Източници на топлина. Топлинната енергия е от решаващо значение за живота на атмосферата. Основният източник на тази енергия е Слънцето. Що се отнася до топлинното излъчване на Луната, планетите и звездите, то е толкова незначително за Земята, че практически не може да се вземе предвид. Значително повече топлинна енергия се осигурява от вътрешната топлина на Земята. Според изчисленията на геофизиците постоянният поток на топлина от недрата на Земята повишава температурата на земната повърхност с 0°.1. Но такъв топлинен приток все още е толкова малък, че не е необходимо да се взема предвид. По този начин единственият източник на топлинна енергия на повърхността на Земята може да се счита само за Слънцето.

Слънчева радиация. Слънцето, което има температура на фотосферата (излъчваща повърхност) около 6000°, излъчва енергия в космоса във всички посоки. Част от тази енергия, под формата на огромен сноп от паралелни слънчеви лъчи, удря Земята. Слънчевата енергия, която достига повърхността на Земята под формата на преки лъчи от Слънцето, се нарича пряка слънчева радиация.Но не цялата слънчева радиация, насочена към Земята, достига земната повърхност, тъй като слънчевите лъчи, преминавайки през дебел слой атмосфера, се абсорбират частично от нея, частично се разсейват от молекули и суспендирани частици въздух, а някои се отразяват от облаци. Тази част от слънчевата енергия, която се разсейва в атмосферата, се нарича разсеяна радиация.Разсеяната слънчева радиация преминава през атмосферата и достига земната повърхност. Ние възприемаме този тип радиация като равномерна дневна светлина, когато Слънцето е напълно покрито с облаци или току-що е изчезнало зад хоризонта.

Пряката и дифузната слънчева радиация, достигнала земната повърхност, не се поглъща напълно от нея. Част от слънчевата радиация се отразява от земната повърхност обратно в атмосферата и се намира там под формата на поток от лъчи, т.нар. отразена слънчева радиация.

Съставът на слънчевата радиация е много сложен, което се свързва с много високата температура на излъчващата повърхност на Слънцето. Условно, според дължината на вълната, спектърът на слънчевата радиация се разделя на три части: ултравиолетова (η<0,4<μ видимую глазом (η от 0.4μ до 0.76μ) и инфрачервената част (η >0.76μ). В допълнение към температурата на слънчевата фотосфера, съставът на слънчевата радиация на земната повърхност също се влияе от поглъщането и разсейването на част от слънчевите лъчи при преминаването им през въздушната обвивка на Земята. В тази връзка съставът на слънчевата радиация на горната граница на атмосферата и на повърхността на Земята ще бъде различен. Въз основа на теоретични изчисления и наблюдения е установено, че на границата на атмосферата ултравиолетовото лъчение представлява 5%, видимите лъчи - 52% и инфрачервените - 43%. На земната повърхност (при слънчева височина 40°) ултравиолетовите лъчи са само 1%, видимите лъчи са 40%, а инфрачервените лъчи са 59%.

Интензивност на слънчевата радиация. Интензитетът на пряката слънчева радиация се разбира като количеството топлина в калории, получени за минута. от лъчистата енергия на слънчевата повърхност в 1 cm 2,разположени перпендикулярно на слънчевите лъчи.

За измерване на интензитета на пряката слънчева радиация се използват специални уреди - актинометри и пирхелиометри; Количеството на разсеяната радиация се определя с пиранометър. Автоматичната регистрация на продължителността на слънчевата радиация се извършва от актинографи и хелиографи. Спектралната интензивност на слънчевата радиация се определя със спектробологограф.

На границата на атмосферата, където са изключени поглъщащите и разсейващите ефекти на въздушната обвивка на Земята, интензитетът на пряката слънчева радиация е приблизително 2 изпражненияот 1 cm 2повърхности за 1 мин. Това количество се нарича слънчева константа.Интензитет на слънчевата радиация във 2 изпражненияот 1 cm 2за 1 мин. осигурява толкова голямо количество топлина през годината, че би било достатъчно да разтопи слой лед 35 мдебел, ако такъв слой покриваше цялата земна повърхност.

Многобройни измервания на интензитета на слънчевата радиация дават основание да се смята, че количеството слънчева енергия, достигаща до горната граница на земната атмосфера, варира с няколко процента. Трептенията са периодични и непериодични, очевидно свързани с процеси, протичащи на самото Слънце.

Освен това през годината настъпва известна промяна в интензитета на слънчевата радиация поради факта, че Земята в годишното си въртене се движи не в кръг, а в елипса, в един от фокусите на която се намира Слънцето . В тази връзка разстоянието от Земята до Слънцето се променя и съответно интензитетът на слънчевата радиация варира. Най-голяма интензивност се наблюдава около 3 януари, когато Земята е най-близо до Слънцето, а най-ниска около 5 юли, когато Земята е на максимално разстояние от Слънцето.

Поради тази причина колебанията в интензитета на слънчевата радиация са много малки и могат да представляват само теоретичен интерес. (Количеството енергия на максимално разстояние е свързано с количеството енергия на минимално разстояние като 100:107, т.е. разликата е напълно незначителна.)

Условия на облъчване на повърхността на земното кълбо. Самата сферична форма на Земята води до факта, че лъчистата енергия на Слънцето се разпределя много неравномерно върху земната повърхност. И така, в дните на пролетното и есенното равноденствие (21 март и 23 септември) само на екватора по обяд ъгълът на падане на лъчите ще бъде 90° (фиг. 30), а с приближаването към полюсите ще намаляване от 90 до 0°. По този начин,

ако на екватора количеството получена радиация се приеме за 1, тогава на 60-ия паралел ще бъде изразено като 0,5, а на полюса ще бъде равно на 0.

Освен това земното кълбо има дневно и годишно движение, а земната ос е наклонена спрямо орбиталната равнина на 66°.5. Поради този наклон между екваториалната равнина и орбиталната равнина се образува ъгъл от 23 ° 30. Това обстоятелство води до факта, че ъглите на падане на слънчевите лъчи за едни и същи географски ширини ще варират в рамките на 47 ° (23,5 + 23,5 ) .

В зависимост от времето на годината се променя не само ъгълът на падане на лъчите, но и продължителността на осветяването. Ако в тропическите страни продължителността на деня и нощта е приблизително еднаква по всяко време на годината, то в полярните страни, напротив, тя е много различна. Така например на 70° с.ш. w. през лятото слънцето не залязва 65 дни на 80° с.ш. ш.- 134, а на полюса -186. Поради това радиацията на Северния полюс в деня на лятното слънцестоене (22 юни) е с 36% по-голяма, отколкото на екватора. Що се отнася до цялата лятна половина на годината, общото количество топлина и светлина, получено от полюса, е само със 17% по-малко, отколкото на екватора. Така през лятото в полярните страни продължителността на осветеността до голяма степен компенсира липсата на радиация, която е следствие от малкия ъгъл на падане на лъчите. През зимната половина на годината картината е напълно различна: количеството радиация на същия северен полюс ще бъде равно на 0. В резултат на това през годината средното количество радиация на полюса е с 2,4 по-малко, отколкото на екватор. От всичко казано следва, че количеството слънчева енергия, което Земята получава чрез излъчване, се определя от ъгъла на падане на лъчите и продължителността на облъчването.

При липса на атмосфера на различни географски ширини, земната повърхност би получила следното количество топлина на ден, изразено в калории на 1 cm 2(виж таблицата на страница 92).

Разпределението на радиацията върху земната повърхност, дадено в таблицата, обикновено се нарича слънчев климат.Повтаряме, че такова разпределение на радиацията имаме само на горната граница на атмосферата.

Отслабване на слънчевата радиация в атмосферата. Досега говорихме за условията за разпространение на слънчевата топлина върху земната повърхност, без да вземаме предвид атмосферата. Междувременно атмосферата в този случай е от голямо значение. Слънчевата радиация, преминавайки през атмосферата, изпитва дисперсия и, освен това, абсорбция. И двата процеса заедно намаляват слънчевата радиация в значителна степен.

Слънчевите лъчи, преминавайки през атмосферата, първо изпитват разсейване (дифузия). Разсейването се създава от факта, че светлинните лъчи, пречупени и отразени от молекулите на въздуха и частиците на твърдите и течните тела във въздуха, се отклоняват от правия път Да сенаистина се "разсейват".

