходящее от Солнца. На Земле наша атмосфера фильтрует излучение Солнца, защищая нас от вредного излучения и изменяя его цвет.

Откуда он берется?

Давайте посмотрим на все длины волн света в солнечном излучении. Как вы, наверное, знаете, огромная температура и давление в ядре, заставляют превращаться водород в атомы гелия. Часть энергии, из этого слияния, выделяется в форме гамма-лучей. Эти гамма-лучи поглощаются частицами на Солнце, а затем повторно переизлучаются. Фотонам требуется 200.000 лет, чтобы выбраться из ядра в космическое пространство. Поверхность Солнца, называется фотосферой, и именно в фотосфере, свет, наконец, вырывается в космос. Спустя долгое путешествие сквозь Солнце, фотоны теряют энергию и их длина волны изменяется.

Это хорошая новость, иначе развитие жизни на Земле, под постоянным облучением гамма-лучами, было бы затруднительно.

Излучения света Солнца это смесь различных длин волн. Тепло, которое мы ощущаем, это инфракрасное излучение с диапазоном длин волн от 1400 нм до 1 мм. Видимый свет, имеет длину волны от 400 до 700 нм.

В космосе, солнечный свет кажется белым, но здесь, на Земле, мы видим его желтым, потому что наша атмосфера отклоняет синие и фиолетовые фотоны.

Ультрафиолетовое излучение, к счастью, поглощается атмосферой Земли, оно довольно опасно для жизни. Спектр Солнечного света непрерывный, и в нем множество темных линий, вызванных его поглощением в холодных слоях его атмосферы. Вся жизнь на Земле зависит от солнечной радиации. Это основной источник энергии на Земле, он управляет погодой на планете и океанической циркуляцией. Без этого источника энергии, Земля замерзнет.

Протуберанец на поверхности

Излучение Солнца, которое известно как солнечный свет, представляет собой смесь электромагнитных волн, от инфракрасных (ИК) до ультрафиолетовых лучей (UV). Оно включает в себя видимый свет, который находится между ИК и УФ в электромагнитном спектре.

Скорость распространения электромагнитных волн

Все электромагнитные волны (ЭМ) распространяются со скоростью приблизительно 3,0х10*8 м/с в вакууме. Пространство не является идеальным вакуумом, оно, на самом деле, содержит частицы в низкой концентрации, электромагнитные волны, нейтрино и магнитные поля. Поскольку, среднее расстояние между Землей и Солнцем более 149,6 млн. км, то требуется около 8 минут, чтобы излучение добралось до Земли. Солнце светит не только в ИК, видимом и УФ диапазоне. В основном, оно выделяет гамма-лучи высокой энергии.

Однако, фотоны гамма-излучения проходят длинный путь до поверхности, они постоянно поглощаются солнечной плазмой и повторно излучаются с изменением своей частоты.

К тому времени, как они добираются до поверхности, фотоны гамма лучей представляют собой ИК, видимый и УФ спектры. Инфракрасное излучение это тепло которое мы ощущаем. Без него и видимого света, жизнь на Земле была бы невозможна. Во время солнечных вспышек, оно также испускает рентгеновские лучи. Когда электромагнитное излучение Солнца достигает атмосферы Земли, часть его поглощается, в то время, как остальное долетает до поверхности Земли.

В частности, УФ излучение поглощается озоновым слоем и повторно излучается в виде тепла, что приводит к нагреву стратосферы.

Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца очень широк - от радиоволн до рентгеновских лучей. Однако максимум его интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра.

Рис. 4.5. Спектр излучения Солнца, наблюдаемый выше атмосферы Земли и на уровне моря

Особый интерес представляет часть солнечного спектра, включающая электромагнитные поля и излучения с длиной волны выше 100 нм. В этой части солнечного спектра различают три вида излучения:

Ультрафиолетовое (УФ) – с длиной волны 290-400 нм;

Видимое - с длиной волны 400-760 нм;

Инфракрасное (ИК) – с длиной волны 760-2800 нм.

Солнечные лучи, прежде чем достигнуть земной поверхности, должны пройти сквозь мощный слой атмосферы. Солнечное излучение поглощается, рассеивается водяными парами, молекулами газов, частицами пыли и т. д. Около 30 % солнечной радиации не достигает земной поверхности. Так, если на границе земной атмосферы ультрафиолетовая часть солнечного спектра составляет 5 %, видимая часть - 52 % и инфракрасная часть - 43 %, то у поверхности Земли ультрафиолетовая часть составляет 1 %, видимая - 40 % и инфракрасная часть солнечного спектра - 59 %. Некоторые источники информации дают несколько иную картину распределения энергии солнечной радиации на уровне земли: ультрафиолетовое излучение – около 2%, видимая часть спектра – около 49% и инфракрасная зона – тоже около 49%.

Интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли всегда будет меньше уровня солнечной радиации на границе земной атмосферы. Наличие облачного покрова, загрязнения воздуха, дымки или даже рассеянных облаков играет значительную роль в ослаблении солнечного излучения. Зависимость мощности ФЭП от погодных условий представлена на рис. 4. 6 .

Рис. 4. 6. Зависимость мощности ФЭП от погодных условий

При сплошном покрытии неба облаками интенсивность УФ-излучения снижается на 72 %, при половинном покрытии облаками - на 44 %, в экстремальных условиях - более чем на 90 %. Озон и кислород полностью поглощают коротковолновое УФ-излучение (длина волны 290-100 нм), предохраняя все живое от его пагубного воздействия. Молекулы воздуха рассеивают главным образом ультрафиолетовую и синюю части спектра (отсюда голубой цвет неба), поэтому рассеянная радиация богаче УФ-лучами. Когда Солнце находится низко над горизонтом, лучи проходят больший путь, и рассеяние света, в том числе в УФ-диапазоне, увеличивается. Поэтому в полдень Солнце кажется белым, желтым, а затем и оранжевым, так как в прямых солнечных лучах становится меньше ультрафиолета и синих лучей.

Уровень солнечной радиации оценивается по её интенсивности (ватты на единицу поверхности) и тепловому действию (калории на единицу поверхности за единицу времени.

С учетом спектральных характеристик солнечного излучения и состояния технического прогресса в области солнечной энергетики среди существующих способов преобразования энергии солнца можно выделить следующие наиболее распространенные:

– фотоэлектрический;

– гелиотермальный;

– термовоздушный.

4.2.2. Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии .

Принцип действия. Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), рис. 4.7.

Рис. 4.7. Фотоэлектрические приобразователи энергии

Теоретически их предельный коэффициент полезного действия может превышать 90%. Технический прогресс, направленый на снижение необратимых потерь энергии путем оптимизации состава, структуры и других праметоров ФЭП, уже в ближайшие годы позволить поднять практический КПД до 50% и более при уже достигнутом уровне в лабораториях условиях близком 40%. Следует отметить, что основные потери энергии в ФЭП связаны с:

– отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя;

– прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём;

– рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов;

– рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме ФЭП;

– внутренним сопротивлением преобразователя

– и некоторыми другими физическими процессами.

При фотоэлектрическом преобразовании солнечной энергии используется явление фотоэффекта, открытое Герцем. Фотоэффект (photos - с греч. "свет") возникает в результате воздействия солнечного излучения на поверхностные слои полупроводника толщиной примерно 2-3 мкм, высвобождая при этом некоторое количество электронов. С появлением в теле полупроводника свободных электронов и при наличии разности электрических потенциалов в нем возникает электрический ток. Разность потенциалов образуется между облучаемой поверхностью полупроводника и его "теневой" стороной. Основным материалом для получения солнечных элементов в мире сегодня является кремний. Технически чистый кремний (концентрация примесей <1 к млрд.) (как и германий) является диэлектриком. Удельное сопротивление чистого кремния 2500 Ом-м и разность потенциалов в нем возникнуть не может. Она появляется за счет внедрения в его поверхностные слои специальных добавок. При этом в зависимости от концентрации примесных добавок удельное сопротивление снижается до 1-10 Ом-м. Один вид добавок (донор) в виде тонкого слоя наносится на облучаемую поверхность; он образует дополнительные электроны и, следовательно, отрицательный заряд. Другая примесь (акцептор) наносится на теневую сторону. Акцептор способствует появлению дефицита электронов и, следовательно, положительного заряда Положительный и отрицательный заряд создают разность потенциалов. В роли донора электронов могут выступать атомы мышьяка или фосфора, в роли акцептора - атомы бора или брома. Для замыкания тока на внешнюю цепь используются два электрода. Отрицательный электрод выполняется в виде металлической сетки и накладывается на наружную сторону элемента, на внутреннюю сторону напыляется металл, который выполняет функцию положительного электрода.

Фотовольтаический эффект возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n-переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны-энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Принцип работы ФЭП можно пояснить на примере преобразователей с p-n-переходом, которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Принцип работы полупроводниковых фотоэлектрических

преобразователей

Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (т.е. или p- или n-типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p-слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход. Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (т.е. электроны) свободно проходят через переход, а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда- фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП имеется контактная система. На передней, освещённой поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть сплошными.

Типы фотоэлектрических преобразователей энергии солнца. Сегодня можно говорить о трех поколениях фотоэлектрических элементов.

К первому поколению, кристаллическому , относят (рис. 4.9):

– монокристаллические кремниевые ФЭП,

– поликристаллические кремниевые и

– технологии выращивания тонкостенных заготовок - EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), - S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).

