Zdroje tepla. Tepelná energia má pre život atmosféry rozhodujúci význam. Hlavným zdrojom tejto energie je Slnko. Čo sa týka tepelného žiarenia Mesiaca, planét a hviezd, to je pre Zem také nepodstatné, že sa s ním prakticky nedá počítať. Podstatne viac tepelnej energie poskytuje vnútorné teplo Zeme. Podľa výpočtov geofyzikov neustále prúdenie tepla z vnútra Zeme zvyšuje teplotu zemského povrchu o 0°.1. Ale taký prílev tepla je ešte taký malý, že ani s ním netreba počítať. Za jediný zdroj tepelnej energie na povrchu Zeme teda možno považovať iba Slnko.

Slnečné žiarenie. Slnko, ktoré má teplotu fotosféry (vyžarujúceho povrchu) asi 6000°, vyžaruje energiu do priestoru všetkými smermi. Časť tejto energie vo forme obrovského lúča paralelných slnečných lúčov dopadá na Zem. Slnečná energia, ktorá dopadá na povrch Zeme vo forme priamych lúčov zo Slnka, sa nazýva priame slnečné žiarenie. Nie všetko slnečné žiarenie nasmerované na Zem však dosiahne zemský povrch, pretože slnečné lúče, ktoré prechádzajú hrubou vrstvou atmosféry, sú ním čiastočne absorbované, čiastočne rozptýlené molekulami a suspendovanými časticami vzduchu a niektoré sú odrážané mrakmi. Tá časť slnečnej energie, ktorá sa rozptýli v atmosfére, sa nazýva tzv rozptýlené žiarenie. Rozptýlené slnečné žiarenie sa šíri atmosférou a dostáva sa na povrch Zeme. Tento typ žiarenia vnímame ako rovnomerné denné svetlo, keď je Slnko úplne zakryté mrakmi alebo sa práve stratilo pod obzorom.

Priame a difúzne slnečné žiarenie, ktoré dosiahne zemský povrch, nie je úplne absorbované. Časť slnečného žiarenia sa odráža od zemského povrchu späť do atmosféry a tam sa nachádza vo forme prúdu lúčov, tzv. odrazené slnečné žiarenie.

Zloženie slnečného žiarenia je veľmi zložité, čo súvisí s veľmi vysokou teplotou vyžarujúceho povrchu Slnka. Podľa vlnovej dĺžky sa spektrum slnečného žiarenia zvyčajne delí na tri časti: ultrafialové (η<0,4<μ видимую глазом (η od 0,4μ do 0,76μ) a infračervená časť (η >0,76μ). Zloženie slnečného žiarenia na zemskom povrchu ovplyvňuje okrem teploty slnečnej fotosféry aj pohlcovanie a rozptyl časti slnečných lúčov pri prechode vzduchovým obalom Zeme. Z tohto hľadiska bude zloženie slnečného žiarenia na hornej hranici atmosféry a na povrchu Zeme odlišné. Na základe teoretických výpočtov a pozorovaní sa zistilo, že na hranici atmosféry predstavuje ultrafialové žiarenie 5%, viditeľné lúče - 52% a infračervené - 43%. Na zemskom povrchu (v slnečnej výške 40°) tvoria ultrafialové lúče len 1 %, viditeľné 40 % a infračervené 59 %.

Intenzita slnečného žiarenia. Intenzitou priameho slnečného žiarenia sa rozumie množstvo tepla v kalóriách prijatých za minútu. zo žiarivej energie povrchu Slnka v 1 cm 2, umiestnené kolmo na slnečné lúče.

Na meranie intenzity priameho slnečného žiarenia sa používajú špeciálne prístroje - aktinometre a pyrheliometre; Množstvo rozptýleného žiarenia sa zisťuje pyranometrom. Automatickú registráciu trvania slnečného žiarenia vykonávajú aktinografy a heliografy. Spektrálna intenzita slnečného žiarenia je určená spektrobolografom.

Na hranici atmosféry, kde sú vylúčené absorbčné a rozptylové účinky vzduchového obalu Zeme, je intenzita priameho slnečného žiarenia približne 2. výkaly o 1 cm 2 povrchy za 1 min. Toto množstvo sa nazýva slnečná konštanta. Intenzita slnečného žiarenia v 2 výkaly o 1 cm 2 za 1 min. poskytuje počas roka také množstvo tepla, že by stačilo roztopiť vrstvu ľadu 35 m hrubé, ak takáto vrstva pokrývala celý zemský povrch.

Početné merania intenzity slnečného žiarenia dávajú dôvod domnievať sa, že množstvo slnečnej energie prichádzajúcej k hornej hranici zemskej atmosféry kolíše o niekoľko percent. Oscilácie sú periodické a neperiodické, zjavne spojené s procesmi prebiehajúcimi na samotnom Slnku.

Okrem toho v priebehu roka dochádza k určitej zmene intenzity slnečného žiarenia v dôsledku skutočnosti, že Zem sa pri svojej ročnej rotácii nepohybuje po kruhu, ale po elipse, v jednom z ohniskov, v ktorom sa nachádza Slnko. . V tomto smere sa mení vzdialenosť Zeme od Slnka a následne kolíše aj intenzita slnečného žiarenia. Najväčšiu intenzitu pozorujeme okolo 3. januára, keď je Zem najbližšie k Slnku, a najnižšiu okolo 5. júla, keď je Zem v maximálnej vzdialenosti od Slnka.

Z tohto dôvodu sú výkyvy v intenzite slnečného žiarenia veľmi malé a môžu byť zaujímavé len teoreticky. (Množstvo energie v maximálnej vzdialenosti súvisí s množstvom energie v minimálnej vzdialenosti 100:107, t.j. rozdiel je úplne zanedbateľný.)

Podmienky ožiarenia povrchu zemegule. Už len samotný guľovitý tvar Zeme vedie k tomu, že žiarivá energia Slnka je na povrchu Zeme rozložená veľmi nerovnomerne. Takže v dňoch jarnej a jesennej rovnodennosti (21. marca a 23. septembra) bude len na rovníku na poludnie uhol dopadu lúčov 90° (obr. 30) a pri približovaní sa k pólom bude pokles z 90 na 0°. teda

ak sa na rovníku množstvo prijatého žiarenia berie ako 1, potom na 60. rovnobežke bude vyjadrené ako 0,5 a na póle sa bude rovnať 0.

Zemeguľa má navyše denný a ročný pohyb a zemská os je voči rovine obehu naklonená o 66°.5. Vďaka tomuto sklonu vzniká medzi rovníkovou rovinou a rovinou obežnej dráhy uhol 23°30. Táto okolnosť vedie k tomu, že uhly dopadu slnečných lúčov pre rovnaké zemepisné šírky sa budú meniť v rozmedzí 47° (23,5 + 23,5 ).

V závislosti od ročného obdobia sa mení nielen uhol dopadu lúčov, ale aj dĺžka osvetlenia. Ak je v tropických krajinách dĺžka dňa a noci vo všetkých ročných obdobiach približne rovnaká, tak v polárnych krajinách je to naopak veľmi rozdielne. Napríklad pri 70° N. w. v lete Slnko nezapadne 65 dní pri 80° severnej šírky. sh.- 134 a na póle -186. Z tohto dôvodu je radiácia na severnom póle v deň letného slnovratu (22. júna) o 36 % väčšia ako na rovníku. Pokiaľ ide o celú letnú polovicu roka, celkové množstvo tepla a svetla prijatého pólom je len o 17% menšie ako na rovníku. Tak v lete v polárnych krajinách trvanie osvetlenia do značnej miery kompenzuje nedostatok žiarenia, ktorý je dôsledkom malého uhla dopadu lúčov. V zimnej polovici roka je obraz úplne odlišný: množstvo žiarenia na tom istom severnom póle sa bude rovnať 0. Výsledkom je, že v priebehu roka je priemerné množstvo žiarenia na póle o 2,4 menšie ako na póle. rovník. Zo všetkého povedaného vyplýva, že množstvo slnečnej energie, ktorú Zem získa žiarením, je určené uhlom dopadu lúčov a dĺžkou ožiarenia.

Pri absencii atmosféry v rôznych zemepisných šírkach by zemský povrch dostal nasledujúce množstvo tepla za deň, vyjadrené v kalóriách na 1 cm 2(pozri tabuľku na strane 92).

Rozloženie žiarenia po zemskom povrchu uvedené v tabuľke sa zvyčajne nazýva slnečná klíma. Opakujeme, že takéto rozloženie žiarenia máme len na hornej hranici atmosféry.

Oslabenie slnečného žiarenia v atmosfére. Doteraz sme hovorili o podmienkach distribúcie slnečného tepla po zemskom povrchu, bez toho, aby sme brali do úvahy atmosféru. Medzitým je atmosféra v tomto prípade veľmi dôležitá. Slnečné žiarenie prechádzajúce atmosférou sa rozptyľuje a okrem toho absorbuje. Oba tieto procesy spolu do značnej miery tlmia slnečné žiarenie.

Slnečné lúče, prechádzajúce atmosférou, zažijú najskôr rozptyl (difúziu). Rozptyl vzniká tým, že svetelné lúče, lámané a odrazené od molekúl vzduchu a častíc pevných a tekutých telies vo vzduchu, sa odchyľujú od priamej dráhy Komu naozaj "rozptýliť".

