Nguồn nhiệt. Năng lượng nhiệt có tầm quan trọng quyết định đối với sự sống của khí quyển. Nguồn năng lượng chính này là Mặt trời. Đối với bức xạ nhiệt của Mặt trăng, các hành tinh và các ngôi sao, nó không đáng kể đối với Trái đất đến mức thực tế không thể tính đến. Năng lượng nhiệt đáng kể hơn được cung cấp bởi sức nóng bên trong của Trái đất. Theo tính toán của các nhà địa vật lý, dòng nhiệt liên tục từ bên trong Trái đất làm tăng nhiệt độ bề mặt trái đất thêm 0°.1. Nhưng lượng nhiệt truyền vào như vậy vẫn còn nhỏ nên cũng không cần phải tính đến. Như vậy, nguồn năng lượng nhiệt duy nhất trên bề mặt Trái đất chỉ có thể được coi là Mặt trời.

Bức xạ năng lượng mặt trời. Mặt trời có nhiệt độ quang quyển (bề mặt bức xạ) khoảng 6000°, tỏa năng lượng vào không gian theo mọi hướng. Một phần năng lượng này, dưới dạng chùm tia mặt trời song song khổng lồ, chiếu vào Trái đất. Năng lượng mặt trời tới bề mặt Trái đất dưới dạng tia trực tiếp từ Mặt trời được gọi là bức xạ mặt trời trực tiếp. Nhưng không phải tất cả bức xạ mặt trời hướng vào Trái đất đều đến được bề mặt trái đất, vì các tia mặt trời khi xuyên qua một lớp khí quyển dày sẽ bị nó hấp thụ một phần, phân tán một phần bởi các phân tử và các hạt không khí lơ lửng, và một số bị phản xạ bởi các đám mây. Phần năng lượng mặt trời bị tiêu tán vào khí quyển gọi là bức xạ tán xạ. Bức xạ mặt trời tán xạ truyền qua bầu khí quyển và tới bề mặt Trái đất. Chúng ta cảm nhận loại bức xạ này giống như ánh sáng ban ngày đồng đều, khi Mặt trời bị mây che phủ hoàn toàn hoặc vừa biến mất dưới đường chân trời.

Bức xạ mặt trời trực tiếp và khuếch tán khi chạm tới bề mặt Trái đất không bị nó hấp thụ hoàn toàn. Một phần bức xạ mặt trời bị phản xạ từ bề mặt trái đất trở lại khí quyển và được tìm thấy ở đó dưới dạng dòng tia, gọi là bức xạ mặt trời phản xạ.

Thành phần của bức xạ mặt trời rất phức tạp, gắn liền với nhiệt độ rất cao của bề mặt bức xạ của Mặt trời. Thông thường, theo bước sóng, phổ bức xạ mặt trời được chia thành ba phần: tia cực tím (η<0,4<μ видимую глазом (η từ 0,4μ đến 0,76μ) và phần hồng ngoại (η >0,76μ). Ngoài nhiệt độ của quang quyển mặt trời, thành phần bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất còn bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ và tán xạ của một phần tia nắng mặt trời khi chúng đi qua lớp vỏ không khí của Trái đất. Về vấn đề này, thành phần bức xạ mặt trời ở ranh giới trên của khí quyển và trên bề mặt Trái đất sẽ khác nhau. Dựa trên các tính toán và quan sát lý thuyết, người ta đã xác định được rằng ở ranh giới của khí quyển, bức xạ cực tím chiếm 5%, tia nhìn thấy được - 52% và tia hồng ngoại - 43%. Trên bề mặt trái đất (ở độ cao mặt trời 40°), tia cực tím chỉ chiếm 1%, tia nhìn thấy chiếm 40% và tia hồng ngoại chiếm 59%.

Cường độ bức xạ mặt trời. Cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp được hiểu là lượng nhiệt tính bằng calo nhận được mỗi phút. từ năng lượng bức xạ của bề mặt Mặt trời trong 1 cm2, nằm vuông góc với tia nắng mặt trời.