Рис. 4. 9. Кристаллические ФЭП

Основным показателем эффективности фотоэлементов является коэффициент полезного действия - отношение количества энергии, поступившей на фотоэлемент, к количеству энергии, получаемой потребителем.

Фотоэлементы массового производства на основе монокристаллического кремния имеют практический КПД 16 - 17%, использующие поликристаллический кремний - 14 - 15%, аморфный кремний - 8 - 9%.

Второе поколение, тонкоплёночное , позволяет получать электроэнергию используя фотоэлементы (рис. 4.10):

– кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);

– на основе теллурида кадмия (CdTe);

– на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S).

Рис. 4.10. Пленочные ФЭП

Технология выпуска тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей (ТП ФЭП) второго поколения подразумевает нанесение слоев вакуумным методом. Вакуумная технология по сравнению с технологией производства кристаллических ФЭП является менее энергозатратной, а также характеризуется меньшим объемом капитальных вложений. Она позволяет выпускать гибкие дешевые ФЭП большой площади, однако коэффициент преобразования таких элементов ниже по сравнению с ФЭП первого поколения.

ТП ФЭП разделяются по типу материала на кремниевые и не-кремниевые. Кремниевые ФЭП могут быть однослойными аморфными (они возникли исторически первыми) или более сложной структуры (например, аморфно-микроморфными), появившимися позднее. ТП ФЭП изготавливаются на твердых или гибких подложках. В последние годы распределение производства ФЭП в мире по типам технологий, определила долю кремниевых ФЭП (моно- и мульти-кремниевых) составившую 86% ТП на аморфном кремнии составили 6%. Оставшаяся часть ФЭП производилась в виде тонких пленок таких материалов как теллурид кадмия (CdTe) – 6%, диселенид меди и индия (CIS/CIGS) – 2%.

Основные преимущества ТП ФЭП, по сравнению с кремниевыми кристаллическими ФЭП, состоят в следующем:

– более низкая удельная стоимость;

– более низкий расход материалов;

– возможность производства устройств больших площадей;

– меньшее количество технологических операций;

– способность принимать рассеянный и слабый солнечный свет (когда солнце, скажем, скрыто за облаками) намного более эффективно, чем кристаллические батареи.

ФЭП третьего поколения:

– элементы, фотосенсибилизованные краситилем (dye-sensitized solar cell, DSC) (рис. 4.11);

– органические (полимерные) ФЭП (OPV) (рис. 4.12 и рис. 4.13);

– неорганические ФЭП (CTZSS);

– ФЭП на основе каскадных структур (рис. 4.14).

Рис. 4.11. ФЭП, фотосенсибилизованные краситилем

Рис. 4. 12. Производство органических полимерных ФЭП

Рис. 4.13. Органические полимерные ФЭП

Рис. 4.14 .ФЭП на основе каскадных структур

Идея создания ФЭП третьего поколения заключалась в дальнейшем снижении себестоимости ФЭП, отказе от использования дорогих и токсичных материалов в пользу дешевых и перерабатываемых полимеров иэлектролитов. Важным отличием также является возможность нанесения слоев печатными методами, например, по технологии «рулон-к-рулону» (R2R).

Мероприятия по совершенствованию ФЭП. С учетом используемых способов преобразования энергии для уменьшения всех видов ее потерь в ФЭП разрабатываются и применяется следующие мероприятия:

– использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;

– направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;

– переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;

– оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);

– применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;

– разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

– создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т.д.

В системах преобразования энергии СЭС (солнечных электростанций) в принципе могут быть использованы любые созданные и разрабатываемые в настоящее время типы ФЭП различной структуры на базе разнообразных полупроводниковых материалов, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

– высокая надёжность при длительном (десятки лет!) ресурсе работы;

– доступность исходных материалов в достаточном для изготовления элементов системы преобразования количестве и возможность организации их массового производства;

– приемлемые с точки зрения сроков окупаемости энергозатраты на создание системы преобразования;

– минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос),включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;

– удобство техобслуживания.

Так, например, некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья и сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплутационных характеристик ФЭП, например, за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т.д. Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например, на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, т.е. фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля батареи в 2-2,5 раза.

В качестве наиболее вероятных материалов для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в настоящее время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.

ФЭП (фотоэлектрические преобразователи) на основе соединения мышьяка с галлием (GaAs), как известно, имеют более высокий, чем кремниевые ФЭП, теоретический КПД, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии =1,4 эВ. У кремниевых этот показатель =1,1 эВ.

Вследствие более высокого уровня поглощения солнечного излучения, определяемого прямыми оптическими переходами в GaAs, высокие КПД ФЭП на их основе могут быть получены при значительно меньшей по сравнению с кремнием толщине ФЭП. Принципиально достаточно иметь толщину ГФП 5-6 мкм для получения КПД порядка не менее 20%, тогда как толщина кремниевых элементов не может быть менее 50-100 мкм без заметного снижения их КПД. Это обстоятельство позволяет рассчитывать на создание лёгких плёночных ГФП, для производства которых потребуется сравнительно мало исходного материала, особенно если в качестве подложки удастся использовать не GaAs, а другой материал, например синтетический сапфир (Al2 O3).