Разсейването значително отслабва слънчевата радиация. С увеличаване на количеството на водните пари и особено на праховите частици дисперсността се увеличава и излъчването отслабва. В големите градове и пустинните райони, където съдържанието на прах във въздуха е най-голямо, разсейването отслабва силата на радиацията с 30-45%. Благодарение на разсейването се получава дневна светлина, която осветява обектите, дори ако слънчевите лъчи не падат директно върху тях. Разсейването определя и цвета на небето.

Нека сега се спрем на способността на атмосферата да абсорбира лъчиста енергия от Слънцето. Основните газове, които изграждат атмосферата, поглъщат относително малко лъчиста енергия. Примесите (водна пара, озон, въглероден диоксид и прах), напротив, имат висок капацитет на абсорбиране.

В тропосферата най-значимият примес е водната пара. Те поглъщат особено силно инфрачервени (дълги вълни), т.е. предимно топлинни лъчи. И колкото повече водни пари в атмосферата, толкова естествено повече и. абсорбция. Количеството водна пара в атмосферата е обект на големи промени. В естествени условия тя варира от 0,01 до 4% (по обем).

Озонът има много висока абсорбционна способност. Значителен примес на озон, както вече беше споменато, се намира в долните слоеве на стратосферата (над тропопаузата). Озонът абсорбира почти напълно ултравиолетовите (късовълнови) лъчи.

Въглеродният диоксид също има висока абсорбционна способност. Той абсорбира предимно дълговълнови, т.е. предимно топлинни лъчи.

Прахът във въздуха също абсорбира част от слънчевата радиация. При нагряване от слънчевите лъчи може значително да повиши температурата на въздуха.

От общото количество слънчева енергия, идваща на Земята, атмосферата поглъща само около 15%.

Отслабването на слънчевата радиация чрез разсейване и поглъщане от атмосферата е много различно за различните географски ширини на Земята. Тази разлика зависи преди всичко от ъгъла на падане на лъчите. В зенитното положение на Слънцето лъчите, падащи вертикално, пресичат атмосферата по най-късия път. С намаляването на ъгъла на падане пътят на лъчите се удължава и отслабването на слънчевата радиация става по-значително. Последното се вижда ясно от чертежа (фиг. 31) и приложената таблица (в таблицата пътят на слънчевия лъч в зенитното положение на Слънцето е приет за единица).

В зависимост от ъгъла на падане на лъчите се променя не само броят на лъчите, но и тяхното качество. През периода, когато Слънцето е в зенита си (над главата), ултравиолетовите лъчи представляват 4%,

видима - 44% и инфрачервена - 52%. Когато Слънцето е разположено близо до хоризонта, изобщо няма ултравиолетови лъчи, видими 28% и инфрачервени 72%.

Сложността на влиянието на атмосферата върху слънчевата радиация се утежнява допълнително от факта, че нейният капацитет на предаване варира значително в зависимост от времето на годината и метеорологичните условия. Така че, ако небето остава безоблачно през цялото време, тогава годишният ход на притока на слънчева радиация на различни географски ширини може да бъде изразен графично, както следва (фиг. 32).Чертежът ясно показва, че при безоблачно небе в Москва през май, През юни и юли топлината ще се получава повече от слънчевата радиация, отколкото на екватора. По подобен начин през втората половина на май, юни и първата половина на юли ще се получи повече топлина на Северния полюс, отколкото на екватора и в Москва. Повтаряме, че така би било и при безоблачно небе. Но в действителност това не работи, тъй като облачността значително отслабва слънчевата радиация. Нека дадем пример, показан на графиката (фиг. 33). Графиката показва колко слънчева радиация не достига земната повърхност: значителна част от нея се забавя от атмосферата и облаците.

Все пак трябва да се каже, че топлината, погълната от облаците, отчасти отива за затопляне на атмосферата и отчасти индиректно достига до земната повърхност.

Ежедневни и годишни вариации в слънчевата интензивностсветлинно излъчване. Интензитетът на пряката слънчева радиация на земната повърхност зависи от височината на Слънцето над хоризонта и от състоянието на атмосферата (нейното съдържание на прах). Ако. Ако прозрачността на атмосферата беше постоянна през целия ден, тогава максималната интензивност на слънчевата радиация би се наблюдавала по обяд, а минималната - при изгрев и залез. В този случай графиката на дневния интензитет на слънчевата радиация би била симетрична спрямо половин ден.

Съдържанието на прах, водни пари и други примеси в атмосферата непрекъснато се променя. В тази връзка се променя прозрачността на въздуха и се нарушава симетрията на графиката на интензитета на слънчевата радиация. Често, особено през лятото, по обяд, когато земната повърхност се нагрява интензивно, възникват мощни възходящи въздушни течения и количеството водна пара и прах в атмосферата се увеличават. Това води до значително намаляване на слънчевата радиация по обяд; Максималната интензивност на радиация в този случай се наблюдава в предиобедните или следобедните часове. Годишната промяна на интензивността на слънчевата радиация е свързана и с промените във височината на Слънцето над хоризонта през годината и със състоянието на прозрачност на атмосферата през различните сезони. В страните от северното полукълбо най-високата височина на Слънцето над хоризонта е през месец юни. Но в същото време се наблюдава най-голямата запрашеност на атмосферата. Следователно максималната интензивност обикновено се проявява не в средата на лятото, а през пролетните месеци, когато Слънцето се издига доста високо* над хоризонта и атмосферата след зимата остава относително чиста. За да илюстрираме годишната промяна на интензивността на слънчевата радиация в северното полукълбо, представяме данни за средните месечни стойности на интензивността на слънчевата радиация в Павловск.

Количеството топлина от слънчевата радиация. През деня повърхността на Земята непрекъснато получава топлина от пряка и дифузна слънчева радиация или само от дифузна радиация (при облачно време). Денонощното количество топлина се определя въз основа на актинометрични наблюдения: като се отчита количеството пряка и дифузна радиация, получена на земната повърхност. След като се определи количеството топлина за всеки ден, се изчислява количеството топлина, получено от земната повърхност на месец или на година.

Дневното количество топлина, получено от земната повърхност от слънчевата радиация, зависи от интензивността на радиацията и продължителността на нейното действие през деня. В тази връзка минималният приток на топлина се наблюдава през зимата, а максималният през лятото. При географското разпределение на общата радиация по земното кълбо се наблюдава нейното нарастване с намаляване на географската ширина. Тази позиция се потвърждава от следната таблица.

Ролята на пряката и дифузната радиация в годишното количество топлина, получена от земната повърхност на различните географски ширини на земното кълбо, е различна. На високи географски ширини годишното количество топлина е доминирано от разсеяната радиация. С намаляване на географската ширина пряката слънчева радиация става доминираща. Например в залива Тихая дифузната слънчева радиация осигурява 70% от годишното количество топлина, а пряката радиация само 30%. В Ташкент, напротив, пряката слънчева радиация осигурява 70%, разпръснато само 30%.

Отразителната способност на Земята. Албедо. Както вече беше посочено, повърхността на Земята поглъща само част от слънчевата енергия, която достига до нея под формата на пряка и дифузна радиация. Другата част се отразява в атмосферата. Съотношението на количеството слънчева радиация, отразено от дадена повърхност, към количеството на лъчистия енергиен поток, падащ върху тази повърхност, се нарича албедо. Албедото се изразява в проценти и характеризира коефициента на отразяване на дадена повърхност.

Албедото зависи от естеството на повърхността (свойства на почвата, наличие на сняг, растителност, вода и др.) и от ъгъла на падане на слънчевите лъчи върху земната повърхност. Така например, ако лъчите падат върху земната повърхност под ъгъл 45 °, тогава:

От горните примери става ясно, че отражателната способност на различните обекти не е еднаква. Той е най-голям край сняг и най-малко край вода. Но примерите, които взехме, се отнасят само за случаите, когато височината на Слънцето над хоризонта е 45°. С намаляването на този ъгъл коефициентът на отражение се увеличава. Така например при слънчева височина 90° водата отразява само 2%, при 50° - 4%, при 20° - 12%, при 5° - 35-70% (в зависимост от състоянието на водната повърхност ).