Để đo cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp, người ta sử dụng các dụng cụ đặc biệt - máy đo độ nhạy và máy đo nhiệt độ; Lượng bức xạ tán xạ được xác định bằng pyranometer. Việc đăng ký tự động khoảng thời gian bức xạ mặt trời được thực hiện bằng máy ghi hình và máy ghi nhật ký. Cường độ quang phổ của bức xạ mặt trời được xác định bằng máy quang phổ.

Tại ranh giới của khí quyển, nơi loại trừ tác dụng hấp thụ và tán xạ của lớp vỏ không khí của Trái đất, cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp xấp xỉ 2 phân bởi 1 cm 2 bề mặt trong 1 phút. Đại lượng này được gọi là hằng số mặt trời. Cường độ bức xạ mặt trời trong 2 phân bởi 1 cm 2 trong 1 phút. cung cấp một lượng nhiệt lớn trong năm đến mức có thể làm tan chảy một lớp băng 35 tôi dày nếu một lớp như vậy bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất.

Nhiều phép đo cường độ bức xạ mặt trời đưa ra lý do để tin rằng lượng năng lượng mặt trời đến ranh giới trên của bầu khí quyển Trái đất dao động vài phần trăm. Các dao động có tính tuần hoàn và không tuần hoàn, dường như có liên quan đến các quá trình xảy ra trên chính Mặt trời.

Ngoài ra, một số thay đổi về cường độ bức xạ mặt trời xảy ra trong năm do Trái đất, trong quá trình quay hàng năm, không chuyển động theo hình tròn mà theo hình elip, tại một trong những tiêu điểm của Mặt trời. . Về vấn đề này, khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời thay đổi và do đó cường độ bức xạ mặt trời dao động. Cường độ lớn nhất được quan sát vào khoảng ngày 3 tháng 1, khi Trái đất ở gần Mặt trời nhất và thấp nhất vào khoảng ngày 5 tháng 7, khi Trái đất ở khoảng cách tối đa với Mặt trời.

Vì lý do này, sự dao động về cường độ bức xạ mặt trời là rất nhỏ và chỉ có thể quan tâm về mặt lý thuyết. (Lượng năng lượng ở khoảng cách tối đa có liên quan đến lượng năng lượng ở khoảng cách tối thiểu là 100:107, tức là sự chênh lệch hoàn toàn không đáng kể.)

Điều kiện bức xạ của bề mặt quả địa cầu. Riêng hình cầu của Trái đất đã dẫn đến hiện tượng năng lượng bức xạ của Mặt trời phân bố rất không đồng đều trên bề mặt trái đất. Vì vậy, vào những ngày xuân thu (21 tháng 3 và 23 tháng 9), chỉ tại xích đạo vào buổi trưa góc tới của tia sẽ là 90° (Hình 30), và khi nó tiến đến các cực, nó sẽ giảm từ 90 xuống 0°. Như vậy,

nếu ở xích đạo lượng bức xạ nhận được lấy bằng 1 thì ở vĩ tuyến 60 nó sẽ được biểu thị bằng 0,5 và ở cực nó sẽ bằng 0.

Ngoài ra, quả địa cầu còn có sự chuyển động hàng ngày và hàng năm, trục Trái đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo một góc 66°,5. Do độ nghiêng này, một góc 23°30 được hình thành giữa mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng quỹ đạo. Hoàn cảnh này dẫn đến thực tế là góc tới của tia nắng mặt trời ở cùng một vĩ độ sẽ thay đổi trong khoảng 47° (23,5 + 23,5 ) .