Rozptyl výrazne tlmí slnečné žiarenie. S nárastom množstva vodnej pary a najmä prachových častíc sa zväčšuje rozptyl a zoslabuje sa žiarenie. Vo veľkých mestách a púštnych oblastiach, kde je obsah prachu vo vzduchu najväčší, rozptyl oslabuje silu žiarenia o 30 – 45 %. Vďaka rozptylu sa získava denné svetlo, ktoré osvetľuje predmety, aj keď na ne priamo nedopadajú slnečné lúče. Rozptyl určuje aj farbu oblohy.

Zastavme sa teraz pri schopnosti atmosféry absorbovať žiarivú energiu zo Slnka. Hlavné plyny, ktoré tvoria atmosféru, absorbujú relatívne málo žiarivej energie. Nečistoty (vodná para, ozón, oxid uhličitý a prach) majú naopak vysokú absorpčnú schopnosť.

V troposfére je najvýznamnejšou nečistotou vodná para. Obzvlášť silne absorbujú infračervené (dlhovlnné), t.j. prevažne tepelné lúče. A čím viac vodnej pary v atmosfére, tým prirodzene viac a. absorpcie. Množstvo vodnej pary v atmosfére podlieha veľkým zmenám. V prírodných podmienkach sa pohybuje od 0,01 do 4 % (objemovo).

Ozón má veľmi vysokú absorpčnú kapacitu. Výrazná prímes ozónu, ako už bolo spomenuté, sa nachádza v spodných vrstvách stratosféry (nad tropopauzou). Ozón takmer úplne absorbuje ultrafialové (krátkovlnné) lúče.

Oxid uhličitý má tiež vysokú absorpčnú kapacitu. Pohlcuje hlavne dlhovlnné, t.j. prevažne tepelné lúče.

Prach vo vzduchu tiež pohlcuje časť slnečného žiarenia. Pri zahrievaní slnečnými lúčmi dokáže výrazne zvýšiť teplotu vzduchu.

Z celkového množstva slnečnej energie prichádzajúcej na Zem absorbuje atmosféra len asi 15 %.

Útlm slnečného žiarenia rozptylom a absorpciou atmosférou je pre rôzne zemepisné šírky Zeme veľmi rozdielny. Tento rozdiel závisí predovšetkým od uhla dopadu lúčov. V zenitovej polohe Slnka vertikálne dopadajúce lúče prechádzajú atmosférou najkratšou cestou. S klesajúcim uhlom dopadu sa dráha lúčov predlžuje a tlmenie slnečného žiarenia sa stáva výraznejším. Ten je dobre viditeľný z nákresu (obr. 31) a priloženej tabuľky (v tabuľke je dráha slnečného lúča v zenitovej polohe Slnka braná ako jedna).

V závislosti od uhla dopadu lúčov sa mení nielen počet lúčov, ale aj ich kvalita. V období, keď je Slnko v zenite (nad hlavou), tvoria ultrafialové lúče 4 %,

viditeľné – 44 % a infračervené – 52 %. Keď je Slnko blízko obzoru, ultrafialové lúče nie sú vôbec, viditeľné 28 % a infračervené 72 %.

Zložitosť vplyvu atmosféry na slnečné žiarenie ešte zhoršuje skutočnosť, že jej prenosová kapacita sa značne líši v závislosti od ročného obdobia a poveternostných podmienok. Ak by teda obloha zostala po celý čas bez mráčika, potom by sa dal ročný priebeh prílevu slnečného žiarenia v rôznych zemepisných šírkach graficky vyjadriť nasledovne (obr. 32) Na výkrese je jasne vidieť, že pri bezoblačnej oblohe v máji v Moskve V júni a júli by sa zo slnečného žiarenia prijalo viac tepla ako na rovníku. Podobne v druhej polovici mája, júna a prvej polovice júla by sa na severnom póle dostalo viac tepla ako na rovníku a v Moskve. Opakujeme, že to bude prípad bezoblačnej oblohy. Ale v skutočnosti to nefunguje, pretože oblačnosť výrazne oslabuje slnečné žiarenie. Uveďme príklad znázornený na grafe (obr. 33). Graf ukazuje, koľko slnečného žiarenia nedosiahne zemský povrch: jeho významnú časť oneskoruje atmosféra a mraky.

Treba však povedať, že teplo pohltené mrakmi ide sčasti na zohrievanie atmosféry a sčasti sa nepriamo dostáva na zemský povrch.

Denné a ročné zmeny intenzity slnečného žiareniasvetelného žiarenia. Intenzita priameho slnečného žiarenia na zemský povrch závisí od výšky Slnka nad horizontom a od stavu atmosféry (obsahu prachu v nej). Ak. Ak by bola priehľadnosť atmosféry konštantná počas celého dňa, potom by bola maximálna intenzita slnečného žiarenia pozorovaná na poludnie a minimálna pri východe a západe slnka. V tomto prípade by bol graf dennej intenzity slnečného žiarenia symetrický vzhľadom na pol dňa.

Obsah prachu, vodných pár a iných nečistôt v atmosfére sa neustále mení. V tomto smere sa mení priehľadnosť vzduchu a narúša sa symetria grafu intenzity slnečného žiarenia. Často, najmä v lete, na poludnie, keď sa zemský povrch intenzívne zahrieva, vznikajú silné vzostupné prúdy vzduchu a zvyšuje sa množstvo vodnej pary a prachu v atmosfére. To má za následok výrazné zníženie slnečného žiarenia na poludnie; Maximálna intenzita žiarenia je v tomto prípade pozorovaná v predpoludňajších alebo popoludňajších hodinách. Ročné kolísanie intenzity slnečného žiarenia súvisí aj so zmenami výšky Slnka nad obzorom počas roka a so stavom priehľadnosti atmosféry v rôznych ročných obdobiach. V krajinách severnej pologule je najvyššia výška Slnka nad obzorom v mesiaci jún. Zároveň sa však pozoruje najväčšia prašnosť atmosféry. Maximálna intenzita preto zvyčajne nenastáva uprostred leta, ale v jarných mesiacoch, keď Slnko vystupuje dosť vysoko* nad obzor a atmosféra po zime zostáva relatívne čistá. Na ilustráciu ročného kolísania intenzity slnečného žiarenia na severnej pologuli uvádzame údaje o priemerných mesačných hodnotách intenzity poludňajšieho žiarenia v Pavlovsku.

Množstvo tepla zo slnečného žiarenia. Počas dňa povrch Zeme nepretržite prijíma teplo z priameho a difúzneho slnečného žiarenia alebo len z difúzneho žiarenia (v zamračenom počasí). Denné množstvo tepla sa určuje na základe aktinometrických pozorovaní: s prihliadnutím na množstvo priameho a difúzneho žiarenia prijatého na zemský povrch. Po určení množstva tepla na každý deň sa vypočíta množstvo tepla prijatého zemským povrchom za mesiac alebo za rok.

Denné množstvo tepla prijatého zemským povrchom zo slnečného žiarenia závisí od intenzity žiarenia a dĺžky jeho pôsobenia počas dňa. V tomto ohľade sa minimálny prílev tepla vyskytuje v zime a maximálny v lete. V geografickom rozložení celkového žiarenia okolo zemegule sa jeho nárast pozoruje s klesajúcou zemepisnou šírkou. Túto pozíciu potvrdzuje nasledujúca tabuľka.

Úloha priameho a difúzneho žiarenia v ročnom množstve tepla prijatého zemským povrchom v rôznych zemepisných šírkach zemegule je rôzna. Vo vysokých zemepisných šírkach dominuje ročnému množstvu tepla rozptýlené žiarenie. S klesajúcou zemepisnou šírkou sa stáva dominantným priame slnečné žiarenie. Napríklad v Tikhaya Bay poskytuje difúzne slnečné žiarenie 70 % ročného množstva tepla a priame žiarenie len 30 %. V Taškente naopak priame slnečné žiarenie poskytuje 70 %, rozptýlené len 30 %.

Odrazivosť Zeme. Albedo. Ako už bolo naznačené, zemský povrch pohltí len časť slnečnej energie, ktorá sa k nemu dostane vo forme priameho a difúzneho žiarenia. Druhá časť sa odráža do atmosféry. Pomer množstva slnečného žiarenia odrazeného daným povrchom k množstvu žiarivého energetického toku dopadajúceho na tento povrch sa nazýva albedo. Albedo je vyjadrené v percentách a charakterizuje odrazivosť daného povrchu.

Albedo závisí od charakteru povrchu (vlastnosti pôdy, prítomnosť snehu, vegetácie, vody a pod.) a od uhla dopadu slnečných lúčov na zemský povrch. Napríklad, ak lúče dopadajú na zemský povrch pod uhlom 45°, potom:

Z vyššie uvedených príkladov je zrejmé, že odrazivosť rôznych predmetov nie je rovnaká. Najväčší je pri snehu a najmenej pri vode. Príklady, ktoré sme zobrali, sa však týkajú len tých prípadov, keď je výška Slnka nad horizontom 45°. Keď sa tento uhol zmenšuje, odrazivosť sa zvyšuje. Takže napríklad pri slnečnej výške 90° voda odráža len 2%, pri 50° - 4%, pri 20° - 12%, pri 5° - 35-70% (v závislosti od stavu vodnej hladiny ).