Средно при безоблачно небе повърхността на земното кълбо отразява 8% от слънчевата радиация. Освен това 9% се отразяват от атмосферата. Така земното кълбо като цяло с безоблачно небе отразява 17% от лъчистата енергия на Слънцето, падаща върху него. Ако небето е покрито с облаци, тогава 78% от радиацията се отразява от тях. Ако вземем природни условия, базирани на съотношението между безоблачно небе и небе, покрито с облаци, което се наблюдава в действителност, тогава отражателната способност на Земята като цяло е равна на 43%.

Земна и атмосферна радиация. Земята, получавайки слънчева енергия, се нагрява и самата тя се превръща в източник на топлинно излъчване в космоса. Въпреки това лъчите, излъчвани от земната повърхност, са много различни от слънчевите лъчи. Земята излъчва само дълговълнови (λ 8-14 μ) невидими инфрачервени (топлинни) лъчи. Енергията, излъчвана от земната повърхност, се нарича земна радиация.Радиацията от Земята възниква... ден и нощ. Колкото по-висока е температурата на излъчващото тяло, толкова по-голям е интензитетът на излъчване. Земната радиация се определя в същите единици като слънчевата радиация, т.е. в калории от 1 cm 2повърхности за 1 мин. Наблюденията показват, че количеството на земната радиация е малко. Обикновено достига 15-18 стотни от калориите. Но, действайки непрекъснато, той може да даде значителен топлинен ефект.

Най-силно земно излъчване се получава при безоблачно небе и добра прозрачност на атмосферата. Облачната покривка (особено ниската облачност) значително намалява земната радиация и често я свежда до нула. Тук можем да кажем, че атмосферата, заедно с облаците, е добро „одеяло“, което предпазва Земята от прекомерно охлаждане. Части от атмосферата, както и области от земната повърхност, излъчват енергия според температурата си. Тази енергия се нарича атмосферна радиация.Интензивността на атмосферната радиация зависи от температурата на излъчващата част от атмосферата, както и от количеството водна пара и въглероден диоксид, съдържащи се във въздуха. Атмосферната радиация принадлежи към групата на дългите вълни. Разпространява се в атмосферата във всички посоки; известно количество от него достига до земната повърхност и се абсорбира от нея, другата част отива в междупланетното пространство.

ОТНОСНО пристигането и потреблението на слънчева енергия на Земята. Земната повърхност, от една страна, приема слънчевата енергия под формата на пряка и дифузна радиация, а от друга страна, губи част от тази енергия под формата на земна радиация. В резултат на пристигането и потреблението на слънчева енергия се получава някакъв резултат. В някои случаи този резултат може да бъде положителен, в други отрицателен. Нека дадем примери и за двете.

8 януари. Денят е безоблачен. На 1 cm 2земна повърхност, получена за 20 дни изпражненияпряка слънчева радиация и 12 изпражненияразсеяна радиация; общо това дава 32 кал.През същото време, поради радиация 1 см?земната повърхност е изгубена 202 кал.В резултат на това, на счетоводен език, балансът има загуба от 170 изпражнения(отрицателно салдо).

6 юли. Небето е почти безоблачно. 630 получени от пряка слънчева радиация изпражнения,от разсеяна радиация 46 кал.Общо, следователно, земната повърхност получи 1 cm 2 676 кал. 173 загубени от земната радиация кал.Балансът показва печалба от 503 изпражнения(салдото е положително).

От посочените примери между другото става напълно ясно защо умерените ширини са студени през зимата и топли през лятото.

Използване на слънчевата радиация за технически и битови цели. Слънчевата радиация е неизчерпаем естествен източник на енергия. Количеството слънчева енергия на Земята може да се съди по този пример: ако например използваме топлината на слънчевата радиация, падаща само върху 1/10 от площта на СССР, тогава можем да получим енергия, равна на работата от 30 хиляди водноелектрически централи Днепър.

Хората отдавна се стремят да използват безплатната енергия на слънчевата радиация за своите нужди. Към днешна дата са създадени много различни слънчеви електроцентрали, които работят с помощта на слънчева радиация и се използват широко в промишлеността и за задоволяване на битовите нужди на населението. В южните райони на СССР слънчевите бойлери, бойлери, инсталации за обезсоляване на солена вода, слънчеви сушилни (за сушене на плодове), кухни, бани, оранжерии и устройства за медицински цели работят въз основа на широкото използване на слънчева радиация в промишленост и обществени услуги. Слънчевата радиация се използва широко в курортите за лечение и подобряване на здравето на хората.

- Източник-

Половинкин, А.А. Основи на общата геонаука / A.A. Половинкин - М.: Държавно учебно-педагогическо издателство на Министерството на образованието на РСФСР, 1958 г. - 482 с.

Преглеждания на публикация: 469

Спектрално разлагане

Слънчевата светлина е електромагнитно излъчване, излъчвано от Слънцето. На Земята нашата атмосфера филтрира радиацията от Слънцето, като ни предпазва от вредното лъчение и променя цвета си.

От къде идва?

Нека разгледаме всички дължини на вълната на светлината в слънчевата радиация. Както вероятно знаете, огромната температура и налягане в ядрото карат водорода да се трансформира в атоми на хелий. Част от енергията от това сливане се освобождава под формата на гама лъчи. Тези гама лъчи се абсорбират от частици на Слънцето и след това се излъчват отново. На фотоните са необходими 200 000 години, за да излязат от ядрото в открития космос. Повърхността на Слънцето се нарича фотосфера и именно във фотосферата светлината най-накрая излиза в космоса. След дълго пътуване през Слънцето фотоните губят енергия и тяхната дължина на вълната се променя.

Това е добра новина, в противен случай развитието на живот на Земята, при постоянно облъчване с гама лъчи, би било трудно.

Светлината, излъчвана от Слънцето, е смес от различни дължини на вълните. Топлината, която усещаме, е инфрачервено лъчение с дължина на вълната от 1400 nm до 1 mm. Видимата светлина има дължина на вълната от 400 до 700 nm.

В космоса слънчевата светлина изглежда бяла, но тук на Земята я виждаме жълта, защото нашата атмосфера отхвърля сините и виолетовите фотони.

Ултравиолетовото лъчение, за щастие, се абсорбира от земната атмосфера и е доста опасно за живота. Спектърът на слънчевата светлина е непрекъснат и съдържа много тъмни линии, причинени от поглъщането й в студените слоеве на нейната атмосфера. Целият живот на Земята зависи от слънчевата радиация. Той е основният източник на енергия на Земята и контролира времето на планетата и циркулацията на океана. Без този източник на енергия Земята ще замръзне.

Изпъкналост на повърхността

Радиацията от Слънцето, която е известна като слънчева светлина, е смес от електромагнитни вълни, вариращи от инфрачервени (IR) до ултравиолетови (UV) лъчи. Тя включва видима светлина, която попада между IR и UV в електромагнитния спектър.

Скорост на разпространение на електромагнитни вълни

Всички електромагнитни вълни (EM) се разпространяват със скорост приблизително 3,0x10*8 m/s във вакуум. Космосът не е идеален вакуум; той всъщност съдържа частици в ниски концентрации, електромагнитни вълни, неутрино и магнитни полета. Тъй като средното разстояние между Земята и Слънцето е повече от 149,6 милиона км, отнема около 8 минути, за да достигне радиацията до Земята. Слънцето грее не само в IR, видимия и UV диапазона. По принцип той излъчва високоенергийни гама лъчи.

Фотоните на гама-лъчите обаче изминават дълъг път до повърхността, те постоянно се абсорбират от слънчевата плазма и се излъчват отново с промяна в честотата си.

Докато достигнат повърхността, фотоните на гама лъчите са в инфрачервения, видимия и ултравиолетовия спектър. Инфрачервеното лъчение е топлината, която усещаме. Без него и видимата светлина животът на Земята би бил невъзможен. По време на слънчеви изригвания той излъчва и рентгенови лъчи. Когато електромагнитното лъчение от Слънцето достигне земната атмосфера, част от него се абсорбира, докато останалата част достига земната повърхност.

По-конкретно, ултравиолетовата радиация се абсорбира от озоновия слой и се излъчва отново като топлина, което води до затопляне на стратосферата.