Tùy thuộc vào thời điểm trong năm, không chỉ góc tới của tia thay đổi mà còn cả thời gian chiếu sáng. Nếu ở các nước nhiệt đới, độ dài ngày và đêm xấp xỉ như nhau ở mọi thời điểm trong năm thì ở các nước vùng cực thì ngược lại, lại rất khác nhau. Vì vậy, ví dụ, ở 70° N. w. vào mùa hè, Mặt trời không lặn trong 65 ngày ở 80°B. sh. - 134, và ở cực -186. Vì vậy, bức xạ ở Bắc Cực vào ngày hạ chí (22/6) lớn hơn 36% so với ở xích đạo. Trong suốt nửa mùa hè của năm, tổng lượng nhiệt và ánh sáng mà cực nhận được chỉ ít hơn ở xích đạo 17%. Vì vậy, vào mùa hè ở các nước vùng cực, thời gian chiếu sáng phần lớn bù đắp cho việc thiếu bức xạ do góc tới của tia sáng nhỏ. Vào nửa mùa đông trong năm, bức tranh hoàn toàn khác: lượng bức xạ ở cùng một Cực Bắc sẽ bằng 0. Kết quả là trong năm lượng bức xạ trung bình ở cực đó ít hơn 2,4 so với ở cực đó. Đường xích đạo. Từ tất cả những gì đã nói, lượng năng lượng mặt trời mà Trái đất nhận được qua bức xạ được xác định bởi góc tới của tia và thời gian chiếu xạ.

Trong trường hợp không có bầu khí quyển ở các vĩ độ khác nhau, bề mặt trái đất sẽ nhận được lượng nhiệt mỗi ngày như sau, biểu thị bằng calo trên 1 cm 2(xem bảng trang 92).

Sự phân bố bức xạ trên bề mặt trái đất cho trong bảng thường được gọi là khí hậu mặt trời. Chúng tôi nhắc lại rằng chúng tôi chỉ có sự phân bố bức xạ như vậy ở ranh giới trên của khí quyển.

Sự suy yếu của bức xạ mặt trời trong khí quyển. Cho đến nay chúng ta đã nói về các điều kiện phân phối nhiệt mặt trời trên bề mặt trái đất mà không tính đến bầu khí quyển. Trong khi đó, bầu không khí trong trường hợp này có tầm quan trọng lớn. Bức xạ mặt trời khi đi qua bầu khí quyển sẽ bị phân tán và hấp thụ. Cả hai quá trình này cùng nhau làm giảm bức xạ mặt trời ở mức độ đáng kể.

Các tia mặt trời khi xuyên qua bầu khí quyển sẽ bị tán xạ (khuếch tán) lần đầu tiên. Sự tán xạ được tạo ra do các tia sáng khúc xạ và phản xạ từ các phân tử không khí và các hạt của vật thể rắn và lỏng trong không khí bị lệch khỏi đường thẳng ĐẾN thực sự “tan biến”.

Sự tán xạ làm suy giảm đáng kể bức xạ mặt trời. Với sự gia tăng lượng hơi nước và đặc biệt là các hạt bụi, độ phân tán tăng lên và bức xạ yếu đi. Ở các thành phố lớn và vùng sa mạc, nơi có hàm lượng bụi trong không khí lớn nhất, sự phân tán làm suy yếu cường độ bức xạ từ 30-45%. Nhờ sự tán xạ, ánh sáng ban ngày thu được có thể chiếu sáng các vật thể, ngay cả khi tia nắng mặt trời không chiếu trực tiếp vào chúng. Sự tán xạ cũng quyết định màu sắc của bầu trời.

Bây giờ chúng ta hãy tập trung vào khả năng của khí quyển hấp thụ năng lượng bức xạ từ Mặt trời. Các loại khí chính tạo nên bầu khí quyển hấp thụ tương đối ít năng lượng bức xạ. Ngược lại, các tạp chất (hơi nước, ozon, carbon dioxide và bụi) có khả năng hấp thụ cao.

Trong tầng đối lưu, tạp chất đáng kể nhất là hơi nước. Chúng hấp thụ tia hồng ngoại đặc biệt mạnh (bước sóng dài), tức là chủ yếu là tia nhiệt. Và càng nhiều hơi nước trong khí quyển thì càng nhiều và tự nhiên. sự hấp thụ. Lượng hơi nước trong khí quyển có thể thay đổi lớn. Trong điều kiện tự nhiên, nó thay đổi từ 0,01 đến 4% (theo thể tích).

Ozone có khả năng hấp thụ rất cao. Một hỗn hợp đáng kể của ozone, như đã đề cập, nằm ở các tầng thấp hơn của tầng bình lưu (phía trên tầng đối lưu). Ozone hấp thụ gần như hoàn toàn tia cực tím (sóng ngắn).