ГФП обладают также более благоприятными с точки зрения требований к преобразователям СЭС эксплутационными характеристиками по сравнению с кремниевыми ФЭП. Так, в частности, возможность достижения малых начальных значений обратных токов насыщения в p-n-переходах благодаря большой ширине запрещённой зоны позволяет свести к минимуму величину отрицательных температурных градиентов КПД и оптимальной мощности ГФП и, кроме того, существенно расширять область линейной зависимости последней от плотности светового потока. Экспериментальные зависимости КПД ГФП от температуры говорят о том, что повышение равновесной температуры последних до 150-180°С не приводит к существенному снижению их КПД и оптимальной удельной мощности. В то же время для кремниевых ФЭП повышение температуры выше 60-70°С является почти критическим - КПД падает вдвое.

Благодаря устойчивости к высоким температурам арсенид-галлиевые ФЭП позволяют применять к ним концентраторы солнечного излучения. Рабочая температура ГФП на GaAs доходит до 180 °С, что уже является вполне рабочими температурами и для тепловых двигателей, паротурбин. Таким образом, к 30-процентному собственному КПД арсенид-галлиевых ГФП (при 150°C) можно прибавить КПД теплового двигателя, использующего сбросовое тепло охлаждающей фотоэлементы жидкости. Поэтому общий КПД установки, которая к тому же использует и третий цикл отбора низкотемпературного тепла у охлаждающей жидкости после турбины на обогрев помещений - может быть даже выше 50-60 %.

Также ГФП на основе GaAs в значительно меньшей степени, чем кремниевые ФЭП, подвержены разрушению потоками протонов и электронов высоких энергий вследствие высокого уровня поглощения света в GaAs, а также малых требуемых значений времени жизни и диффузионной длины неосновных носителей. Более того, эксперименты показали, что значительная часть радиационных дефектов в ГФП на основе GaAs исчезает после их термообработки (отжига) при температуре как раз порядка 150-180 °С. Если ГФП из GaAs будут постоянно работать при температуре порядка 150°С, то степень радиационной деградации их КПД будет относительно небольшой на протяжении всего срока активного функционирования станций (особенно это касается космических солнечных энергоустановок, для которых важен малые вес и размер ФЭП и высокий КПД).

В целом можно заключить, что энергетические, массовые и эксплутационные характеристики ГФП на основе GaAs в большей степени соответствуют требованиям СЭС и СКЭС (космич.), чем характеристики кремниевых ФЭП. Однако кремний является значительно более доступным и освоенным в производстве материалом, чем арсенид галлия. Кремний широко распространён в природе, и запасы исходного сырья для создания ФЭП на его основе практически неограниченны. Технология изготовления кремниевых ФЭП хорошо отработана и непрерывно совершенствуется.

Существует реальная перспектива снижения стоимости кремниевых ФЭП на один - два порядка при внедрении новых автоматизированных методов производства, позволяющих в частности, получать кремниевые ленты, солнечные элементы большой площади и т.п.

В реально действующих структурах с гетеропереходами КПД достигает на сегодняшний день более 30% , а в однородных полупроводниках типа монокристаллического кремния - до 18%. Среднее значение КПД в солнечных батареях на монокристаллическом кремнии сегодня около 12%, хотя достигает и 18%. Именно, в основном, кремниевые СБ можно видеть сегодня на крышах домов разных стран мира.

В отличие от кремния галлий является весьма дефицитным материалом, что ограничивает возможности производства ГФП на основе GaAs в количествах, необходимых для широкого внедрения.

Галлий добывается в основном из бокситов, однако рассматривается также возможность его получения из угольной золы и морской воды. Самые большие запасы галлия содержатся в морской воде, однако его концентрация там весьма невелика, выход при извлечении оценивается величиной всего в 1% и, следовательно, затраты на производство будут, вероятно, чрезмерно большими. Технология производства ГФП на основе GaAs с использованием методов жидкостной и газовой эпитаксии (ориентированного роста одного монокристалла на поверхности другого {на подложке}), не развита ещё до такой степени, как технология производства кремниевых ФЭП и в результате этого стоимость ГФП сейчас существенно выше (на порядки) стоимости ФЭП из кремния.

Стоимость ГФП при их массовом производстве на базе усовершенствованной технологии будет, вероятно, также значительно снижена, и в целом стоимость системы преобразования системы преобразования энергии СЭС на основе ГФП из GaAs может оказаться вполне соизмеримой со стоимостью системы на основе кремния. Таким образом, в настоящее время трудно до конца отдать явное предпочтение одному из двух рассмотренных полупроводниковых материалов - кремнию или арсениду галлия, и лишь дальнейшее развитие технологии их производства покажет, какой вариант окажется более рационален для наземной и космической солнечных энергетики.