Спектралния диапазон на електромагнитното излъчване от Слънцето е много широк - от радиовълни до рентгенови лъчи. Максималният му интензитет обаче се проявява във видимата (жълто-зелена) част на спектъра.

Ориз. 4.5. Спектър на слънчевата радиация, наблюдаван над земната атмосфера и на морското равнище

От особен интерес е частта от слънчевия спектър, която включва електромагнитни полета и радиация с дължини на вълните над 100 nm. В тази част на слънчевия спектър се разграничават три вида радиация:

Ултравиолетово (UV) – с дължина на вълната 290-400 nm;

Видими - с дължина на вълната 400-760 nm;

Инфрачервен (IR) – с дължина на вълната 760-2800 nm.

Слънчевите лъчи трябва да преминат през дебел слой атмосфера, преди да достигнат земната повърхност. Слънчевата радиация се поглъща и разпръсква от водни пари, газови молекули, прахови частици и др. Около 30% от слънчевата радиация не достига до земната повърхност. И така, ако на границата на земната атмосфера ултравиолетовата част от слънчевия спектър е 5%, видимата част е 52%, а инфрачервената част е 43%, то на повърхността на Земята ултравиолетовата част е 1%, видимата част е 40%, а инфрачервената част от слънчевия спектър е 59%. Някои източници на информация дават малко по-различна картина на разпределението на енергията на слънчевата радиация на нивото на земята: ултравиолетова радиация - около 2%, видимата част от спектъра - около 49% и инфрачервената зона - също около 49%.

Интензитетът на слънчевата радиация на земната повърхност винаги ще бъде по-малък от нивото на слънчевата радиация на границата на земната атмосфера. Наличието на облачна покривка, замърсяване на въздуха, мъгла или дори разпръснати облаци играят значителна роля за отслабването на слънчевата радиация. Зависимостта на PV мощността от метеорологичните условия е показана на фиг. 4. 6.

Ориз. 4. 6. Зависимост на PV мощността от атмосферните условия

Когато небето е напълно покрито с облаци, интензитетът на ултравиолетовата радиация намалява със 72%, когато небето е покрито наполовина с облаци - с 44%, а при екстремни условия - с над 90%. Озонът и кислородът напълно абсорбират късовълновата UV радиация (дължина на вълната 290-100 nm), предпазвайки всички живи същества от нейното вредно въздействие. Молекулите на въздуха разпръскват предимно ултравиолетовата и синята част на спектъра (оттук и синия цвят на небето), така че разсеяната радиация е по-богата на UV лъчи. Когато Слънцето е ниско над хоризонта, лъчите изминават по-голямо разстояние и разсейването на светлината, включително в UV диапазона, се увеличава. Следователно по обяд Слънцето изглежда бяло, жълто и след това оранжево, тъй като има по-малко ултравиолетови и сини лъчи при пряка слънчева светлина.

Нивото на слънчевата радиация се оценява по нейния интензитет (ватове на единица повърхност) и топлинен ефект (калории на единица повърхност за единица време.

Като се вземат предвид спектралните характеристики на слънчевата радиация и състоянието на техническия прогрес в областта на слънчевата енергия, сред съществуващите методи за преобразуване на слънчевата енергия могат да бъдат идентифицирани следните най-често срещани:

– фотоелектрически;

– слънчева топлина;

– топлинен въздух.

4.2.2. Фотоволтаични преобразуватели на слънчева енергия.

Принцип на действие.Най-енергийно ефективните устройства за преобразуване на слънчевата енергия в електрическа са полупроводниковите фотоволтаични преобразуватели (PVC), фиг. 4.7.

Ориз. 4.7. Фотоволтаични преобразуватели на енергия

Теоретично тяхната максимална ефективност може да надхвърли 90%. Техническият напредък, насочен към намаляване на необратимите загуби на енергия чрез оптимизиране на състава, структурата и други параметри на слънчевите клетки, в следващите години ще позволи повишаване на практическата ефективност до 50% или повече, като нивото, което вече е постигнато в лабораторни условия, е близо 40%. Трябва да се отбележи, че основните загуби на енергия в слънчевите клетки са свързани с:

– отразяване на слънчевата радиация от повърхността на преобразувателя;

– преминаването на част от радиацията през слънчевата клетка без поглъщане в нея;

– разсейване на излишната фотонна енергия върху термичните вибрации на решетката;

– рекомбинация на образуваните фотодвойки по повърхностите и в обема на слънчевата клетка;

– вътрешно съпротивление на преобразувателя

– и някои други физически процеси.

Фотоелектричното преобразуване на слънчевата енергия използва фотоелектричния ефект, открит от Херц. Фото ефект (снимки - от гръцки "светлина")възниква в резултат на въздействието на слънчевата радиация върху повърхностните слоеве на полупроводник с дебелина приблизително 2-3 микрона, освобождавайки определен брой електрони. С появата на свободни електрони в полупроводниковото тяло и при наличие на разлика в електрическия потенциал в него възниква електрически ток. Образува се потенциална разлика между облъчената повърхност на полупроводника и неговата „сенчеста“ страна. Основният материал за производство на слънчеви клетки в света днес е силицият. Технически чист силиций (концентрация на примеси<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.

Фотоволтаичният ефект възниква в нехомогенни полупроводникови структури, когато са изложени на слънчева радиация. Хетерогенността на фотоволтаичната структура може да се получи чрез допиране на един и същ полупроводник с различни примеси (създаване на p-n преходи) или чрез свързване на различни полупроводници с неравномерни забранени зони - енергията на отстраняване на електрони от атома (създаване на хетеропреходи), или чрез промяна на химическия състав на полупроводника, което води до появата на градиент на ширината на забранената зона (създаване на градиентни структури). Възможни са и различни комбинации от горните методи. Ефективността на преобразуване зависи от електрическите характеристики на нехомогенната полупроводникова структура, както и от оптичните свойства на слънчевата клетка, сред които най-важна роля играе фотопроводимостта, причинена от вътрешния фотоелектричен ефект в полупроводниците при облъчване със слънчева светлина.

Принципът на работа на фотоволтаичните клетки може да бъде обяснен на примера на преобразуватели с p-n преходи, които се използват широко в съвременната слънчева и космическа енергия (фиг. 4.8).

Ориз. 4.8. Принцип на работа на полупроводников фотоволтаик

конвертори

Електронно-дупков преход се създава чрез легиране на пластина от монокристален полупроводников материал с определен тип проводимост (т.е. p- или n-тип) с примес, осигуряващ създаването на повърхностен слой с проводимост от противоположната Тип. Концентрацията на добавка в този слой трябва да бъде значително по-висока от концентрацията на добавка в основния (оригинален монокристален) материал, за да се неутрализират присъстващите там основни свободни носители на заряд и да се създаде проводимост с противоположен знак. На границата на n- и p-слоевете в резултат на потока на заряда се образуват обеднени зони с некомпенсиран обемен положителен заряд в n-слоя и обемен отрицателен заряд в p-слоя. Тези зони заедно образуват p-n преход. Появяващата се при прехода потенциална бариера (контактна потенциална разлика) предотвратява преминаването на основните носители на заряд, т.е. електрони от страната на p-слоя, но свободно позволяват на малцинствените носители да преминават в противоположни посоки. Това свойство на p-n преходите определя възможността за получаване на фото-едс при облъчване на слънчева клетка със слънчева светлина. Неравновесните носители на заряд (двойки електрон-дупка), създадени от светлина в двата слоя на фотоволтаичната клетка, се разделят на p-n прехода: малцинствените носители (т.е. електроните) преминават свободно през прехода, а основните носители (дупките) се запазват. По този начин, под въздействието на слънчевата радиация, ток от неравновесни малцинствени носители на заряд - фотоелектрони и фотодупки - ще тече през p-n прехода в двете посоки, което е точно това, което е необходимо за работата на слънчевата клетка. Ако сега затворим външната верига, тогава електроните от n-слоя, след като са извършили работа върху товара, ще се върнат в p-слоя и там ще се рекомбинират (обединят) с дупки, движещи се вътре в слънчевата клетка в обратна посока. За събиране и отстраняване на електрони във външна верига има контактна система на повърхността на полупроводниковата структура на слънчевата клетка. На предната, светеща повърхност на преобразувателя, контактите са изпълнени под формата на решетка или гребен, а на задната страна могат да бъдат плътни.