Carbon dioxide cũng có khả năng hấp thụ cao. Nó hấp thụ chủ yếu sóng dài, tức là chủ yếu là tia nhiệt.

Bụi trong không khí cũng hấp thụ một số bức xạ mặt trời. Khi được làm nóng bởi tia nắng mặt trời, nó có thể làm tăng đáng kể nhiệt độ không khí.

Trong tổng lượng năng lượng mặt trời đến Trái đất, bầu khí quyển chỉ hấp thụ khoảng 15%.

Sự suy giảm bức xạ mặt trời do tán xạ và hấp thụ của khí quyển rất khác nhau đối với các vĩ độ khác nhau của Trái đất. Sự khác biệt này phụ thuộc chủ yếu vào góc tới của tia. Ở vị trí thiên đỉnh của Mặt trời, các tia rơi thẳng đứng, xuyên qua bầu khí quyển theo con đường ngắn nhất. Khi góc tới giảm, đường đi của tia sáng dài ra và sự suy giảm bức xạ mặt trời trở nên đáng kể hơn. Cái sau có thể nhìn thấy rõ ràng từ hình vẽ (Hình 31) và bảng đính kèm (trong bảng, đường đi của tia mặt trời ở vị trí thiên đỉnh của Mặt trời được lấy làm một).

Tùy thuộc vào góc tới của tia, không chỉ số lượng tia thay đổi mà chất lượng của chúng cũng thay đổi. Trong thời kỳ Mặt trời ở đỉnh cao (trên đầu), tia cực tím chiếm 4%,

nhìn thấy được - 44% và hồng ngoại - 52%. Khi Mặt trời ở gần đường chân trời, không có tia cực tím nào cả, khả năng nhìn thấy là 28% và tia hồng ngoại là 72%.

Sự phức tạp của ảnh hưởng của khí quyển lên bức xạ mặt trời càng trở nên trầm trọng hơn bởi thực tế là khả năng truyền tải của nó thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào thời gian trong năm và điều kiện thời tiết. Vì vậy, nếu bầu trời luôn không có mây, thì dòng bức xạ mặt trời hàng năm ở các vĩ độ khác nhau có thể được biểu thị bằng đồ họa như sau (Hình 32). Hình vẽ cho thấy rõ rằng với bầu trời không mây ở Moscow vào tháng 5, Tháng 6 và tháng 7, nhiệt lượng sẽ nhận được từ bức xạ mặt trời nhiều hơn ở xích đạo. Tương tự, vào nửa cuối tháng 5, tháng 6 và nửa đầu tháng 7, ở Bắc Cực sẽ nhận được nhiều nhiệt hơn ở xích đạo và ở Mátxcơva. Chúng tôi nhắc lại rằng điều này sẽ xảy ra với bầu trời không mây. Nhưng trên thực tế, điều này không có tác dụng vì mây làm suy yếu đáng kể bức xạ mặt trời. Hãy đưa ra một ví dụ hiển thị trên biểu đồ (Hình 33). Biểu đồ cho thấy lượng bức xạ mặt trời không tới được bề mặt Trái đất: một phần đáng kể của nó bị trì hoãn bởi bầu khí quyển và các đám mây.

Tuy nhiên, phải nói rằng nhiệt lượng do mây hấp thụ một phần đi làm ấm bầu khí quyển, một phần gián tiếp truyền tới bề mặt trái đất.

Sự thay đổi hàng ngày và hàng năm của cường độ mặt trờibức xạ ánh sáng. Cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp trên bề mặt Trái đất phụ thuộc vào độ cao của Mặt trời so với đường chân trời và trạng thái của khí quyển (hàm lượng bụi của nó). Nếu như. Nếu độ trong suốt của khí quyển không đổi suốt cả ngày thì cường độ bức xạ mặt trời tối đa sẽ được quan sát vào buổi trưa và mức tối thiểu vào lúc bình minh và hoàng hôn. Trong trường hợp này, biểu đồ cường độ bức xạ mặt trời hàng ngày sẽ đối xứng với nửa ngày.