Стоимость производства энергии с использованием фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии. Одним из существенных моментов в распространении солнечной энергетики является ее стоимость.

Главный показатель цены фотовольтаических панелей – стоимость за один киловатт установленной мощности.

Это значение последовательно уменьшается год от года на протяжении более 15 последних лет (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Стоимость 1 Вт установленной мощности ФЭП

Стоимость небольших фотоэлектрических систем (менее 500 кВт) для нежилых помещений в 2014 году снизилась на $0,40 за ватт, а стоимость более мощных систем от 500 кВт сократилась на $0,70 за ватт. Уже пятый год подряд отмечается существенное снижение цен на солнечные батареи с установкой. И процесс продолжается: в первом полугодии 2015 года цены упали еще на $0,20-0,50/Вт, то есть на 6-13%. Постоянное снижение цен на фотоэлектрические системы особенно примечательно на фоне относительно стабильной цены на сами PV-модули. На американском рынке цена панелей падает за счет снижения сопутствующих расходов на установку, снижения цен на другие комплектующие (инвертер, стекло, алюминий, провода и проч.) более эффективного дизайна систем, стоимости получения разрешений и инспекций, удешевлению труда рабочих, а также благодаря усилиям компаний по маркетингу и захвату рынка.

В итоге, серьезно снижается стоимость «солнечного электричества», которое вырабатывается на коммерческих солнечных электростанциях. За последние 7-8 лет стоимость упала с $200 за МВт·ч (то есть с 20 центов за кВт·ч) почти до $40 за МВТч (до 4 центов за кВт·ч). Цифры взяты из отчета Национальной лаборатории Лоренса Беркли “Is $50/MWh Solar for Real?”.
Особенно четко падение цен прослеживается, если вывести зависимость не по времени, а по совокупной мощности уже установленных панелей, то есть введенных в строй электростанций. Здесь видно, что падение цен происходит очень стабильно: на каждое удвоение общей мощности цена установки новых панелей снижается на 16%. Это вполне естественный эффект: цены на любой продукт должны снижаться при увеличении объемов продаж.
Отчет “Tracking the Sun” основан на информации, собранной с более чем 400 000 фотоэлектрических систем, установленных на жилых и нежилых помещениях с 1998 по 2014 годы в 42 штатах. Это более 80% всех PV-систем, установленных в стране за данный период.

Если «закон Мура» здесь сохранит свою силу, то к 2020 или 2021 году совокупная мощность всех солнечных электростанций в мире достигнет 600 ГВт, а стоимость электроэнергии без субсидий опустится до 4,5 центов за кВт·ч для самых солнечных территорий (юг США, Австралия, Ближний Восток и др.) и до 6,5 центов за кВтч для умеренно солнечных территорий (Центральная Европа, большая часть территории США).

Каковы сегодня цены на солнечную энергию? По данным американского издания Pv-magazine цены в августе 2016 достигли минимума, а европейские и китайские производители PV-панелей в снижении цен «идут ноздря в ноздрю», конкурируя между собой за потребителя (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Цены на модули из кремния на оптовом рынке ЕС, август 2015 – август 2016 (на 10/08/2016) по происхождению товара

Цены указаны за так называемый «пиковый ватт», или Вт-пик (Wp), то есть за максимально возможную генерируемую мощность. В таблице 4.1. показано сравнение усредненных цен за кремниевые панели разных типов на европейском рынке за июль 2016 г.

Таблица 4.1. Обзор цен PV-модулей в Европе за?/Вт-пик по состоянию на июль 2016 (данные Bloomberg New Energy Finance, pvXchange, США)

«Классические» PV-панели собираются из кремниевых ячеек, сделанных из разных его видов – монокристаллического, поликристаллического, аморфного и т.д.

Эксперты из Института политики Земли (Earth Policy Institute, EPI) и исследовательского центра Bloomberg New Energy Finance (BNEF) подсчитали степень влияния цен на кремниевые панели и взаимосвязь с ростом числа установок солнечной электрогенерации в мире. Диаграмма на рис. 4.17 иллюстрирует, как изменились цены на PV-панели из расчета за $/Вт-пик установленной мощности с 1975 по 2015 г.

Рис. 4.17. История мировых цен на кремниевые PV-панели всех типов

в 1975 – 2015

Взаимное влияние снижения стоимости установленной мощности, себестоимости солнечной электрогенерации и роста числа PV-установок в мире.

За это время стоимость электрогенерации снизилась в более, чем 150 раз (при том, что цена за Вт-пик установленной мощности снизилась > 210 раз), а общее число установок в мире, преобразующих солнечный свет в электричество, выросло в 115 тысяч (!) раз.