Видове фотоелектрически преобразуватели на слънчева енергия.Днес можем да говорим за три поколения фотоволтаични клетки.

До първо поколение, кристален, включват (фиг. 4.9):

– слънчеви клетки от монокристален силиций,

– поликристален силиций и

– технологии за отглеждане на тънкостенни заготовки - EFG (Edge Defined Film-Fed Crystal Growth Technology), - S-web (Siemens), тънкослоен полисилиций (Apex).

Ориз. 4. 9. Кристални слънчеви клетки

Основният показател за ефективността на фотоклетките е коефициентът на ефективност - съотношението на количеството енергия, подадено към фотоклетката, към количеството енергия, получено от потребителя.

Масово произвежданите слънчеви клетки на базата на монокристален силиций имат практически КПД 16 - 17%, използващите поликристален силиций - 14 - 15%, аморфен силиций - 8 - 9%.

Второ поколение, тънък филм, ви позволява да генерирате електричество с помощта на фотоклетки (фиг. 4.10):

– силиций: аморфен, микрокристален, нанокристален, CSG (кристален силиций върху стъкло);

– на базата на кадмиев телурид (CdTe);

– на базата на медно-индиев-(галиев) селенид (CI(G)S).

Ориз. 4.10. Филм PV

Технологията за производство на тънкослойни фотоволтаични преобразуватели от второ поколение (FCPC) включва нанасяне на слоеве чрез вакуумен метод. Вакуумната технология, в сравнение с технологията за производство на кристални слънчеви клетки, е по-малко енергоемка и се характеризира с по-малък обем на капиталовите инвестиции. Позволява производството на гъвкави, евтини слънчеви клетки с голяма площ, но коефициентът на преобразуване на такива елементи е по-нисък в сравнение с първото поколение слънчеви клетки.

TC PV клетките се разделят според вида на материала на силиконови и несиликонови. Силициевите слънчеви клетки могат да бъдат еднослойни аморфни (те са първите, които се появяват исторически) или имат по-сложна структура (например аморфно-микроморфна), която се появява по-късно. PV TC се произвеждат върху твърди или гъвкави субстрати. През последните години разпределението на производството на фотоволтаични клетки в света по вид технология определи дела на силициевите фотоволтаични клетки (моно- и мулти-силиций) да бъде 86%; ТС на базата на аморфен силиций възлизат на 6%. Останалата част от слънчевите клетки е произведена под формата на тънки филми от материали като кадмиев телурид (CdTe) - 6%, меден и индиев диселенид (CIS/CIGS) - 2%.

Основните предимства на TC PV, в сравнение със силициевите кристални PV, са следните:

– по-ниска единична цена;

– по-нисък разход на материали;

– възможност за производство на устройства с голяма площ;

– по-малко технологични операции;

– възможността за получаване на дифузна и слаба слънчева светлина (когато слънцето е, да речем, скрито зад облаците) е много по-ефективна от кристалните батерии.

Трето поколение FEP:

– елементи, фотосенсибилизирани с багрило (dye-sensitized solar cell, DSC) (фиг. 4.11);

– органични (полимерни) FEP (OPV) (фиг. 4.12 и фиг. 4.13);

– неорганичен FEP (CTZSS);

– Фотоволтаични клетки, базирани на каскадни структури (фиг. 4.14).

Ориз. 4.11. FEP фотосенсибилизиран с багрило

Ориз. 4. 12. Производство на органичен полимер FEP

Ориз. 4.13. Органичен полимер FEP

Ориз. 4.14.PVS базирани на каскадни структури

Идеята за създаване на фотоволтаични клетки от трето поколение беше допълнително да се намалят разходите за фотоволтаични клетки, да се изостави използването на скъпи и токсични материали в полза на евтини и рециклируеми полимери и електролити. Важна разлика е и възможността за нанасяне на слоеве с помощта на методи за печат, например с помощта на технологията roll-to-roll (R2R).

Мерки за подобряване на FEP.Като се вземат предвид методите за преобразуване на енергията, използвани за намаляване на всички видове енергийни загуби в PV, са разработени и приложени следните мерки:

– използването на полупроводници с оптимална забранена зона за слънчева радиация;

– целенасочено подобряване на свойствата на полупроводниковата структура чрез нейното оптимално легиране и създаване на вградени електрически полета;

– преход от хомогенни към хетерогенни и градиентни полупроводникови структури;

– оптимизиране на проектните параметри на PV (дълбочина на pn-прехода, дебелина на основния слой, честота на контактната мрежа и др.);

– използването на многофункционални оптични покрития, които осигуряват антирефлекс, термична регулация и защита на слънчевите клетки от космическо лъчение;

– разработване на слънчеви клетки, които са прозрачни в дълговълновата област на слънчевия спектър отвъд границата на основната лента на поглъщане;

– създаване на каскадни слънчеви клетки от полупроводници, специално подбрани за ширината на забранената им зона, позволяващи преобразуване във всяка каскада на радиацията, преминала през предишната каскада и т.н.;

Освен това беше постигнато значително увеличение на ефективността на слънчевите клетки чрез създаването на преобразуватели с двустранна чувствителност (до +80% от съществуващата ефективност на едната страна), използването на луминисцентни повторно излъчващи структури и предварителните разлагане на слънчевия спектър на две или повече спектрални области с помощта на многослойни филмови разделители на лъчи (дихроични огледала). ) с последваща трансформация на всяка част от спектъра от отделна фотоволтаична клетка и др.

В системите за преобразуване на енергия на слънчеви електроцентрали (слънчеви електроцентрали) по принцип могат да се използват всякакви видове слънчеви клетки с различни структури, базирани на различни полупроводникови материали, които са създадени и в момента се разработват, но не всички от тях отговарят на набор от изисквания за тези системи:

– висока надеждност с дълъг (десетки години!) експлоатационен живот;

– наличие на изходни материали в количества, достатъчни за производството на елементи на системата за преобразуване и възможност за организиране на тяхното масово производство;

– разходи за енергия за създаване на система за преобразуване, които са приемливи от гледна точка на периодите на изплащане;

– минимални разходи за енергия и маса, свързани с управлението на системата за преобразуване и пренос на енергия (пространството), включително ориентацията и стабилизирането на станцията като цяло;

– лекота на поддръжка.

Например, някои обещаващи материали е трудно да се получат в количествата, необходими за създаването на слънчеви електроцентрали, поради ограничените природни запаси от суровини и сложността на тяхната обработка. Някои методи за подобряване на енергийните и експлоатационните характеристики на слънчевите клетки, например чрез създаване на сложни структури, са слабо съвместими с възможностите за организиране на тяхното масово производство на ниска цена и др. Високата производителност може да бъде постигната само чрез организиране на напълно автоматизирано фотоволтаично производство, например на базата на лентова технология, и създаване на развита мрежа от специализирани предприятия с подходящ профил, т.е. всъщност цяла индустрия, сравнима по мащаб със съвременната радиоелектронна индустрия. Производството на слънчеви клетки и сглобяването на слънчеви панели на автоматизирани линии ще намали цената на батерийния модул 2-2,5 пъти.

Силициевият и галиевият арсенид (GaAs) в момента се считат за най-вероятните материали за фотоволтаични системи за преобразуване на слънчевата енергия в SES, като във втория случай говорим за хетерофотоконвертори (HPC) със структура AlGaAs-GaAs.

FEC (фотоволтаични преобразуватели), базирани на съединение на арсен с галий (GaAs), както е известно, имат по-висока теоретична ефективност от силициевите FEC, тъй като тяхната ширина на забранената лента практически съвпада с оптималната ширина на забранената лента за полупроводникови преобразуватели на слънчева енергия = 1,4 eV. За силиций този показател = 1,1 eV.