Hàm lượng bụi, hơi nước và các tạp chất khác trong khí quyển liên tục thay đổi. Về vấn đề này, độ trong suốt của không khí thay đổi và tính đối xứng của biểu đồ cường độ bức xạ mặt trời bị phá vỡ. Thông thường, đặc biệt là vào mùa hè, vào giữa trưa, khi bề mặt trái đất nóng lên mạnh mẽ, các luồng không khí hướng lên mạnh mẽ xuất hiện, lượng hơi nước và bụi trong khí quyển tăng lên. Điều này làm giảm đáng kể bức xạ mặt trời vào giữa trưa; Cường độ bức xạ tối đa trong trường hợp này được quan sát thấy vào các giờ trước buổi trưa hoặc buổi chiều. Sự thay đổi hàng năm về cường độ bức xạ mặt trời cũng liên quan đến sự thay đổi độ cao của Mặt trời so với đường chân trời trong suốt cả năm và với trạng thái trong suốt của khí quyển trong các mùa khác nhau. Ở các quốc gia ở Bắc bán cầu, độ cao cao nhất của Mặt trời so với đường chân trời xảy ra vào tháng Sáu. Nhưng đồng thời, lượng bụi lớn nhất của bầu khí quyển cũng được quan sát thấy. Do đó, cường độ cực đại thường xảy ra không phải vào giữa mùa hè mà vào những tháng mùa xuân, khi Mặt trời mọc khá cao* phía trên đường chân trời và bầu không khí sau mùa đông vẫn tương đối rõ ràng. Để minh họa sự thay đổi hàng năm của cường độ bức xạ mặt trời ở bán cầu bắc, chúng tôi trình bày dữ liệu về giá trị cường độ bức xạ giữa trưa trung bình hàng tháng ở Pavlovsk.

Lượng nhiệt từ bức xạ mặt trời. Trong ngày, bề mặt Trái đất liên tục nhận nhiệt từ bức xạ mặt trời trực tiếp và khuếch tán hoặc chỉ từ bức xạ khuếch tán (khi trời nhiều mây). Lượng nhiệt hàng ngày được xác định dựa trên các quan sát đo độ nhạy: bằng cách tính đến lượng bức xạ trực tiếp và khuếch tán nhận được trên bề mặt trái đất. Sau khi xác định được lượng nhiệt mỗi ngày, lượng nhiệt mà bề mặt trái đất nhận được mỗi tháng hoặc mỗi năm sẽ được tính toán.

Lượng nhiệt hàng ngày mà bề mặt trái đất nhận được từ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ và thời gian tác dụng của nó trong ngày. Về vấn đề này, dòng nhiệt tối thiểu xảy ra vào mùa đông và tối đa vào mùa hè. Trong sự phân bố địa lý của tổng bức xạ trên toàn cầu, sự gia tăng của nó được quan sát thấy khi vĩ độ giảm dần. Vị trí này được xác nhận bởi bảng sau.

Vai trò của bức xạ trực tiếp và khuếch tán trong lượng nhiệt hàng năm mà bề mặt trái đất nhận được ở các vĩ độ khác nhau trên địa cầu là khác nhau. Ở vĩ độ cao, lượng nhiệt hàng năm bị chi phối bởi bức xạ tán xạ. Khi vĩ độ giảm dần, bức xạ mặt trời trực tiếp trở nên chiếm ưu thế. Ví dụ, ở Vịnh Tikhaya, bức xạ mặt trời khuếch tán cung cấp 70% lượng nhiệt hàng năm và bức xạ trực tiếp chỉ cung cấp 30%. Ngược lại, ở Tashkent, bức xạ mặt trời trực tiếp cung cấp 70%, chỉ phân tán 30%.

Sự phản xạ của Trái đất. Albedo. Như đã chỉ ra, bề mặt Trái đất chỉ hấp thụ một phần năng lượng mặt trời chiếu tới nó dưới dạng bức xạ trực tiếp và khuếch tán. Phần còn lại được phản ánh vào bầu khí quyển. Tỷ lệ giữa lượng bức xạ mặt trời được phản xạ bởi một bề mặt nhất định với lượng dòng năng lượng bức xạ tới bề mặt đó được gọi là suất phản chiếu. Albedo được biểu thị bằng phần trăm và đặc trưng cho độ phản xạ của một diện tích bề mặt nhất định.