Pri bezoblačnej oblohe odráža povrch zemegule v priemere 8 % slnečného žiarenia. Navyše 9 % odráža atmosféra. Zemeguľa ako celok s bezoblačnou oblohou teda odráža 17 % žiarivej energie Slnka, ktorá na ňu dopadá. Ak je obloha pokrytá mrakmi, potom sa od nich odráža 78% žiarenia. Ak zoberieme prírodné podmienky, na základe pomeru medzi bezoblačnou oblohou a oblohou pokrytou mrakmi, ktoré sú pozorované v skutočnosti, tak odrazivosť Zeme ako celku je rovná 43%.

Zemské a atmosférické žiarenie. Zem, ktorá prijíma slnečnú energiu, sa zahrieva a sama sa stáva zdrojom tepelného žiarenia do vesmíru. Lúče vyžarované zemským povrchom sú však veľmi odlišné od slnečných lúčov. Zem vyžaruje iba dlhovlnné (λ 8-14 μ) neviditeľné infračervené (tepelné) lúče. Energia vyžarovaná zemským povrchom je tzv pozemské žiarenie.Žiarenie zo Zeme vzniká... deň a noc. Čím vyššia je teplota emitujúceho telesa, tým väčšia je intenzita žiarenia. Zemské žiarenie sa určuje v rovnakých jednotkách ako slnečné žiarenie, t.j. v kalóriách od 1 cm 2 povrchy za 1 min. Pozorovania ukázali, že množstvo pozemského žiarenia je malé. Zvyčajne dosahuje 15-18 stotín kalórií. Ale pri nepretržitom pôsobení môže poskytnúť významný tepelný efekt.

Najsilnejšie pozemské žiarenie sa získava pri bezoblačnej oblohe a dobrej priehľadnosti atmosféry. Oblačnosť (najmä nízka oblačnosť) výrazne znižuje terestrickú radiáciu a často ju znižuje na nulu. Tu môžeme povedať, že atmosféra spolu s oblakmi je dobrá „deka“, ktorá chráni Zem pred nadmerným ochladzovaním. Časti atmosféry, podobne ako oblasti zemského povrchu, vyžarujú energiu podľa svojej teploty. Táto energia sa nazýva atmosférické žiarenie. Intenzita atmosférického žiarenia závisí od teploty vyžarujúcej časti atmosféry, ako aj od množstva vodnej pary a oxidu uhličitého obsiahnutých vo vzduchu. Atmosférické žiarenie patrí do skupiny dlhovlnných. Šíri sa v atmosfére všetkými smermi; jeho určité množstvo sa dostane na zemský povrch a je ním absorbované, druhá časť ide do medziplanetárneho priestoru.

O príchod a spotreba slnečnej energie na Zem. Zemský povrch na jednej strane prijíma slnečnú energiu vo forme priameho a difúzneho žiarenia a na druhej strane časť tejto energie stráca vo forme pozemského žiarenia. V dôsledku príchodu a spotreby slnečnej energie sa získa určitý výsledok. V niektorých prípadoch môže byť tento výsledok pozitívny, v iných negatívny. Uveďme príklady oboch.

8. januára. Deň je bez mráčika. Dňa 1 cm 2 zemský povrch dostal za 20 dní výkaly priame slnečné žiarenie a 12 výkaly rozptýlené žiarenie; celkovo to dáva 32 kal. Zároveň v dôsledku žiarenia 1 cm? Zemský povrch sa stratil 202 kal. Výsledkom je, že v účtovnom jazyku má súvaha stratu 170 výkaly(záporný zostatok).

6. júla. Obloha je takmer bez mráčika. 630 prijatých z priameho slnečného žiarenia výkaly, z rozptýleného žiarenia 46 kal. Celkovo teda zemský povrch dostal 1 cm 2 676 kal. 173 stratených pozemským žiarením kal. Súvaha vykazuje zisk 503 výkaly(bilancia je kladná).

Z uvedených príkladov je okrem iného úplne jasné, prečo sú mierne zemepisné šírky v zime chladné a v lete teplé.

Využitie slnečného žiarenia na technické a domáce účely. Slnečné žiarenie je nevyčerpateľný prírodný zdroj energie. Množstvo slnečnej energie na Zemi možno posúdiť na tomto príklade: ak napríklad využijeme teplo slnečného žiarenia dopadajúce len na 1/10 plochy ZSSR, môžeme získať energiu rovnajúcu sa práci. z 30 tisíc vodných elektrární Dneper.

Ľudia sa oddávna snažia využiť voľnú energiu slnečného žiarenia pre svoje potreby. K dnešnému dňu bolo vytvorených mnoho rôznych solárnych elektrární, ktoré pracujú s využitím slnečného žiarenia a sú široko používané v priemysle a na uspokojenie domácich potrieb obyvateľstva. V južných oblastiach ZSSR fungujú solárne ohrievače vody, kotly, zariadenia na odsoľovanie slanej vody, solárne sušičky (na sušenie ovocia), kuchyne, kúpele, skleníky a zariadenia na lekárske účely na základe širokého využívania slnečného žiarenia v priemysel a verejné služby. Slnečné žiarenie je široko používané v strediskách na liečbu a zlepšenie zdravia ľudí.

- zdroj-

Polovinkin, A.A. Základy všeobecnej geovedy/ A.A. Polovinkin.- M.: Štátne vzdelávacie a pedagogické nakladateľstvo Ministerstva školstva RSFSR, 1958. - 482 s.

Zobrazenia príspevku: 469

Spektrálny rozklad

Slnečné svetlo je elektromagnetické žiarenie vychádzajúce zo Slnka. Na Zemi naša atmosféra filtruje žiarenie zo Slnka, čím nás chráni pred škodlivým žiarením a mení jeho farbu.

Odkiaľ to pochádza?

Pozrime sa na všetky vlnové dĺžky svetla v slnečnom žiarení. Ako asi viete, obrovská teplota a tlak v jadre spôsobujú premenu vodíka na atómy hélia. Časť energie z tohto zlúčenia sa uvoľní vo forme gama lúčov. Tieto gama lúče sú absorbované časticami na Slnku a potom znovu vyžarované. Fotónom trvá 200 000 rokov, kým uniknú z jadra do vesmíru. Povrch Slnka sa nazýva fotosféra a práve vo fotosfére svetlo konečne uniká do vesmíru. Po dlhej ceste cez Slnko fotóny strácajú energiu a mení sa ich vlnová dĺžka.

To je dobrá správa, inak by bol vývoj života na Zemi pri neustálom ožarovaní gama lúčmi zložitý.

Svetlo vyžarované Slnkom je zmesou rôznych vlnových dĺžok. Teplo, ktoré cítime, je infračervené žiarenie s rozsahom vlnových dĺžok od 1400 nm do 1 mm. Viditeľné svetlo má vlnovú dĺžku od 400 do 700 nm.

Vo vesmíre sa slnečné svetlo javí ako biele, ale tu na Zemi ho vidíme žlté, pretože naša atmosféra odmieta modré a fialové fotóny.

Ultrafialové žiarenie, našťastie, pohlcuje zemská atmosféra, je životu dosť nebezpečné. Spektrum slnečného svetla je súvislé a obsahuje veľa tmavých čiar spôsobených jeho absorpciou v chladných vrstvách jeho atmosféry. Všetok život na Zemi závisí od slnečného žiarenia. Je hlavným zdrojom energie na Zemi a riadi počasie planéty a cirkuláciu oceánov. Bez tohto zdroja energie Zem zamrzne.

Výraznosť na povrchu

Žiarenie zo Slnka, ktoré je známe ako slnečné svetlo, je zmesou elektromagnetických vĺn od infračervených (IR) po ultrafialové (UV) lúče. Zahŕňa viditeľné svetlo, ktoré v elektromagnetickom spektre spadá medzi IR a UV.

Rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn

Všetky elektromagnetické vlny (EM) sa vo vákuu šíria rýchlosťou približne 3,0 x 10 x 8 m/s. Priestor nie je dokonalé vákuum, v skutočnosti obsahuje častice v nízkych koncentráciách, elektromagnetické vlny, neutrína a magnetické polia. Keďže priemerná vzdialenosť medzi Zemou a Slnkom je viac ako 149,6 milióna km, trvá žiareniu približne 8 minút, kým sa dostane na Zem. Slnko nesvieti len v IR, viditeľnom a UV pásme. V podstate vyžaruje vysokoenergetické gama lúče.

Fotóny gama žiarenia však cestujú dlhú cestu k povrchu, sú neustále pohlcované slnečnou plazmou a so zmenou ich frekvencie opätovne emitované.

V čase, keď sa dostanú na povrch, sú fotóny gama žiarenia v infračervenom, viditeľnom a UV spektre. Infračervené žiarenie je teplo, ktoré cítime. Bez nej a viditeľného svetla by bol život na Zemi nemožný. Počas slnečných erupcií vyžaruje aj röntgenové lúče. Keď elektromagnetické žiarenie zo Slnka dosiahne zemskú atmosféru, časť z neho sa pohltí, zatiaľ čo zvyšok dosiahne zemský povrch.