Поради по-високото ниво на поглъщане на слънчевата радиация, определено от директните оптични преходи в GaAs, на тяхна основа могат да се получат високоефективни фотоволтаични клетки със значително по-малка дебелина на фотоволтаичните клетки в сравнение със силициевите. По принцип е достатъчно GFP да има дебелина от 5-6 микрона, за да се получи ефективност от порядъка на най-малко 20%, докато дебелината на силициевите елементи не може да бъде по-малка от 50-100 микрона без забележимо намаляване на ефективността им . Това обстоятелство ни позволява да разчитаме на създаването на леки филмови HFP, производството на които ще изисква сравнително малко изходен материал, особено ако е възможно да се използва друг материал, като синтетичен сапфир (Al2O3), като субстрат, а не GaAs .

GFC също така имат по-благоприятни експлоатационни характеристики по отношение на изискванията за SES преобразуватели в сравнение със силиконовите фотоволтаични клетки. По този начин, по-специално, възможността за постигане на малки начални стойности на токовете на обратно насищане в p-n преходите поради голямата ширина на лентата позволява да се сведе до минимум величината на отрицателните температурни градиенти на ефективност и оптимална мощност на HPC и, в допълнение , значително разширяват областта на линейната зависимост на последния от плътността на светлинния поток. Експерименталните зависимости на ефективността на HFP от температурата показват, че повишаването на равновесната температура на последните до 150-180 ° C не води до значително намаляване на тяхната ефективност и оптимална специфична мощност. В същото време за силициевите слънчеви клетки повишаването на температурата над 60-70°C е почти критично - ефективността пада наполовина.

Поради своята устойчивост на високи температури слънчевите клетки с галиев арсенид могат да се използват като концентратори на слънчева радиация. Работната температура на базирания на GaAs HFP достига 180 °C, което вече е доста работна температура за топлинни двигатели и парни турбини. По този начин към 30% присъща ефективност на галиев арсенид HFP (при 150°C) можем да добавим ефективността на топлинен двигател, използващ отпадъчната топлина на течността, охлаждаща фотоклетките. Следователно общата ефективност на инсталацията, която използва и третия цикъл на нискотемпературно извличане на топлина от охлаждащата течност след турбината за отопление на помещения, може да бъде дори по-висока от 50-60%.

Също така, базираните на GaAs HFC са много по-малко податливи на разрушаване от високоенергийни протонни и електронни потоци, отколкото силициевите FEC поради високото ниво на абсорбция на светлина в GaAs, както и малкия необходим живот и дължина на дифузия на малцинствените носители. Освен това експериментите показват, че значителна част от радиационните дефекти в HFP на основата на GaAs изчезват след термичната им обработка (отгряване) при температура от едва около 150-180 °C. Ако GaAs HFC постоянно работят при температура от порядъка на 150 ° C, тогава степента на радиационно влошаване на тяхната ефективност ще бъде относително малка през целия период на активна работа на станциите (това е особено вярно за космическите слънчеви електроцентрали, за които са важни ниското тегло и размер на FEC и високата ефективност) .

Като цяло можем да заключим, че енергийните, масовите и експлоатационните характеристики на базираните на GaAs HFC са по-съвместими с изискванията на SES и SCES (космос), отколкото характеристиките на силициевите FEC. Силицият обаче е много по-достъпен и широко използван материал от галиевия арсенид. Силицият е широко разпространен в природата и предлагането на суровини за създаване на слънчеви клетки на негова основа е почти неограничено. Технологията за производство на силициеви соларни клетки е утвърдена и непрекъснато се усъвършенства.

Съществува реална перспектива за намаляване на цената на силициевите слънчеви клетки с един до два порядъка с въвеждането на нови автоматизирани производствени методи, които правят възможно по-специално производството на силициеви ленти, слънчеви клетки с голяма площ и др.

В действителните структури с хетеропреходи ефективността днес достига повече от 30%, а в хомогенните полупроводници като монокристален силиций - до 18%. Средната ефективност на слънчевите клетки на базата на монокристален силиций днес е около 12%, въпреки че достига 18%. Това са предимно силициеви SB, които могат да се видят днес на покривите на къщи по целия свят.

За разлика от силиция, галият е много оскъден материал, което ограничава възможността за производство на базирани на GaAs HFP в количествата, необходими за широко разпространение.

Галият се добива основно от боксит, но се разглежда възможността за получаването му и от въглищна пепел и морска вода. Най-големите запаси от галий се намират в морската вода, но концентрацията там е много ниска, добивът на възстановяване се оценява само на 1% и следователно производствените разходи вероятно ще бъдат непосилни. Технологията за производство на HFP на основата на GaAs с помощта на методи за течна и газова епитаксия (ориентирано израстване на един монокристал върху повърхността на друг (върху субстрат)) все още не е развита в същата степен като технологията за производство на силициев PVS и в резултат на това цената на HFP сега е значително по-висока (с поръчки) от цената на силициевите слънчеви клетки.

Цената на HFP по време на масовото им производство въз основа на подобрена технология вероятно също ще бъде значително намалена и като цяло цената на системата за преобразуване на система за преобразуване на енергия SES, базирана на GaAs HFP, може да бъде доста сравнима с цената на силициево- базирана система. По този начин в момента е трудно да се даде ясно предимство на един от двата разглеждани полупроводникови материала - силиций или галиев арсенид и само по-нататъшното развитие на технологията на тяхното производство ще покаже кой вариант ще бъде по-рационален за наземни и космически базирана на слънчева енергия.

Разходи за производство на енергия с помощта на фотоволтаични преобразуватели на слънчева енергия.Един от важните моменти в разпространението на слънчевата енергия е нейната цена.

Основен показател за цената на фотоволтаичните панели е цената на киловат инсталирана мощност.

Тази стойност последователно намалява година след година за повече от последните 15 години (Фигура 4.15).

Ориз. 4.15. Стойност на 1 W инсталирана мощност на соларни клетки

Цената на малките фотоволтаични системи (под 500 kW) за нежилищни помещения е намаляла с $0,40 на ват през 2014 г., а цената на по-големите системи от 500 kW е намаляла с $0,70 на ват. За пета поредна година има значително намаление на цените на соларните панели с монтаж. И процесът продължава: през първата половина на 2015 г. цените паднаха с още $0,20-0,50/W, тоест с 6-13%. Постоянният спад на цените на фотоволтаичните системи е особено забележителен предвид относително стабилните цени на самите фотоволтаични модули. На американския пазар цената на панелите пада поради по-ниски свързани разходи за монтаж, по-ниски цени за други компоненти (инвертор, стъкло, алуминий, проводници и др.), по-ефективен дизайн на системата, разходите за получаване на разрешителни и инспекции, по-евтина работна ръка за работниците, а също и благодарение на усилията на компаниите за маркетинг и завладяване на пазара.

В резултат на това цената на „слънчевата електроенергия“, която се генерира в търговски слънчеви електроцентрали, е сериозно намалена. През последните 7-8 години цената е спаднала от $200 на MWh (т.е. от 20 цента на kWh) до почти $40 на MWh (до 4 цента на kWh). Цифрите идват от доклада на Националната лаборатория на Лорънс Бъркли „Истински ли са 50 $/MWh слънчева енергия?“
Спадът на цените може да се види особено ясно, ако зависимостта се извежда не от времето, а от сумарната мощност на вече инсталирани панели, тоест пуснати в експлоатация централи. Тук можете да видите, че спадът на цените е много стабилен: при всяко удвояване на общия капацитет, цената за инсталиране на нови панели намалява с 16%. Това е напълно естествен ефект: цените на всеки продукт трябва да намаляват с увеличаване на обема на продажбите.
Докладът „Проследяване на слънцето“ се основава на информация, събрана от повече от 400 000 жилищни и нежилищни фотоволтаични системи, инсталирани от 1998 г. до 2014 г. в 42 щата. Това са повече от 80% от всички фотоволтаични системи, инсталирани в страната през този период.

Ако законът на Мур остане в сила тук, тогава до 2020 или 2021 г. общият капацитет на всички слънчеви електроцентрали в света ще достигне 600 GW, а цената на електроенергията без субсидии ще падне до 4,5 цента на kWh за най-слънчевите райони (южните части на САЩ , Австралия, Близкия изток и др.) и до 6,5 цента на kWh за умерено слънчеви райони (Централна Европа, по-голямата част от Съединените щати).

Какви са цените на слънчевата енергия днес? Според американското издание Pv-magazine цените през август 2016 г. са достигнали минимум, а европейските и китайските производители на фотоволтаични панели непрекъснато намаляват цените, конкурирайки се помежду си за потребителите (фиг. 4.16).