Albedo phụ thuộc vào bản chất của bề mặt (đặc tính của đất, sự hiện diện của tuyết, thảm thực vật, nước, v.v.) và vào góc tới của tia Mặt trời trên bề mặt Trái đất. Vì vậy, ví dụ, nếu các tia tới bề mặt trái đất một góc 45° thì:

Từ các ví dụ trên, rõ ràng độ phản xạ của các vật thể khác nhau là không giống nhau. Nó lớn nhất khi ở gần tuyết và ít nhất là ở gần nước. Tuy nhiên, các ví dụ chúng tôi lấy chỉ liên quan đến những trường hợp khi độ cao của Mặt trời so với đường chân trời là 45°. Khi góc này giảm thì độ phản xạ tăng. Vì vậy, ví dụ ở độ cao mặt trời 90°, nước chỉ phản xạ 2%, ở 50° - 4%, ở 20° - 12%, ở 5° - 35-70% (tùy thuộc vào trạng thái của mặt nước). ).

Trung bình, khi bầu trời không có mây, bề mặt địa cầu phản chiếu 8% bức xạ mặt trời. Ngoài ra, 9% được phản ánh bởi bầu khí quyển. Do đó, toàn bộ quả địa cầu, với bầu trời không mây, phản ánh 17% năng lượng bức xạ của Mặt trời chiếu vào nó. Nếu bầu trời bị mây che phủ thì 78% bức xạ sẽ bị phản xạ từ chúng. Nếu lấy điều kiện tự nhiên, dựa trên tỷ lệ giữa bầu trời không mây và bầu trời phủ đầy mây quan sát được trên thực tế, thì hệ số phản xạ của toàn bộ Trái đất là 43%.

Bức xạ mặt đất và khí quyển. Trái đất, nhận được năng lượng mặt trời, nóng lên và tự nó trở thành nguồn bức xạ nhiệt vào không gian. Tuy nhiên, các tia phát ra từ bề mặt trái đất rất khác với các tia của mặt trời. Trái đất chỉ phát ra tia hồng ngoại (nhiệt) vô hình có bước sóng dài (λ 8-14 μ). Năng lượng phát ra từ bề mặt trái đất được gọi là bức xạ mặt đất Bức xạ từ Trái Đất xảy ra... ngày và đêm. Nhiệt độ của vật phát xạ càng cao thì cường độ bức xạ càng lớn. Bức xạ mặt đất được xác định theo cùng đơn vị với bức xạ mặt trời, tức là tính bằng calo từ 1 cm 2 bề mặt trong 1 phút. Các quan sát cho thấy lượng bức xạ trên mặt đất là nhỏ. Thông thường nó đạt 15-18 phần trăm calo. Tuy nhiên, hoạt động liên tục, nó có thể tạo ra hiệu ứng nhiệt đáng kể.

Bức xạ mặt đất mạnh nhất thu được khi bầu trời không mây và bầu khí quyển trong suốt tốt. Mây che phủ (đặc biệt là các đám mây thấp) làm giảm đáng kể bức xạ mặt đất và thường đưa nó về 0. Ở đây có thể nói rằng bầu khí quyển cùng với các đám mây là một “tấm chăn” tốt bảo vệ Trái đất khỏi bị làm mát quá mức. Các bộ phận của khí quyển, giống như các khu vực trên bề mặt trái đất, phát ra năng lượng tùy theo nhiệt độ của chúng. Năng lượng này được gọi là bức xạ khí quyển. Cường độ bức xạ khí quyển phụ thuộc vào nhiệt độ của phần bức xạ của khí quyển, cũng như lượng hơi nước và carbon dioxide có trong không khí. Bức xạ khí quyển thuộc nhóm sóng dài. Nó lan truyền trong bầu khí quyển theo mọi hướng; một lượng nhất định của nó chạm tới bề mặt trái đất và được nó hấp thụ, phần còn lại đi vào không gian liên hành tinh.