Konkrétne UV žiarenie je absorbované ozónovou vrstvou a opätovne vyžarované ako teplo, čo spôsobuje otepľovanie stratosféry.

Spektrálny rozsah elektromagnetického žiarenia zo Slnka je veľmi široký – od rádiových vĺn až po röntgenové žiarenie. Jeho maximálna intenzita sa však vyskytuje vo viditeľnej (žlto-zelenej) časti spektra.

Ryža. 4.5. Spektrum slnečného žiarenia pozorované nad zemskou atmosférou a na hladine mora

Obzvlášť zaujímavá je časť slnečného spektra, ktorá zahŕňa elektromagnetické polia a žiarenie s vlnovými dĺžkami nad 100 nm. V tejto časti slnečného spektra sa rozlišujú tri typy žiarenia:

Ultrafialové (UV) – s vlnovou dĺžkou 290-400 nm;

Viditeľné - s vlnovou dĺžkou 400-760 nm;

Infračervené (IR) – s vlnovou dĺžkou 760-2800 nm.

Slnečné lúče musia pred dosiahnutím zemského povrchu prejsť hrubou vrstvou atmosféry. Slnečné žiarenie je pohlcované a rozptyľované vodnou parou, molekulami plynu, prachovými časticami atď. Asi 30 % slnečného žiarenia nedosiahne zemský povrch. Ak je teda na hranici zemskej atmosféry ultrafialová časť slnečného spektra 5 %, viditeľná časť 52 % a infračervená časť 43 %, potom na povrchu Zeme je ultrafialová časť 1 %, viditeľná časť je 40 % a infračervená časť slnečného spektra je 59 %. Niektoré zdroje informácií poskytujú trochu odlišný obraz o distribúcii energie slnečného žiarenia na úrovni zeme: ultrafialové žiarenie – asi 2 %, viditeľná časť spektra – asi 49 % a infračervená zóna – tiež asi 49 %.

Intenzita slnečného žiarenia na povrchu Zeme bude vždy menšia ako úroveň slnečného žiarenia na hranici zemskej atmosféry. Na útlme slnečného žiarenia sa výrazne podieľa prítomnosť oblačnosti, znečistenie ovzdušia, opar či dokonca rozptýlená oblačnosť. Závislosť FV výkonu od poveternostných podmienok je znázornená na obr. 4. 6.

Ryža. 4. 6. Závislosť FV výkonu od poveternostných podmienok

Keď je obloha úplne pokrytá mrakmi, intenzita UV žiarenia sa zníži o 72%, keď je obloha pokrytá mrakmi na polovicu - o 44% a v extrémnych podmienkach - o viac ako 90%. Ozón a kyslík úplne absorbujú krátkovlnné UV žiarenie (vlnová dĺžka 290-100 nm), čím chránia všetky živé veci pred jeho škodlivými účinkami. Molekuly vzduchu rozptyľujú najmä ultrafialovú a modrú časť spektra (preto modrá farba oblohy), preto je rozptýlené žiarenie bohatšie na UV lúče. Keď je Slnko nízko nad obzorom, lúče prechádzajú na väčšiu vzdialenosť a rozptyl svetla, a to aj v oblasti UV žiarenia, sa zvyšuje. Preto sa na poludnie Slnko javí ako biele, žlté a potom oranžové, keďže na priamom slnečnom svetle je menej ultrafialových a modrých lúčov.

Úroveň slnečného žiarenia sa hodnotí podľa jeho intenzity (watty na jednotku plochy) a tepelného účinku (kalórie na jednotku plochy za jednotku času.

Pri zohľadnení spektrálnych charakteristík slnečného žiarenia a stavu technického pokroku v oblasti slnečnej energie možno spomedzi existujúcich metód premeny slnečnej energie identifikovať najčastejšie tieto:

- fotoelektrické;

- solárne tepelné;

- termálny vzduch.

4.2.2. Fotovoltaické konvertory solárnej energie.

Princíp fungovania. Energeticky najefektívnejšie zariadenia na premenu slnečnej energie na elektrickú energiu sú polovodičové fotovoltické meniče (PVC), obr. 4.7.

Ryža. 4.7. Fotovoltaické meniče energie

Teoreticky môže ich maximálna účinnosť presiahnuť 90 %. Technický pokrok zameraný na znižovanie nevratných strát energie optimalizáciou zloženia, štruktúry a ďalších parametrov solárnych článkov umožní v najbližších rokoch zvýšiť praktickú účinnosť na 50 % a viac, pričom úroveň už dosiahnutá v laboratórnych podmienkach je takmer 40 %. Je potrebné poznamenať, že hlavné straty energie v solárnych článkoch sú spojené s:

– odraz slnečného žiarenia od povrchu konvertora;

– prechod časti žiarenia cez solárny článok bez absorpcie v ňom;

– rozptyl prebytočnej fotónovej energie na tepelných vibráciách mriežky;

– rekombinácia vytvorených fotopárov na povrchoch a v objeme solárneho článku;

– vnútorný odpor meniča

– a niektoré ďalšie fyzikálne procesy.

Fotoelektrická premena slnečnej energie využíva fotoelektrický jav objavený Hertzom. Fotografický efekt (fotografie - z gréckeho "svetla") vzniká v dôsledku vplyvu slnečného žiarenia na povrchové vrstvy polovodiča s hrúbkou približne 2-3 mikróny, pričom sa uvoľní určitý počet elektrónov. S výskytom voľných elektrónov v polovodičovom tele a za prítomnosti rozdielu elektrického potenciálu v ňom vzniká elektrický prúd. Medzi ožiareným povrchom polovodiča a jeho „tieňovou“ stranou vzniká potenciálny rozdiel. Hlavným materiálom na výrobu solárnych článkov v dnešnom svete je kremík. Technicky čistý kremík (koncentrácia nečistôt<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.

Fotovoltaický efekt sa vyskytuje v nehomogénnych polovodičových štruktúrach pri vystavení slnečnému žiareniu. Heterogenitu štruktúry PV možno získať dopovaním toho istého polovodiča rôznymi nečistotami (vytvorením p-n prechodov) alebo spojením rôznych polovodičov s nerovnakým zakázaným pásmom - energiou odstránenia elektrónov z atómu (vytvorením heteroprechodov), prípadne zmenou chemického zloženie polovodiča, čo vedie k vzniku gradientu šírky zakázaného pásma (tvorba štruktúr s odstupňovanou medzerou). Možné sú aj rôzne kombinácie vyššie uvedených metód. Účinnosť konverzie závisí od elektrických charakteristík nehomogénnej polovodičovej štruktúry, ako aj od optických vlastností solárneho článku, z ktorých najdôležitejšiu úlohu zohráva fotovodivosť, spôsobená vnútorným fotoelektrickým javom v polovodičoch pri ožiarení slnečným žiarením.

Princíp činnosti FV článkov je možné vysvetliť na príklade meničov s p-n prechodmi, ktoré majú široké využitie v modernej slnečnej a vesmírnej energetike (obr. 4.8).

Ryža. 4.8. Princíp činnosti polovodičovej fotovoltaiky

prevodníky

Prechod elektrón-diera vzniká dopovaním plátku z monokryštálového polovodičového materiálu s určitým typom vodivosti (t.j. buď p- alebo n-typu) prímesou, čím sa zabezpečí vytvorenie povrchovej vrstvy s opačnou vodivosťou. typu. Koncentrácia dopantu v tejto vrstve musí byť podstatne vyššia ako koncentrácia dopantu v základnom (pôvodnom monokryštálovom) materiáli, aby sa neutralizovali tam prítomné hlavné voľné nosiče náboja a vytvorila sa vodivosť opačného znamienka. Na rozhraní n- a p-vrstiev sa v dôsledku toku náboja vytvárajú ochudobnené zóny s nekompenzovaným objemovým kladným nábojom v n-vrstve a objemovo záporným nábojom v p-vrstve. Tieto zóny spolu tvoria p-n križovatku. Potenciálna bariéra (rozdiel kontaktných potenciálov), ktorá sa objavuje na prechode, bráni prechodu hlavných nosičov náboja, t.j. elektróny zo strany p-vrstvy, ale voľne umožňujú prechod menšinových nosičov v opačných smeroch. Táto vlastnosť p-n prechodov určuje možnosť získania foto-emf pri ožarovaní solárneho článku slnečným žiarením. Nerovnovážne nosiče náboja (páry elektrón-diera) vytvorené svetlom v oboch vrstvách fotovoltaického článku sú oddelené na p-n prechode: menšinové nosiče (t. j. elektróny) voľne prechádzajú cez prechod a väčšinové nosiče (diery) zostávajú zachované. P-n prechodom bude teda pod vplyvom slnečného žiarenia v oboch smeroch tiecť prúd nerovnovážnych menšinových nosičov náboja - fotoelektrónov a fotodier, čo je presne to, čo je potrebné pre činnosť solárneho článku. Ak teraz uzavrieme vonkajší obvod, potom sa elektróny z n-vrstvy po vykonaní práce na záťaži vrátia do p-vrstvy a tam sa rekombinujú (zjednotia) s otvormi pohybujúcimi sa vo vnútri solárneho článku v opačnom smere. Na zhromažďovanie a odstraňovanie elektrónov do vonkajšieho obvodu je na povrchu polovodičovej štruktúry solárneho článku kontaktný systém. Na prednej osvetlenej ploche meniča sú kontakty vytvorené vo forme mriežky alebo hrebeňa a na zadnej strane môžu byť plné.