Ориз. 4.16. Цени на силициевите модули на пазара на едро в ЕС, август 2015 г. – август 2016 г. (към 08.10.2016 г.) по произход на продукта

Цените са посочени за така наречения “peak watt”, или W-peak (Wp), тоест за максимално възможната генерирана мощност. Таблица 4.1. показва сравнение на средните цени на различни видове силиконови панели на европейския пазар за юли 2016 г.

Таблица 4.1. Преглед на цените на фотоволтаичните модули в Европа за?/W-пик към юли 2016 г. (данни от Bloomberg New Energy Finance, pvXchange, САЩ)

“Класическите” фотоволтаични панели се сглобяват от различни видове силициеви клетки – монокристални, поликристални, аморфни и др.

Експерти от Earth Policy Institute (EPI) и изследователския център Bloomberg New Energy Finance (BNEF) са изчислили степента на въздействието на цените на силициевите панели и връзката с нарастването на броя на инсталациите за производство на слънчева енергия в света. Диаграма на фиг. Фигура 4.17 илюстрира как цените на фотоволтаичните панели са се променили за $/W-пиков инсталиран капацитет от 1975 г. до 2015 г.

Ориз. 4.17. История на световните цени на силиконовите фотоволтаични панели от всички видове

през 1975 – 2015г

Взаимното влияние на намаляването на цената на инсталирания капацитет, цената на производството на слънчева енергия и нарастването на броя на фотоволтаичните инсталации в света.

През това време разходите за производство на електроенергия са намалели повече от 150 пъти (въпреки факта, че цената на W-пик на инсталирания капацитет е намаляла > 210 пъти), а общият брой на инсталациите в света, които преобразуват слънчевата светлина в електроенергията се е увеличила със 115 хиляди (!) веднъж.

Както можете да видите, когато цената на слънчевите фотоволтаични панели беше около $100 за 1 Wp през 1975 г., общият инсталационен обем в света беше само около 2 MW. Само за две години цената падна до $76,67 за 1W-пик. Като цяло оттогава мина доста време, но сега всичко се промени. До началото на 2016 г. глобалната средна цена на силициев модул за ватов пиков инсталиран капацитет беше около $0,61, а глобалният брой на инсталациите за фотоволтаично генериране нарасна експоненциално.

От 1975 г. насам цената на технологията спадна бързо. От 1976 г. до 2008 г. цената на 1 W пикова мощност на модула е спаднала с 99%. А от 2008 г. до 2015 г. – с още 80%. Едва между 2000 и 2005 г. е имало истински пробив във фотоволтаичните инсталации, според BNEF, когато цената на ват достигна „повратна точка“ за инвеститорите, след което глобалният инсталиран капацитет бързо достигна 65 GW през 2015 г.

Намаляването на цените и увеличаването на обема на продажбите на фотоволтаични модули са пряко свързани едно с друго. През последните четири десетилетия всеки спад в цената на слънчевите панели с около 26% е довел до удвояване на размера на глобалната соларна индустрия. Сега глобалните инвестиции в индустрията само растат. И това не е границата. Това ще продължи до 2030-2040 г. „Умората от инвестиции“, т.е. когато рентабилността на инвестициите в слънчева енергия забележимо намалява, не е заплаха за още няколко десетилетия.

Все по-ниско и по-ниско и по-ниско.„Футуристичните“ прогнози на BNEF се потвърждават от реални статистики. През май 2015 г. беше публикувано изследване от Националната лаборатория на Лорънс Бъркли (LBNL, САЩ). Анализ на договори на едро за продажба на слънчева електроенергия на гарантирана цена (PPA) показа, че още през януари 2015 г. са сключени 18 такива договора за 1,1 GWh на цена $50/MWh, т.е. само 5 цента за 1 kWh, въпреки факта, че обичайната средна цена на електроенергията в САЩ за 1 kWh е 12 цента.

Това се илюстрира от падащите цени на производителите на слънчева електроенергия за големите потребители на комунални услуги. Освен това тези „записи“ бързо остаряват. Например Austin Energy, САЩ, съобщи, че през есента на 2014 г. е "подписала рамково споразумение с First Solar Inc." и Hanwha Q-Cells Corp., САЩ, за 288 MW нетна входяща мощност“ на електроенергия, получена от слънчеви инсталации „на цена под 4 цента за kWh“. Но още в края на 2015 г. „град Пало Алто сключи договор за закупуване на електроенергия от слънчева енергия на цена от 37 долара/MWh“, а Bloomberg съобщи, че „енергийната компания Berkshire Hathaway Inc. NV Energy се съгласи да плати 3,87 цента на kWh за капацитет от 100 MW" за проекта, който се разработва от First Solar Inc., САЩ.

Новите търгове в Емирствата изглеждат просто зашеметяващи. Дубайският орган за електроенергия и вода (DEWA) получи оферта за 800 MW фотоволтаици за 2,99 цента за kWh. Това е почти половината от цената на 25-годишен договор за 1000 MW, подписан през 2015 г. при 5,84 цента за kWh. Така Дубай получи почти двойно намаление на цените на фотоволтаичната енергия само за 18 месеца и всички тези търгове бяха без субсидии и преференциални тарифи! И тези цени не са уникални. Както BNEF съобщи през април 2016 г., комуналната компания Enel Green Power подписа голям договор в Мексико за 3,6 kWh. Слънчевата енергия се движи уверено към икономическа конкурентоспособност с традиционните видове производство на електроенергия.

Дял в цената.Изпълнителен директор на First Solar Inc., най-голямата вертикално интегрирана компания за слънчева енергия в Съединените щати. Джим Хюз, говорейки в Edison Electric Institute (EEI), САЩ, ентусиазирано заяви, че до 2017 г. „ще постигнем пълна цена за 1 kW инсталирана мощност от по-малко от $1!“ И втората новина - "през ​​2017 г., в сравнение с цената от 2015 г., цената на соларните инсталации ще падне с още 40%" - беше обявена на Световната конференция за енергийно бъдеще в Абу Даби, също през 2015 г. Има ли противоречия с ценови графики на фиг. 4.16 и 4.17?

Въпросът е, че трябва да правите разлика между общата цена на инсталирана мощност на цялата соларна инсталация и цената на инсталираната мощност на силиконова фотоволтаична клетка или фотоволтаичен панел. В структурата на разходите на електроцентрала нито клетка, нито дори панел, сглобен със закрепващи елементи, представляват най-големия разходен елемент (фиг. 4.18).

Ориз. 4.18 Структура на разходите за фотоволтаична инсталация за частен дом в САЩ

Анализаторите на Deutsche Bank показаха откъде ще дойде този спад от 40% в цената на слънчева електрическа инсталация през 2017 г., като анализираха компонентите на цената на домашна фотоволтаична инсталация за частен дом в Съединените щати.

По-голямата част от фотоволтаичния пазар ще се фокусира конкретно върху разработването на малки домашни системи.Повечето страни в света, където се очаква глобален растеж в използването на слънчева електроенергия, все още нямат мощна мрежова структура, която да позволи ефективно преразпределение на енергията между населените места или региони. Това важи дори за САЩ. В Германия ситуацията с инфраструктурата е по-добра. Там общата цена на системите за дома е по-ниска, а общата цена на инсталациите е спаднала с около 40% през последните 3 години. Разходите в Германия сега са значително по-ниски, отколкото в САЩ и други по-слабо развити соларни пазари. Германският пример показва, че намаляването на общите разходи за фотоволтаични системи все още не е достигнало дъното, дори на относително зрели пазари.

Основният пазар за фотоволтаични инсталации през следващите години са панелите за покриви на частни къщи.В повечето случаи домашните системи няма да могат ефективно да изхвърлят излишното фотоволтаично електричество в общата електрическа мрежа, а в други моменти да компенсират недостига от него (през нощта, при облачно време или при неравномерно пиково потребление). Т.Н. “grid parity”, т.е. когато цената на електроенергията, произведена в едно домакинство, е равна на тарифата за закупена електроенергия от мрежата, в повечето случаи ще се окаже много условен показател.