VỀ sự xuất hiện và tiêu thụ năng lượng mặt trời trên Trái đất. Bề mặt trái đất một mặt nhận năng lượng mặt trời dưới dạng bức xạ trực tiếp và khuếch tán, mặt khác mất đi một phần năng lượng này dưới dạng bức xạ mặt đất. Nhờ sự xuất hiện và tiêu thụ năng lượng mặt trời, một số kết quả đã thu được. Trong một số trường hợp, kết quả này có thể là dương tính, trong những trường hợp khác là âm tính. Hãy đưa ra ví dụ về cả hai.

Ngày 8 tháng Giêng. Ngày không có mây. Trên 1 cm 2 bề mặt trái đất nhận được trong 20 ngày phân bức xạ mặt trời trực tiếp và 12 phân bức xạ tán xạ; tổng cộng, điều này mang lại 32 cal. Cùng lúc đó, do bức xạ 1 cm? bề mặt trái đất bị mất 202 cal. Kết quả là theo ngôn ngữ kế toán, bảng cân đối kế toán bị lỗ 170 phân(số dư âm).

Ngày 6 tháng 7. Bầu trời gần như không có mây. 630 nhận được từ bức xạ mặt trời trực tiếp phân, từ bức xạ tán xạ 46 cal. Do đó, tổng cộng bề mặt trái đất nhận được 1 cm 2 676 cal. 173 bị mất do bức xạ mặt đất cal. Bảng cân đối kế toán cho thấy lợi nhuận là 503 phân(số dư dương).

Từ các ví dụ được đưa ra, cùng với những ví dụ khác, hoàn toàn có thể hiểu rõ tại sao các vĩ độ ôn đới lại lạnh vào mùa đông và ấm áp vào mùa hè.

Sử dụng bức xạ mặt trời cho mục đích kỹ thuật và sinh hoạt. Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên vô tận. Lượng năng lượng mặt trời trên Trái đất có thể được đánh giá bằng ví dụ này: ví dụ: nếu chúng ta sử dụng nhiệt của bức xạ mặt trời rơi trên 1/10 diện tích của Liên Xô, thì chúng ta có thể thu được năng lượng bằng công việc trong số 30 nghìn nhà máy thủy điện Dnepr.

Con người từ lâu đã tìm cách sử dụng năng lượng miễn phí của bức xạ mặt trời cho nhu cầu của mình. Đến nay, đã có nhiều nhà máy điện mặt trời khác nhau hoạt động bằng bức xạ mặt trời và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của người dân. Ở các khu vực phía nam Liên Xô, máy nước nóng năng lượng mặt trời, nồi hơi, nhà máy khử muối nước mặn, máy sấy năng lượng mặt trời (để sấy trái cây), nhà bếp, nhà tắm, nhà kính và các thiết bị dùng cho mục đích y tế hoạt động trên cơ sở sử dụng rộng rãi bức xạ mặt trời trong công nghiệp và tiện ích công cộng. Bức xạ mặt trời được sử dụng rộng rãi trong các khu nghỉ dưỡng để điều trị và nâng cao sức khỏe con người.

- Nguồn-

Polovinkin, A.A. Nguyên tắc cơ bản của khoa học địa chất nói chung/ A.A. Polovinkin - M.: Nhà xuất bản giáo dục và sư phạm nhà nước của Bộ Giáo dục RSFSR, 1958. - 482 tr.

Lượt xem bài viết: 469

Phân hủy quang phổ

Ánh sáng mặt trời là bức xạ điện từ phát ra từ Mặt trời. Trên Trái đất, bầu khí quyển lọc bức xạ từ Mặt trời, bảo vệ chúng ta khỏi bức xạ có hại và thay đổi màu sắc của nó.

Nó đến từ đâu?