Typy fotoelektrických konvertorov slnečnej energie. Dnes môžeme hovoriť o troch generáciách fotovoltaických článkov.

Do prvej generácie, kryštalický, zahŕňajú (obr. 4.9):

- monokryštalické kremíkové solárne články,

– polykryštalický kremík a

– technológie na pestovanie tenkostenných prírezov - EFG (technika rastu kryštálov s hranou definovanou okrajom), - S-web (Siemens), tenkovrstvový polysilikón (Apex).

Ryža. 4. 9. Kryštalické solárne články

Hlavným ukazovateľom účinnosti fotočlánkov je faktor účinnosti - pomer množstva energie dodanej do fotočlánku k množstvu energie prijatej spotrebiteľom.

Sériovo vyrábané solárne články na báze monokryštalického kremíka majú praktickú účinnosť 16 - 17%, tie využívajúce polykryštalický kremík - 14 - 15%, amorfný kremík - 8 - 9%.

Druhá generácia, tenký film, umožňuje vyrábať elektrickú energiu pomocou fotobuniek (obr. 4.10):

– kremík: amorfný, mikrokryštalický, nanokryštalický, CSG (kryštalický kremík na skle);

– na báze teluridu kadmia (CdTe);

– na báze selenidu medi-india-(gália) (CI(G)S).

Ryža. 4.10. Film PV

Technológia výroby tenkovrstvových fotovoltaických meničov (FCPC) druhej generácie zahŕňa nanášanie vrstiev vákuovou metódou. Vákuová technológia je v porovnaní s technológiou výroby kryštalických solárnych článkov menej energeticky náročná a vyznačuje sa aj nižším objemom kapitálových investícií. Umožňuje výrobu flexibilných, lacných solárnych článkov s veľkou plochou, ale koeficient premeny takýchto prvkov je v porovnaní so solárnymi článkami prvej generácie nižší.

TC PV články sa delia podľa druhu materiálu na kremíkové a nekremíkové. Kremíkové solárne články môžu byť jednovrstvové amorfné (ako prvé sa objavili historicky) alebo majú zložitejšiu štruktúru (napríklad amorfno-mikromorfné), ktorá sa objavila neskôr. PV TC sa vyrábajú na pevných alebo pružných substrátoch. V posledných rokoch rozdelenie výroby PV článkov vo svete podľa typu technológie určilo podiel kremíkových PV článkov (mono- a multi-kremíkov) na 86 %, TC na báze amorfného kremíka 6 %. Zostávajúca časť solárnych článkov bola vyrobená vo forme tenkých vrstiev takých materiálov, ako je telurid kadmia (CdTe) - 6%, meď a diselenid india (CIS/CIGS) - 2%.

Hlavné výhody TC PV v porovnaní s kremíkovým kryštalickým PV sú nasledovné:

– nižšie jednotkové náklady;

- nižšia spotreba materiálu;

– schopnosť vyrábať veľkoplošné zariadenia;

– menej technologických operácií;

– schopnosť prijímať rozptýlené a slabé slnečné svetlo (keď je slnko povedzme skryté za mrakmi) je oveľa efektívnejšie ako kryštalické batérie.

FEP tretej generácie:

– prvky fotosenzibilizované farbivom (farbivom citlivý solárny článok, DSC) (obr. 4.11);

– organický (polymérový) FEP (OPV) (obr. 4.12 a obr. 4.13);

– anorganický RVP (CTZSS);

– FV články založené na kaskádových štruktúrach (obr. 4.14).

Ryža. 4.11. FEP fotosenzibilizované farbivom

Ryža. 4. 12. Výroba organického polyméru FEP

Ryža. 4.13. Organický polymér FEP

Ryža. 4.14.PVS na báze kaskádových štruktúr

Myšlienkou vytvorenia PV článkov tretej generácie bolo ďalšie zníženie nákladov na PV články, upustenie od používania drahých a toxických materiálov v prospech lacných a recyklovateľných polymérov a elektrolytov. Dôležitým rozdielom je aj možnosť nanášania vrstiev pomocou tlačových metód, napríklad pomocou technológie roll-to-roll (R2R).

Opatrenia na zlepšenie RVP. Berúc do úvahy metódy premeny energie používané na zníženie všetkých typov strát energie vo fotovoltaických elektrárňach, sú vyvinuté a aplikované nasledujúce opatrenia:

– používanie polovodičov s optimálnym zakázaným pásmom pre slnečné žiarenie;

– cielené zlepšovanie vlastností polovodičovej štruktúry prostredníctvom jej optimálneho dopovania a vytvárania zabudovaných elektrických polí;

– prechod od homogénnych k heterogénnym polovodičovým štruktúram s odstupňovanou medzerou;

– optimalizácia parametrov návrhu FV (hĺbka pn-spojky, hrúbka základnej vrstvy, frekvencia kontaktnej siete atď.);

– používanie multifunkčných optických povlakov, ktoré poskytujú antireflexnú, tepelnú reguláciu a ochranu solárnych článkov pred kozmickým žiarením;

– vývoj solárnych článkov, ktoré sú transparentné v dlhovlnnej oblasti slnečného spektra za okrajom hlavného absorpčného pásma;

– vytvorenie kaskádových solárnych článkov z polovodičov špeciálne vybraných pre ich šírku pásma, čo umožní v každej kaskáde previesť žiarenie, ktoré prešlo predchádzajúcou kaskádou atď.;

Výrazné zvýšenie účinnosti solárnych článkov sa dosiahlo aj vytvorením meničov s obojstrannou citlivosťou (až +80 % existujúcej účinnosti jednej strany), použitím luminiscenčných reemitujúcich štruktúr a predbežným rozklad slnečného spektra na dve alebo viac spektrálnych oblastí pomocou viacvrstvových filmových rozdeľovačov lúčov (dichroických zrkadiel) s následnou transformáciou každej časti spektra samostatným fotovoltaickým článkom a pod.

V systémoch premeny energie solárnych elektrární (solárnych elektrární) možno v zásade použiť akékoľvek typy solárnych článkov rôznych štruktúr na báze rôznych polovodičových materiálov, ktoré boli vytvorené a v súčasnosti sa vyvíjajú, ale nie všetky vyhovujú súbor požiadaviek na tieto systémy:

– vysoká spoľahlivosť s dlhou (desiatkami rokov!) životnosťou;

– dostupnosť východiskových materiálov v množstve dostatočnom na výrobu prvkov konverzného systému a možnosť organizácie ich hromadnej výroby;

– náklady na energiu na vytvorenie konverzného systému, ktoré sú prijateľné z hľadiska doby návratnosti;

– minimálne energetické a hmotnostné náklady spojené s riadením systému premeny energie a prenosu (priestoru), vrátane orientácie a stabilizácie stanice ako celku;

- jednoduchosť údržby.

Napríklad niektoré perspektívne materiály je ťažké získať v množstvách potrebných na vytvorenie solárnych elektrární kvôli obmedzeným prírodným zásobám surovín a zložitosti ich spracovania. Niektoré metódy na zlepšenie energetických a prevádzkových charakteristík solárnych článkov, napríklad vytváraním zložitých štruktúr, sú zle kompatibilné s možnosťami organizácie ich hromadnej výroby pri nízkych nákladoch atď. Vysoká produktivita sa dá dosiahnuť len organizáciou plne automatizovanej výroby FV, napríklad na báze páskovej technológie, a vytvorením rozvinutej siete špecializovaných podnikov príslušného profilu, t.j. vlastne celé odvetvie, ktoré je rozsahom porovnateľné s moderným rádioelektronickým priemyslom. Výroba solárnych článkov a montáž solárnych panelov na automatizovaných linkách zníži cenu batériového modulu 2-2,5 krát.

Kremík a arzenid gália (GaAs) sú v súčasnosti považované za najpravdepodobnejšie materiály pre fotovoltaické systémy na premenu slnečnej energie na SES a v druhom prípade hovoríme o heterofotokonvertoroch (HPC) so štruktúrou AlGaAs-GaAs.

FEC (fotovoltaické konvertory) na báze zlúčeniny arzénu s gálom (GaAs), ako je známe, majú vyššiu teoretickú účinnosť ako kremíkové FEC, pretože ich šírka bandgap sa prakticky zhoduje s optimálnou šírkou bandgap pre polovodičové konvertory solárnej energie = 1,4 eV. Pre kremík je tento indikátor = 1,1 eV.

Vzhľadom na vyššiu úroveň absorpcie slnečného žiarenia, determinovanú priamymi optickými prechodmi v GaAs, je možné získať na nich založené vysokoúčinné PV články s výrazne menšou hrúbkou PV článku v porovnaní s kremíkom. V zásade stačí mať hrúbku GFP 5-6 mikrónov, aby sa dosiahla účinnosť rádovo aspoň 20%, pričom hrúbka kremíkových prvkov nemôže byť menšia ako 50-100 mikrónov bez citeľného zníženia ich účinnosti. . Táto okolnosť nám umožňuje počítať s vytvorením ľahkých filmových HFP, ktorých výroba bude vyžadovať relatívne málo východiskového materiálu, najmä ak je možné použiť iný materiál, ako je syntetický zafír (Al2 O3), ako substrát namiesto GaAs. .