Как видно, когда цена солнечных PV-панелей была около $100 за 1 Вт-пик в 1975 г., то общий объем установок в мире составлял всего около 2 МВт. Всего за два года цена упала до $76,67 за 1Вт-пик. С тех пор прошло, в общем-то, совсем немного времени, но теперь всё изменилось. К началу 2016 года среднемировая цена за модуль из кремния за Вт-пик установленной мощности составила около $0,61, а глобальное число установок PV-генерации выросло по экспоненте.

Начиная с 1975 г., стоимость технологии быстро падала. С 1976 до 2008 года цена за 1 Вт-пик мощности модуля упала на 99 %. А с 2008 до 2015-го – еще на 80 %. И только между 2000 и 2005 гг., по оценке BNEF, произошел настоящий прорыв в количестве PV-установок, когда цена за ватт достигла «критической точки» для инвесторов, после чего глобальная установленная мощность быстро достигла уровня 65 ГВт в 2015 г.

Снижение цен и увеличение объемов продаж PV-модулей непосредственно связаны между собой. За последние четыре десятилетия каждое падение цены солнечных панелей примерно на 26 % вызывало удвоение масштабов отрасли мировой солнечной энергетики. Сейчас глобальные инвестиции в отрасль только растут. И это не предел. Это будет продолжаться вплоть до 2030 – 2040 гг. «Инвестиционная усталость», то есть когда прибыльность инвестиций в солнечную энергетику заметно снизится, не грозит еще пару десятилетий.

Все ниже, и ниже, и ниже. «Футуристические» прогнозы BNEF подтверждаются цифрами реальной статистики. В мае 2015 г. были обнародованы исследования Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL, США). Анализ оптовых контрактов продажи солнечной электроэнергии по гарантированной цене (PPA) показал, что еще в январе 2015 г. было заключено 18 таких контрактов на 1,1 ГВт·ч по цене $50/МВт·ч, т.е. всего по 5 центов за 1 кВт·ч, при том, что обычная средняя цена электроэнергии в США за 1 кВт·ч составляет 12 центов.

Это иллюстрирует и падение цен производителей солнечной электроэнергии для крупных коммунальных потребителей. Причем эти «рекорды» быстро устаревают. Например, компания Austin Energy, США, сообщала, что осенью 2014 г. она «подписала рамочное соглашение с First Solar Inc. и Hanwha Q-Cells Corp., США, на 288 МВт полезной потребляемой мощности» электроэнергии, полученной от солнечных установок «при цене ниже 4 цента за кВт·ч». Но уже в конце 2015 г. «городские власти г. Пало-Альто заключили контракт на приобретение электричества из солнечной энергии по $37/МВт·ч», а Bloomberg сообщил, что «энергокомпания Berkshire Hathaway Inc. NV Energy согласилась заплатить 3,87 цента за кВт·ч для мощности от 100 МВт» по проекту, который развивает First Solar Inc., США.

Новые тендеры в Эмиратах выглядят просто ошеломляюще. Администрация по электричеству и воде г. Дубай (Dubai Electricity and Water Authority, DEWA) получила предложение на 800 МВт на поставку фотоэлектричества по 2,99 центов за кВт·ч. Это почти вдвое ниже, чем по заключенному в 2015 г. 25-летнему контракту на 1000 МВт потребляемой мощности по 5,84 цента за кВт·ч. Таким образом, Дубай получил почти двукратное снижение цен на PV-энергию всего за 18 месяцев, причем все эти тендерные предложения были без субсидий и «зеленых тарифов»! И эти цены не являются уникальными. Как сообщил BNEF в апреле 2016 г., коммунальная компания Enel Green Power подписала крупный контракт в Мексике по 3,6 за кВт·ч. Солнечная энергетика уверенно движется к экономической конкурентоспособности с традиционными видами электрогенерации.

Доля в цене. Исполнительный директор крупнейшей в США вертикально интегрированной компании в области солнечной энергетики First Solar Inc. Джим Хьюз, выступая в Edison Electric Institute (EEI), США, с энтузиазмом заявил, что до 2017 г. «мы добьемся полной цены за 1 кВт установленной мощности менее $1!». И вторая новость – «в 2017 году по сравнению с ценой 2015 г. цена солнечных установок упадет еще на 40 %» – прозвучала на Всемирной конференции по будущему энергетики World Energy Future Conference в Абу-Даби тоже в 2015 г. Нет ли тут противоречий с графиками цен на рис.4.16 и 4.17?

Дело в том, что следует различать полную цену установленной мощности всей солнечной установки и цену за установленную мощность кремниевой PV-ячейки или PV-панели. В структуре себестоимости энергетической установки ни ячейка, ни даже панель в сборе с элементами крепления не составляют самую большую статью затрат (рис. 4.18).