Индикаторът BoS (фиг. 4.18) се отнася за допълнителните части на фотоволтаичната система, с изключение на самия соларен панел, т.е. компоненти, необходими за преобразуване на изходната мощност на PV панел в използваема електрическа енергия. Следователно в САЩ батериите обикновено са включени в BoS. Развитието на пазара обаче ще даде възможност да се намалят всички компоненти на крайната цена на ват, включително и вторият по големина показател след цената на модула – цената за монтаж.

Цената на силиция не е основното.Според изчисленията на Deutsche Bank цената на соларните модули е намаляла от $1,31/ват през 2011 г. до $0,50/ват през 2014 г. поради по-ниските разходи за обработка, по-ниските разходи за поликристален силиций и подобрената ефективност на фотоволтаичното преобразуване. Тогава цената на модулите падна с почти 60% за три години. Deutsche Bank смята, че общите разходи могат да намалеят с още 30% до 40% през следващите няколко години, но главно поради по-ниските оперативни разходи поради развитието на самия пазар, особено за жилищния сектор.

Намаляването на цената на силиция в слънчевите панели сега има малък ефект. В общата цена на модула самият силиций "тежи" не повече от 10-11 цента на ват и дори двойното намаление на цената му, което може да се постигне с огромни технологични и финансови усилия, няма да има "революционно" ефект върху общата цена на фотоволтаичните панели. Въпреки че през следващите 12 тримесечия Deutsche Bank все още очаква цената на фотоволтаичните модули да падне до равновесната цена на предлагане и търсене от $0,40 - $0,50 за ват. Ако панелите се продават на 10 цента брутна печалба при $0,50 на ват, това означава, че производителите ще спечелят минимум 20% брутна печалба - значително по-висока от последните исторически средни стойности. Освен това трябва да се намалят митата и транспортните разходи.

Цените на инверторите обикновено падат с 10-15% на година. Deutsche Bank очаква тази тенденция да продължи и в бъдеще. Големите „слънчеви доставчици“ вече са достигнали нивото от $0,25 за 1W или дори по-ниско с големи доставки. Очаква се през следващите няколко години да бъдат намерени допълнителни спестявания. Намалени разходи за компоненти, намалени разходи

Слънцето е източник на светлина и топлина, от които се нуждаят всички живи същества на Земята. Но в допълнение към фотоните на светлината, той излъчва силно йонизиращо лъчение, състоящо се от хелиеви ядра и протони. Защо се случва това?

Причини за слънчева радиация

Слънчевата радиация се произвежда през деня по време на хромосферни изригвания - гигантски експлозии, които се случват в слънчевата атмосфера. Част от слънчевата материя се изхвърля в открития космос, образувайки космически лъчи, състоящи се главно от протони и малко количество хелиеви ядра. Тези заредени частици достигат земната повърхност 15-20 минути след като слънчевото изригване стане видимо.

Въздухът прекъсва първичната космическа радиация, генерирайки каскаден ядрен поток, който избледнява с намаляване на надморската височина. В този случай се раждат нови частици - пиони, които се разпадат и се превръщат в мюони. Те проникват в ниските слоеве на атмосферата и падат на земята, заравяйки се до 1500 метра дълбочина. Именно мюоните са отговорни за образуването на вторична космическа радиация и естествена радиация, засягаща хората.

Спектър на слънчевата радиация

Спектърът на слънчевата радиация включва както късовълнови, така и дълговълнови области:

• гама лъчи;
• рентгеново лъчение;
• UV радиация;
• Видима светлина;
• инфрачервено лъчение.

Над 95% от слънчевата радиация попада в областта на „оптичния прозорец” - видимата част от спектъра със съседните области на ултравиолетовите и инфрачервените вълни. При преминаването им през слоевете на атмосферата действието на слънчевите лъчи отслабва – цялата йонизираща радиация, рентгеновите лъчи и почти 98% от ултравиолетовото лъчение се задържат от земната атмосфера. Видимата светлина и инфрачервеното лъчение достигат земята практически без загуби, въпреки че частично се абсорбират от газовите молекули и праховите частици във въздуха.

В тази връзка слънчевата радиация не води до забележимо увеличение на радиоактивното излъчване на земната повърхност. Приносът на Слънцето, заедно с космическите лъчи, за формирането на общата годишна радиационна доза е само 0,3 mSv/година. Но това е средна стойност; всъщност нивото на радиация на земята е различно и зависи от географското местоположение на района.

Къде слънчевата йонизираща радиация е най-голяма?

Най-голямата мощност на космическите лъчи се регистрира на полюсите, а най-малката на екватора. Това се дължи на факта, че магнитното поле на Земята отклонява заредените частици, падащи от космоса към полюсите. Освен това радиацията се увеличава с надморска височина - на надморска височина от 10 километра показателят й нараства 20-25 пъти. Жителите на високите планини са изложени на по-високи дози слънчева радиация, тъй като атмосферата в планините е по-тънка и по-лесно прониква от потоци от гама-кванти и елементарни частици, идващи от слънцето.

важно. Нивата на радиация до 0,3 mSv/h не оказват сериозно влияние, но при доза от 1,2 μSv/h се препоръчва напускане на района, а при спешни случаи оставане на територията му за не повече от шест месеца. Ако показанията надвишават два пъти това, трябва да ограничите престоя си в тази зона до три месеца.

Ако над морското равнище годишната доза космическа радиация е 0,3 mSv/година, то с увеличаване на надморската височина на всеки сто метра тази цифра се увеличава с 0,03 mSv/година. След малки изчисления можем да заключим, че едноседмична почивка в планината на надморска височина от 2000 метра ще даде облъчване от 1 mSv/година и ще осигури почти половината от общата годишна норма (2,4 mSv/година).

Оказва се, че жителите на планините получават годишна доза радиация, която е няколко пъти по-висока от нормалната, и трябва да страдат от левкемия и рак по-често от хората, живеещи в равнините. Всъщност това не е вярно. Напротив, в планинските райони има по-ниска смъртност от тези заболявания, а част от населението е дълголетник. Това потвърждава факта, че продължителният престой в места с висока радиационна активност не оказва отрицателно въздействие върху човешкото тяло.

Слънчеви изригвания - висока радиационна опасност

Слънчевите изригвания са голяма опасност за хората и целия живот на Земята, тъй като плътността на потока на слънчевата радиация може да надвиши нормалното ниво на космическа радиация хиляда пъти. Така изключителният съветски учен А. Л. Чижевски свързва периодите на образуване на слънчеви петна с епидемии от тиф (1883-1917) и холера (1823-1923) в Русия. Въз основа на направените от него графики още през 1930 г. той прогнозира появата на обширна пандемия от холера през 1960-1962 г., която започва в Индонезия през 1961 г., след което бързо се разпространява в други страни в Азия, Африка и Европа.

Днес са получени множество данни, показващи връзката между единадесетгодишните цикли на слънчева активност и огнищата на болести, както и с масовите миграции и сезоните на бързо размножаване на насекоми, бозайници и вируси. Хематолозите са установили увеличаване на броя на инфарктите и инсултите в периоди на максимална слънчева активност. Такава статистика се дължи на факта, че по това време кръвосъсирването на хората се увеличава и тъй като при пациенти със сърдечни заболявания компенсаторната активност е потисната, възникват неизправности в работата му, включително некроза на сърдечната тъкан и кръвоизливи в мозъка.

Големите слънчеви изригвания не се случват толкова често – веднъж на 4 години. По това време броят и размерът на слънчевите петна се увеличават и в слънчевата корона се образуват мощни коронални лъчи, състоящи се от протони и малко количество алфа частици. Най-мощният им поток астролозите регистрират през 1956 г., когато плътността на космическата радиация на повърхността на земята се увеличава 4 пъти. Друго следствие от такава слънчева активност беше полярното сияние, регистрирано в Москва и Московска област през 2000 г.

Как да се предпазите?

Разбира се, повишеният радиационен фон в планината не е причина да отказвате пътувания в планината. Въпреки това си струва да помислите за мерките за безопасност и да отидете на пътуване с преносим радиометър, който ще помогне да се контролира нивото на радиация и, ако е необходимо, да се ограничи времето, прекарано в опасни зони. Не трябва да оставате в зона, където показанията на електромера показват йонизиращо лъчение от 7 µSv/h за повече от един месец.