GFC majú aj priaznivejšie prevádzkové vlastnosti z hľadiska požiadaviek na SES konvertory v porovnaní s kremíkovými PV článkami. Teda najmä možnosť dosiahnutia malých počiatočných hodnôt reverzných saturačných prúdov v p-n prechodoch vďaka veľkej zakázanej pásme umožňuje minimalizovať veľkosť negatívnych teplotných gradientov účinnosti a optimálneho výkonu HFP a navyše , výrazne rozširujú oblasť lineárnej závislosti druhého od hustoty svetelného toku . Experimentálne závislosti účinnosti HFP od teploty naznačujú, že zvýšenie ich rovnovážnej teploty na 150-180 °C nevedie k výraznému zníženiu ich účinnosti a optimálneho špecifického výkonu. Zároveň je pre kremíkové solárne články takmer kritické zvýšenie teploty nad 60-70°C – účinnosť klesá na polovicu.

Solárne články z arzenidu gália môžu byť vďaka svojej odolnosti voči vysokým teplotám použité ako koncentrátory slnečného žiarenia. Prevádzková teplota HFP na báze GaAs dosahuje 180 °C, čo sú už pomerne prevádzkové teploty pre tepelné motory a parné turbíny. K 30 % vnútornej účinnosti HFP arzenidu gália (pri 150 °C) teda môžeme pridať účinnosť tepelného motora využívajúceho odpadové teplo kvapaliny chladiacej fotočlánky. Preto celková účinnosť inštalácie, ktorá využíva aj tretí cyklus nízkoteplotného odberu tepla z chladiacej kvapaliny po turbíne na vykurovanie priestorov, môže byť aj vyššia ako 50 – 60 %.

HFC na báze GaAs sú tiež oveľa menej náchylné na deštrukciu vysokoenergetickými tokmi protónov a elektrónov ako kremíkové FEC v dôsledku vysokej úrovne absorpcie svetla v GaAs, ako aj malej požadovanej životnosti a dĺžky difúzie menšinových nosičov. Okrem toho experimenty ukázali, že značná časť radiačných defektov v HFP na báze GaAs zmizne po ich tepelnom spracovaní (žíhaní) pri teplote len okolo 150-180 ° C. Ak budú GaAs HFC neustále pracovať pri teplote rádovo 150°C, potom stupeň radiačnej degradácie ich účinnosti bude počas celej doby aktívnej prevádzky staníc relatívne malý (to platí najmä pre vesmírne solárne elektrárne, pre ktoré je dôležitá nízka hmotnosť a veľkosť FEC a vysoká účinnosť) .

Vo všeobecnosti môžeme konštatovať, že energetické, hmotnostné a prevádzkové charakteristiky HFC na báze GaAs sú v súlade s požiadavkami SES a SCES (vesmír) ako charakteristiky kremíkových FEC. Kremík je však oveľa dostupnejší a široko používaný materiál ako arzenid gália. Kremík je v prírode rozšírený a dodávky surovín na výrobu solárnych článkov na jeho základe sú takmer neobmedzené. Technológia výroby kremíkových solárnych článkov je dobre zavedená a neustále sa zdokonaľuje.

Existuje reálna perspektíva zníženia nákladov na kremíkové solárne články o jeden až dva rády zavedením nových automatizovaných výrobných metód, ktoré umožňujú najmä výrobu silikónových pások, veľkoplošných solárnych článkov atď.

V skutočných štruktúrach s heteroprechodmi dnes účinnosť dosahuje viac ako 30% a v homogénnych polovodičoch, ako je monokryštalický kremík - až 18%. Priemerná účinnosť solárnych článkov na báze monokryštalického kremíka je dnes asi 12 %, hoci dosahuje 18 %. Sú to hlavne kremíkové SB, ktoré dnes možno vidieť na strechách domov po celom svete.

Na rozdiel od kremíka je gálium veľmi vzácnym materiálom, čo obmedzuje možnosť výroby HFP na báze GaAs v množstvách, ktoré sú potrebné na rozsiahlu implementáciu.

Gálium sa ťaží najmä z bauxitu, ale uvažuje sa aj o možnosti jeho získavania z uhoľného popola a morskej vody. Najväčšie zásoby gália sa nachádzajú v morskej vode, ale koncentrácia je tam veľmi nízka, výťažnosť sa odhaduje len na 1 %, a preto sú výrobné náklady pravdepodobne neúmerné. Technológia výroby HFP na báze GaAs metódami kvapalinovej a plynovej epitaxie (orientovaný rast jedného monokryštálu na povrchu druhého (na substráte)) zatiaľ nie je vyvinutá v takom rozsahu ako technológia výroby kremíkové PVS a v dôsledku toho sú náklady na HFP teraz výrazne vyššie (podľa objednávok) ako náklady na kremíkové solárne články.

Náklady na HFP počas ich hromadnej výroby založenej na vylepšenej technológii sa pravdepodobne tiež výrazne znížia a vo všeobecnosti môžu byť náklady na konverzný systém systému konverzie energie SES založeného na GaAs HFP celkom porovnateľné s nákladmi na kremík založený systém. V súčasnosti je teda ťažké jednoznačne uprednostniť jeden z dvoch uvažovaných polovodičových materiálov – kremík alebo arzenid gália a až ďalší vývoj technológie ich výroby ukáže, ktorá možnosť bude racionálnejšia pre pozemné a vesmírne technológie. na báze slnečnej energie.

Náklady na výrobu energie pomocou fotovoltaických konvertorov solárnej energie. Jedným z významných bodov šírenia solárnej energie je jej cena.

Hlavným ukazovateľom ceny fotovoltaických panelov sú náklady na kilowatt inštalovaného výkonu.

Táto hodnota sa rok čo rok neustále znižuje už viac ako posledných 15 rokov (obrázok 4.15).

Ryža. 4.15. Náklady na 1 W inštalovaného výkonu solárnych článkov

Náklady na malé fotovoltické systémy (menej ako 500 kW) pre nebytové priestory klesli v roku 2014 o 0,40 USD za watt a náklady na väčšie systémy od 500 kW klesli o 0,70 USD za watt. Už piaty rok po sebe došlo k výraznému zníženiu cien solárnych panelov s inštaláciou. A proces pokračuje: v prvom polroku 2015 ceny klesli o ďalších 0,20 – 0,50 $/W, teda o 6 – 13 %. Neustály pokles cien fotovoltaických systémov je obzvlášť pozoruhodný vzhľadom na relatívne stabilné ceny samotných FV modulov. Na americkom trhu cena panelov klesá kvôli nižším súvisiacim nákladom na inštaláciu, nižším cenám ostatných komponentov (invertor, sklo, hliník, vodiče atď.), efektívnejšiemu návrhu systému, nákladom na získanie povolení a inšpekcií, lacnejšej pracovnej sile pre pracovníkov, a tiež vďaka úsiliu marketingu a podchytenia trhu spoločností.

V dôsledku toho sa výrazne znížia náklady na „slnečnú elektrinu“, ktorá sa vyrába v komerčných solárnych elektrárňach. Za posledných 7-8 rokov náklady klesli z 200 USD za MWh (to znamená z 20 centov za kWh) na takmer 40 USD za MWh (na 4 centy za kWh). Čísla pochádzajú zo správy laboratória Lawrence Berkeley National Laboratory „Je 50 USD/MWh solárnej energie pre skutočných?
Pokles cien je obzvlášť zreteľný, ak závislosť nie je odvodená od času, ale od celkového výkonu už inštalovaných panelov, teda elektrární uvedených do prevádzky. Tu vidíte, že pokles ceny je veľmi stabilný: pri každom zdvojnásobení celkovej kapacity sa cena inštalácie nových panelov zníži o 16 %. Je to úplne prirodzený efekt: ceny akéhokoľvek produktu by sa mali znižovať so zvyšujúcim sa objemom predaja.
Správa „Tracking the Sun“ je založená na informáciách zozbieraných z viac ako 400 000 rezidenčných a nebytových fotovoltaických systémov inštalovaných v rokoch 1998 až 2014 v 42 štátoch. To je viac ako 80 % všetkých fotovoltaických systémov inštalovaných v krajine v tomto období.

Ak tu zostane v platnosti Moorov zákon, tak do roku 2020 alebo 2021 dosiahne celková kapacita všetkých solárnych elektrární na svete 600 GW a náklady na elektrinu bez dotácií klesnú na 4,5 centa za kWh pre najslnečnejšie oblasti (juh USA , Austrália, Stredný východ atď.) a až 6,5 centa za kWh pre mierne slnečné oblasti (Stredná Európa, väčšina územia USA).

Aké sú dnes ceny solárnej energie? Podľa americkej publikácie Pv-magazine ceny v auguste 2016 dosiahli minimum a európski a čínski výrobcovia FV panelov sú hrdí na znižovanie cien a navzájom si konkurujú o spotrebiteľov (obr. 4.16).