Рис. 4.18 Структура себестоимости PV-установки для частного дома в США

Аналитики Deutsche Bank показали, откуда возьмутся эти 40 % падения цены за солнечную электрическую установку в 2017 г. на примере анализа составляющих себестоимости домашней PV-установки для частного дома в США.

Большая часть PV-рынка будет сосредоточена именно на развитии малых домашних систем. Большинство стран мира, где ожидается мировой прирост применения солнечного электричества, пока не обладают мощной сетевой структурой, которая позволит эффективно перераспределять энергию между населенными пунктами или регионами. Это относится даже к США. В Германии ситуация с инфраструктурой лучше. Полная стоимость домашних систем там меньше, а общая стоимость установок за 3 последних года снизилась примерно на 40 %. Затраты в Германии сегодня значительно ниже, чем в США и на других менее развитых «солнечных» рынках. Немецкий пример показывает, что снижение общих затрат на PV-систему еще не достигло дна даже на сравнительно зрелых рынках.

Основной рынок PV-установок на ближайшие годы – это панели на крышах частных домов. Домашние системы в большинстве случаев не смогут эффективно сбрасывать избыток PV-электричества в общую электросеть, а в другое время компенсировать из нее недостаток (в темное время суток, в пасмурную погоду или при нерегулярном пиковом потреблении). Т.н. «сетевой паритет», то есть когда цена за выработанную у себя в домохозяйстве электроэнергию сравняется тарифом за покупное электричество из сети, в большинстве случаев окажется весьма условным показателем.

Показатель BoS (рис. 4.18) означает дополнительные части фотоэлектрической системы, за исключением самой солнечной батареи, т.е. компоненты, необходимые для преобразования выходной мощности PV-панели в полезную электрическую энергию. Поэтому в США в BoS обычно включаются и аккумуляторы. Тем не менее, развитие рынка позволит снизить все составляющие конечной цены за ватт, включая второй по величине вслед за ценой модуля показатель – цену за монтаж.

Цена на кремний – не главное. По расчетам Deutsche Bank стоимость солнечных модулей снизилась с 1,31 $/ватт в 2011 г. до 0,50 $/ватт в 2014 г. за счет снижения затрат на обработку, падения затрат на поликристаллический кремний и улучшения КПД PV-преобразования. Цена на модули тогда упала почти на 60 % за три года. Deutsche Bank считает, что общие расходы могут снизиться еще на 30 – 40 % в течение нескольких следующих лет, но в основном за счет снижения операционных расходов из-за развития самого рынка, особенно для жилого сектора.

Снижение цены кремния в солнечной панели теперь сказывается незначительно. В общей цене модуля сам кремний «весит» не более 10 – 11 центов за ватт, и даже двукратное снижение его цены, которое можно достичь огромными технологическими и финансовыми усилиями, не скажется «революционным» образом на общую себестоимость PV-панелей. Хотя в течение следующих 12 кварталов Deutsche Bank все же ожидает падения цены PV-модулей до равновесной цены спроса-предложения на уровне $0,40 – $0,50 за ватт. Если панели будут продаваться с 10 центами валовой прибыли при цене $0,50 за ватт, то это значит, что производители получат минимум 20 % валовой прибыли – значительно выше, чем недавние исторические средние значения. Кроме того, должны снизиться затраты на таможенные пошлины и транспортировку.

Цены на инверторы, как правило, снижаются на 10-15 % в год. В Deutsche Bank ожидают, что эта тенденция сохранится и в будущем. Крупные «солнечные провайдеры» уже достигли при больших поставках уровня $0,25 за 1Вт или еще ниже. Есть предпосылки ожидать, что дополнительная экономия будет найдена в течение следующих нескольких лет. Снижение затрат на компоненты, уменьшение издерже

Солнце - источник света и тепла, в котором нуждается все живое на Земле. Но помимо фотонов света, оно излучает жесткую ионизирующую радиацию, состоящую из ядер и протонов гелия. Почему так происходит?

Причины возникновения солнечного излучения

Солнечная радиация образуется в дневные часы во время хромосферных вспышек - гигантских взрывов, происходящих в атмосфере Солнца. Часть солнечного вещества выбрасывается в космическое пространство, образуя космические лучи, главным образом состоящие из протонов и небольшого количеств ядер гелия. Эти заряженные частицы спустя 15-20 минут после того, как солнечная вспышка становится видимой, достигают поверхности земли.

Воздух отсекает первичное космическое излучение, порождая каскадный ядерный ливень, который затухает с понижением высоты. При этом рождаются новые частицы - пионы, которые распадаются и превращаются в мюоны. Они проникают в нижние слои атмосферы и попадают на землю, зарываясь вглубь до 1500 метров. Именно мюоны отвечают за образование вторичного космического излучения и естественной радиации, воздействующей на человека.

Спектр солнечного излучения

Спектр солнечного излучения включает как коротковолновые, так длинноволновые области:

• гамма-лучи;
• рентгеновское излучение;
• УФ-радиацию;
• видимый свет;
• инфракрасную радиацию.