Ryža. 4.16. Ceny kremíkových modulov na veľkoobchodnom trhu EÚ, august 2015 – august 2016 (stav k 8. 10. 2016) podľa pôvodu produktu

Ceny sú uvedené za takzvaný „špičkový watt“ alebo W-špičkový (Wp), teda za maximálny možný vyrobený výkon. Tabuľka 4.1. ukazuje porovnanie priemerných cien kremíkových panelov rôznych typov na európskom trhu za júl 2016.

Tabuľka 4.1. Prehľad cien FV modulov v Európe za?/W-špička k júlu 2016 (údaje z Bloomberg New Energy Finance, pvXchange, USA)

„Klasické“ FV panely sú zostavené z kremíkových článkov vyrobených z rôznych typov – monokryštalické, polykryštalické, amorfné atď.

Odborníci z Earth Policy Institute (EPI) a výskumného centra Bloomberg New Energy Finance (BNEF) vypočítali rozsah vplyvu cien kremíkových panelov a vzťah s rastom počtu zariadení na výrobu solárnej energie vo svete. Schéma na obr. Obrázok 4.17 ilustruje, ako sa zmenili ceny FV panelov za $/W-špičkovú inštalovanú kapacitu od roku 1975 do roku 2015.

Ryža. 4.17. História svetových cien kremíkových FV panelov všetkých typov

v rokoch 1975-2015

Vzájomný vplyv znižovania nákladov na inštalovaný výkon, nákladov na výrobu solárnej energie a rastu počtu FV inštalácií vo svete.

Počas tejto doby sa náklady na výrobu elektriny znížili viac ako 150-krát (napriek tomu, že cena za W-špičku inštalovaného výkonu klesla > 210-krát) a celkový počet inštalácií na svete, ktoré premieňajú slnečné svetlo na elektrina raz vzrástla o 115 tisíc (!).

Ako môžete vidieť, keď bola cena solárnych FV panelov v roku 1975 približne 100 dolárov za 1 Wp, celkový objem inštalácie na svete bol len asi 2 MW. Len za dva roky cena klesla na 76,67 USD za 1W-vrchol. Vo všeobecnosti odvtedy uplynulo dosť času, ale teraz sa všetko zmenilo. Začiatkom roka 2016 bola celosvetová priemerná cena za kremíkový modul na watt-špičkovú inštalovanú kapacitu približne 0,61 USD a globálny počet inštalácií fotovoltaickej výroby exponenciálne vzrástol.

Od roku 1975 cena technológie rapídne klesla. Od roku 1976 do roku 2008 klesla cena 1 W špičkového výkonu modulu o 99 %. A od roku 2008 do roku 2015 – o ďalších 80 %. Až medzi rokmi 2000 a 2005 došlo podľa BNEF k skutočnému prelomu vo fotovoltaických inštaláciách, keď cena za watt dosiahla pre investorov „bod zlomu“, po ktorom globálna inštalovaná kapacita v roku 2015 rýchlo dosiahla 65 GW.

Znižovanie cien a zvyšovanie objemov predaja FV modulov spolu priamo súvisia. Za posledné štyri desaťročia každý pokles ceny solárnych panelov o približne 26 % spôsobil zdvojnásobenie veľkosti globálneho solárneho priemyslu. Teraz globálne investície do priemyslu len rastú. A to nie je limit. Toto bude pokračovať do roku 2030 – 2040. „Investičná únava“, teda keď sa ziskovosť investícií do solárnej energie citeľne zníži, nehrozí ešte niekoľko desaťročí.

Nižšie a nižšie a nižšie.„Futuristické“ predpovede BNEF potvrdzujú skutočné štatistiky. V máji 2015 bol publikovaný výskum z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL, USA). Rozbor veľkoobchodných zmlúv na predaj solárnej elektriny za garantovanú cenu (PPA) ukázal, že ešte v januári 2015 bolo uzatvorených 18 takýchto zmlúv na 1,1 GWh za cenu 50 USD/MWh, t.j. len 5 centov za 1 kWh, napriek tomu, že bežná priemerná cena elektriny v USA za 1 kWh je 12 centov.

Ilustrujú to klesajúce ceny výrobcov solárnej elektriny pre veľkoodberateľov. Navyše tieto „záznamy“ rýchlo zastarávajú. Napríklad spoločnosť Austin Energy z USA uviedla, že na jeseň roku 2014 „podpísala rámcovú dohodu so spoločnosťou First Solar Inc. a Hanwha Q-Cells Corp., USA, za 288 MW čistého príkonu“ elektriny získanej zo solárnych zariadení „za cenu nižšiu ako 4 centy za kWh“. Ale už na konci roka 2015 „mesto Palo Alto uzavrelo zmluvu na nákup elektriny zo slnečnej energie za 37 USD/MWh“ a Bloomberg oznámil, že „energetická spoločnosť Berkshire Hathaway Inc. NV Energy súhlasila so zaplatením 3,87 centov za kWh za kapacitu od 100 MW“ za projekt, ktorý vyvíja First Solar Inc., USA.

Nové tendre v Emirátoch vyzerajú jednoducho úchvatne. Dubajský úrad pre elektrinu a vodu (DEWA) dostal ponuku na 800 MW fotovoltaiky za 2,99 centov za kWh. To je takmer polovica nákladov oproti 25-ročnej zmluve s výkonom 1 000 MW podpísanej v roku 2015 za 5,84 centov za kWh. Dubaj tak zaznamenal takmer dvojnásobné zníženie cien FV energie len za 18 mesiacov a všetky tieto ponuky boli bez dotácií a výkupných cien! A tieto ceny nie sú jedinečné. Ako informoval BNEF v apríli 2016, energetická spoločnosť Enel Green Power podpísala v Mexiku veľký kontrakt na 3,6 za kWh. Solárna energia s dôverou smeruje k ekonomickej konkurencieschopnosti s tradičnými typmi výroby elektriny.

Podiel na cene. CEO First Solar Inc., najväčšej vertikálne integrovanej solárnej energetickej spoločnosti v Spojených štátoch. Jim Hughes vo svojom prejave na Edison Electric Institute (EEI), USA, nadšene uviedol, že do roku 2017 „dosiahneme plnú cenu za 1 kW inštalovanej kapacity menej ako 1 dolár!“ A druhá novinka – „v roku 2017 oproti cene z roku 2015 klesne cena solárnych zariadení o ďalších 40 %“ – bola oznámená na World Energy Future Conference v Abu Dhabi aj v roku 2015. Existujú nejaké rozpory s cenové grafy na obr. 4.16 a 4.17?

Ide o to, že by ste mali rozlišovať medzi celkovou cenou inštalovaného výkonu celého solárneho zariadenia a cenou za inštalovaný výkon kremíkového FV článku alebo FV panelu. V nákladovej štruktúre elektrárne netvorí článok ani panel zostavený s upevňovacími prvkami najväčšiu nákladovú položku (obr. 4.18).

Ryža. 4.18 Štruktúra nákladov FV inštalácie pre súkromný dom v USA

Analytici Deutsche Bank ukázali, odkiaľ príde tento 40 % pokles ceny solárnej elektrickej inštalácie v roku 2017, analýzou zložiek nákladov na domácu fotovoltaickú inštaláciu pre súkromný dom v Spojených štátoch.

Väčšina trhu s fotovoltikami sa zameria špecificky na vývoj malých domácich systémov. Väčšina krajín sveta, kde sa očakáva globálny rast využívania solárnej elektriny, zatiaľ nemá výkonnú sieťovú štruktúru, ktorá umožní efektívne prerozdeľovanie energie medzi lokalitami či regiónmi. Platí to dokonca aj pre USA. V Nemecku je situácia s infraštruktúrou lepšia. Celkové náklady na domáce systémy sú tam nižšie a celkové náklady na inštalácie klesli za posledné 3 roky asi o 40 %. Náklady v Nemecku sú teraz výrazne nižšie ako v USA a na iných menej rozvinutých solárnych trhoch. Nemecký príklad ukazuje, že zníženie celkových nákladov na fotovoltické systémy ešte nedosiahlo dno, a to ani na relatívne vyspelých trhoch.

Hlavným trhom pre FV inštalácie v nasledujúcich rokoch sú panely na strechách súkromných domov. Vo väčšine prípadov domáce systémy nebudú schopné efektívne odvádzať prebytočnú FV elektrinu do všeobecnej elektrickej siete a inokedy kompenzovať jej nedostatok (v noci, pri zamračenom počasí alebo pri nepravidelnej špičkovej spotrebe). T.N. „sieťová parita“, teda keď sa cena elektriny vyrobenej v domácnosti rovná tarife za nakupovanú elektrinu zo siete, sa vo väčšine prípadov ukáže ako veľmi podmienený ukazovateľ.

Indikátor BoS (obr. 4.18) sa vzťahuje na doplnkové časti fotovoltaického systému, okrem samotného solárneho panelu, t.j. komponenty potrebné na premenu výkonu FV panela na využiteľnú elektrickú energiu. Preto sú v USA batérie zvyčajne súčasťou BoS. Vývoj trhu však umožní znížiť všetky zložky koncovej ceny za watt, vrátane druhého najväčšieho ukazovateľa po cene modulu – ceny za inštaláciu.

Cena kremíka nie je hlavná vec. Podľa výpočtov Deutsche Bank sa náklady na solárne moduly znížili z 1,31 USD/watt v roku 2011 na 0,50 USD/watt v roku 2014 v dôsledku nižších nákladov na spracovanie, nižších nákladov na polykryštalický kremík a zlepšenej účinnosti premeny fotovoltaiky. Cena modulov vtedy za tri roky klesla takmer o 60 %. Deutsche Bank sa domnieva, že celkové náklady by mohli v priebehu najbližších rokov klesnúť o ďalších 30 % až 40 %, ale najmä v dôsledku nižších prevádzkových nákladov v dôsledku vývoja samotného trhu, najmä pre rezidenčný sektor.

Zníženie ceny kremíka v solárnych paneloch má teraz malý vplyv. V celkovej cene modulu samotný kremík „neváži“ nie viac ako 10–11 centov za watt a ani dvojnásobné zníženie jeho ceny, ktoré možno dosiahnuť enormným technologickým a finančným úsilím, nebude mať „revolučné“ vplyv na celkové náklady na FV panely. Hoci počas nasledujúcich 12 štvrťrokov Deutsche Bank stále očakáva, že cena FV modulov klesne na rovnovážnu cenu ponuky a dopytu 0,40 – 0,50 USD za watt. Ak sa panely predávajú s hrubým ziskom 10 centov za 0,50 USD za watt, znamená to, že výrobcovia zarobia minimálne 20 % hrubého zisku – čo je výrazne vyššie ako nedávne historické priemery. Okrem toho by sa mali znížiť clá a náklady na dopravu.

Ceny invertorov zvyčajne klesajú o 10 – 15 % ročne. Deutsche Bank očakáva, že tento trend bude pokračovať aj v budúcnosti. Veľkí „slneční poskytovatelia“ už dosiahli úroveň 0,25 USD za 1W alebo ešte nižšiu pri veľkých zásobách. Očakáva sa, že v priebehu niekoľkých nasledujúcich rokov sa nájdu ďalšie úspory. Znížené náklady na komponenty, znížené náklady

Slnko je zdrojom svetla a tepla, ktoré potrebuje všetko živé na Zemi. Ale okrem fotónov svetla vyžaruje tvrdé ionizujúce žiarenie, pozostávajúce z jadier hélia a protónov. Prečo sa to deje?

Príčiny slnečného žiarenia

Slnečné žiarenie sa vytvára počas dňa počas chromosférických erupcií - obrovských výbuchov, ktoré sa vyskytujú v slnečnej atmosfére. Časť slnečnej hmoty je vyvrhnutá do vesmíru a vytvára kozmické lúče, ktoré pozostávajú najmä z protónov a malého množstva jadier hélia. Tieto nabité častice dosiahnu zemský povrch 15-20 minút po tom, čo sa slnečná erupcia stane viditeľnou.

Vzduch oddeľuje primárne kozmické žiarenie a vytvára kaskádovú jadrovú sprchu, ktorá mizne s klesajúcou výškou. V tomto prípade sa rodia nové častice - pióny, ktoré sa rozpadajú a menia sa na mióny. Prenikajú do spodných vrstiev atmosféry a padajú na zem, pričom sa zavŕtajú až do hĺbky 1500 metrov. Práve mióny sú zodpovedné za vznik sekundárneho kozmického žiarenia a prirodzeného žiarenia pôsobiaceho na človeka.

Spektrum slnečného žiarenia

Spektrum slnečného žiarenia zahŕňa krátkovlnné aj dlhovlnné oblasti:

• gama lúče;
• röntgenové žiarenie;
• UV žiarenie;
• viditeľné svetlo;
• Infra červená radiácia.

Viac ako 95 % slnečného žiarenia dopadá do oblasti „optického okna“ – viditeľnej časti spektra s priľahlými oblasťami ultrafialových a infračervených vĺn. Pri prechode vrstvami atmosféry je účinok slnečných lúčov oslabený – všetko ionizujúce žiarenie, röntgenové žiarenie a takmer 98 % ultrafialového žiarenia zadrží zemská atmosféra. Viditeľné svetlo a infračervené žiarenie dopadajú na zem prakticky bez strát, hoci ich čiastočne pohlcujú molekuly plynu a prachové častice vo vzduchu.

V tomto ohľade slnečné žiarenie nevedie k výraznému zvýšeniu rádioaktívneho žiarenia na zemskom povrchu. Príspevok Slnka spolu s kozmickým žiarením na tvorbe celkovej ročnej dávky žiarenia je len 0,3 mSv/rok. Ide však o priemernú hodnotu, v skutočnosti je úroveň žiarenia dopadajúceho na Zem rôzna a závisí od geografickej polohy oblasti.

Kde je slnečné ionizujúce žiarenie najväčšie?

Najväčšia sila kozmického žiarenia je zaznamenaná na póloch a najmenšia na rovníku. Je to spôsobené tým, že magnetické pole Zeme vychyľuje nabité častice padajúce z vesmíru smerom k pólom. Okrem toho sa žiarenie zvyšuje s nadmorskou výškou - vo výške 10 kilometrov nad morom sa jeho indikátor zvyšuje 20-25 krát. Obyvatelia vysokých hôr sú vystavení vyšším dávkam slnečného žiarenia, keďže atmosféra v horách je tenšia a ľahšie do nej prenikajú prúdy gama kvánt a elementárnych častíc zo Slnka.

Dôležité. Úroveň radiácie do 0,3 mSv/h nemá vážny vplyv, ale pri dávke 1,2 μSv/h sa odporúča opustiť oblasť a v prípade núdze sa na jej území zdržiavať najviac šesť mesiacov. Ak namerané hodnoty prekročia dvojnásobok, mali by ste obmedziť pobyt v tejto oblasti na tri mesiace.

Ak je nad morom ročná dávka kozmického žiarenia 0,3 mSv/rok, tak s nárastom nadmorskej výšky každých sto metrov sa toto číslo zvyšuje o 0,03 mSv/rok. Po niekoľkých malých výpočtoch môžeme konštatovať, že týždenná dovolenka v horách v nadmorskej výške 2000 metrov poskytne expozíciu 1 mSv/rok a poskytne takmer polovicu celkovej ročnej normy (2,4 mSv/rok).

Ukazuje sa, že obyvatelia hôr dostávajú ročnú dávku žiarenia, ktorá je niekoľkonásobne vyššia ako normálne, a mali by trpieť leukémiou a rakovinou častejšie ako ľudia žijúci na rovinách. V skutočnosti to nie je pravda. Naopak, v horských oblastiach je nižšia úmrtnosť na tieto ochorenia a časť populácie je dlhoveká. To potvrdzuje skutočnosť, že dlhodobý pobyt v miestach vysokej radiačnej aktivity nemá negatívny vplyv na ľudský organizmus.

Slnečné erupcie - vysoké riziko radiácie

Slnečné erupcie sú veľkým nebezpečenstvom pre ľudí a všetok život na Zemi, pretože hustota toku slnečného žiarenia môže tisíckrát prekročiť normálnu úroveň kozmického žiarenia. Vynikajúci sovietsky vedec A.L. Čiževskij tak spojil obdobia tvorby slnečných škvŕn s epidémiami týfusu (1883-1917) a cholery (1823-1923) v Rusku. Na základe grafov, ktoré urobil, už v roku 1930 predpovedal vznik rozsiahlej pandémie cholery v rokoch 1960-1962, ktorá začala v Indonézii v roku 1961, potom sa rýchlo rozšírila do ďalších krajín Ázie, Afriky a Európy.

Dnes sa získalo množstvo údajov, ktoré poukazujú na súvislosť medzi jedenásťročnými cyklami slnečnej aktivity a vypuknutím chorôb, ako aj s masovými migráciami a obdobiami rýchleho rozmnožovania hmyzu, cicavcov a vírusov. Hematológovia zistili zvýšený počet infarktov a mozgových príhod v obdobiach maximálnej slnečnej aktivity. Takáto štatistika je spôsobená skutočnosťou, že v tomto čase sa zvyšuje zrážanlivosť krvi u ľudí, a keďže u pacientov s ochorením srdca je kompenzačná aktivita potlačená, dochádza k poruchám v jej práci, vrátane nekrózy srdcového tkaniva a krvácania do mozgu.

Veľké slnečné erupcie sa nevyskytujú tak často – raz za 4 roky. V tomto čase sa zvyšuje počet a veľkosť slnečných škvŕn a v slnečnej koróne sa vytvárajú silné koronálne lúče pozostávajúce z protónov a malého množstva alfa častíc. Astrológovia zaregistrovali svoj najsilnejší prúd v roku 1956, keď hustota kozmického žiarenia na povrchu Zeme vzrástla 4-krát. Ďalším dôsledkom takejto slnečnej aktivity bola polárna žiara, zaznamenaná v Moskve a Moskovskej oblasti v roku 2000.

Ako sa chrániť?

Samozrejme, zvýšená radiácia pozadia v horách nie je dôvodom na odmietnutie výletov do hôr. Stojí však za to myslieť na bezpečnostné opatrenia a vydať sa na výlet s prenosným rádiometrom, ktorý pomôže kontrolovať úroveň žiarenia a v prípade potreby obmedziť čas strávený v nebezpečných oblastiach. Nemali by ste sa zdržiavať v oblasti, kde údaje z glukomeru ukazujú ionizujúce žiarenie 7 µSv/h dlhšie ako jeden mesiac.