Свыше 95% излучения Солнца приходится на область «оптического окна» - видимого участка спектра с прилегающими областями ультрафиолетовых и инфракрасных волн. По мере прохождения через слои атмосферы действие солнечных лучей ослабляется - вся ионизирующая радиация, рентгеновские лучи и почти 98% ультрафиолета задерживаются земной атмосферой. Практически без потерь до земли доходит видимый свет и инфракрасное излучение, хотя и они частично поглощаются молекулами газов и частицами пыли, находящимися в воздухе.

В связи с этим, солнечное излучение не приводит к заметному повышению радиоактивного излучения на поверхности Земли. Вклад Солнца вместе с космическими лучами в формирование общей годовой дозы облучения составляет всего 0,3 мЗв/год. Но это усредненное значение, на самом деле уровень падающего на землю излучения различен и зависит от географического положения местности.

Где солнечное ионизирующее облучение сильнее?

Наибольшая мощность космических лучей фиксируется на полюсах, а меньше всего - на экваторе. Связано это с тем, что магнитное поле Земли отклоняет к полюсам заряженные частицы, падающие из космоса. Кроме этого, излучение усиливается с высотой - на высоте 10 километров над уровнем моря его показатель возрастает в 20-25 раз. Активному воздействию более высоких доз солнечной радиации подвергаются жители высокогорий, поскольку атмосфера в горах тоньше и легче простреливается идущими от солнца потоками гамма-квантов и элементарных частиц.

Важно. Серьезного воздействия радиационный уровень до 0,3 мЗв/ч не оказывает, но при дозе 1,2 мкЗ/ч рекомендуется покинуть район, а случае крайней необходимости находится на его территории не более полугода. При превышении показаний вдвое следует ограничить пребывание в этой местности до трех месяцев.

Если над уровнем моря годовая доза космического облучения составляет 0,3 мЗв/год, то при повышении высоты через каждые сто метров этот показатель увеличивается на 0,03 мЗв/год. После проведения небольших расчетов можно сделать вывод, что недельный отпуск в горах на высоте 2000 метров даст облучение 1мЗв/год и обеспечит почти половину общей годовой нормы (2,4 мЗв/год).

Получается, что жители гор получают годовую дозу радиации, в разы превышающую норму, и должны чаще болеть лейкозом и раком, чем люди, живущие на равнинах. На самом деле, это не так. Наоборот, в горных районах фиксируется более низкая смертность от этих заболеваний, а часть населения - долгожители. Это подтверждает тот факт, что длительное нахождение в местах высокой радиационной активности не оказывает негативного влияния на организм человека.

Солнечные вспышки - высокая радиационная опасность

Вспышки на Солнце - большая опасность для человека и всего живого на Земле, поскольку плотность потока солнечного излучения может превышать обычный уровень космического излучения в тысячу раз. Так, выдающийся советский ученый А. Л. Чижевский связал периоды образования солнечных пятен с эпидемиями тифа (1883-1917 г) и холеры (1823-1923 г) в России. На основании сделанных графиков он еще в 1930 году предсказал возникновение обширной пандемии холеры в 1960-1962 годах, которая и началась в Индонезии в 1961 году, затем быстро распространилась на другие страны Азии, Африки и Европы.

Сегодня получено множество данных, свидетельствующих о связи одиннадцатилетних циклов солнечной активности со вспышками заболеваний, а также с массовыми миграциями и сезонами бурного размножения насекомых, млекопитающих и вирусов. Гематологи установили увеличение количество инфарктов и инсультов в периоды максимальной солнечной активности. Такая статистика связана с тем, что в это время у людей повышается свертываемость крови, а так как у больных с заболеваниями сердца компенсаторная деятельность угнетена, возникают сбои в его работе вплоть до некрозов сердечной ткани и кровоизлияний в мозг.

Большие солнечные вспышки происходят не так часто - раз в 4 года. В это время увеличивается количество и размер пятен, в солнечной короне образуются мощные коронарные лучи, состоящие из протонов и небольшого количества альфа-частиц. Самый мощный их поток астрологи зарегистрировали в 1956 году, когда плотность космического излучения на поверхности земли увеличилась в 4 раза. Еще одним последствием подобной солнечной активности стало полярное сияние, зафиксированное в Москве и Подмосковье в 2000 году.

Как себя обезопасить?

Конечно, повышенный радиационный фон в горах - не повод отказываться от поездок в горы. Правда, стоит подумать о мерах безопасности и отправиться в путешествие вместе с портативным радиометром, который поможет контролировать уровень радиации и при необходимости ограничить время пребывания в опасных районах. В местности, где показании счетчика показывают величину ионизирующего облучения в 7 мкЗв/ч, не стоит находиться больше одного месяца.