Chúng ta hãy xem xét tất cả các bước sóng của ánh sáng trong bức xạ mặt trời. Như bạn có thể đã biết, nhiệt độ và áp suất cực lớn trong lõi khiến hydro biến đổi thành nguyên tử heli. Một phần năng lượng từ sự hợp nhất này được giải phóng dưới dạng tia gamma. Những tia gamma này được các hạt trên Mặt trời hấp thụ rồi phát xạ lại. Các photon phải mất 200.000 năm mới thoát khỏi lõi ra ngoài vũ trụ. Bề mặt của Mặt trời được gọi là quang quyển, và chính trong quang quyển, ánh sáng cuối cùng thoát ra ngoài không gian. Sau hành trình dài xuyên qua Mặt trời, các photon mất năng lượng và bước sóng của chúng thay đổi.

Đây là một tin tốt, nếu không thì sự phát triển của sự sống trên Trái đất, dưới sự chiếu xạ liên tục của tia gamma, sẽ khó khăn.

Ánh sáng phát ra từ Mặt trời là hỗn hợp của nhiều bước sóng khác nhau. Nhiệt lượng mà chúng ta cảm nhận được là bức xạ hồng ngoại có bước sóng từ 1400 nm đến 1 mm. Ánh sáng khả kiến ​​có bước sóng từ 400 đến 700 nm.

Trong không gian, ánh sáng mặt trời có màu trắng, nhưng ở đây trên Trái đất chúng ta thấy nó có màu vàng vì bầu khí quyển của chúng ta loại bỏ các photon xanh lam và tím.

May mắn thay, bức xạ cực tím được bầu khí quyển Trái đất hấp thụ và khá nguy hiểm đến tính mạng. Quang phổ của ánh sáng mặt trời là liên tục và chứa nhiều vạch tối do sự hấp thụ của nó trong các lớp lạnh của khí quyển. Tất cả sự sống trên Trái đất đều phụ thuộc vào bức xạ mặt trời. Nó là nguồn năng lượng chính trên Trái đất và kiểm soát thời tiết và sự lưu thông của đại dương trên hành tinh. Nếu không có nguồn năng lượng này, Trái đất sẽ đóng băng.

Nổi bật trên bề mặt

Bức xạ từ Mặt trời, hay còn gọi là ánh sáng mặt trời, là hỗn hợp của các sóng điện từ từ tia hồng ngoại (IR) đến tia cực tím (UV). Nó bao gồm ánh sáng khả kiến, nằm giữa IR và UV trên phổ điện từ.

Tốc độ lan truyền của sóng điện từ

Tất cả các sóng điện từ (EM) truyền đi với tốc độ xấp xỉ 3,0x10*8 m/s trong chân không. Không gian không phải là chân không hoàn hảo; nó thực sự chứa các hạt ở nồng độ thấp, sóng điện từ, neutrino và từ trường. Vì khoảng cách trung bình giữa Trái đất và Mặt trời là hơn 149,6 triệu km nên phải mất khoảng 8 phút để bức xạ tới Trái đất. Mặt trời chiếu sáng không chỉ ở vùng hồng ngoại, vùng nhìn thấy và tia cực tím. Về cơ bản, nó phát ra tia gamma năng lượng cao.

Tuy nhiên, các photon tia gamma di chuyển một quãng đường dài đến bề mặt, chúng liên tục bị hấp thụ bởi plasma mặt trời và phát xạ lại với sự thay đổi tần số.

Vào thời điểm chúng chạm tới bề mặt, các photon tia gamma nằm trong phổ IR, khả kiến ​​và UV. Bức xạ hồng ngoại là sức nóng mà chúng ta cảm nhận được. Không có nó và ánh sáng khả kiến, sự sống trên Trái đất sẽ không thể tồn tại được. Trong các cơn bão mặt trời, nó cũng phát ra tia X. Khi bức xạ điện từ Mặt trời tới bầu khí quyển của Trái đất, một phần trong số đó sẽ bị hấp thụ trong khi phần còn lại chạm tới bề mặt Trái đất.

Cụ thể, bức xạ tia cực tím bị tầng ozone hấp thụ và tái bức xạ dưới dạng nhiệt, khiến tầng bình lưu ấm lên.

Dải phổ của bức xạ điện từ Mặt trời rất rộng - từ sóng vô tuyến đến tia X. Tuy nhiên, cường độ cực đại của nó xảy ra ở phần nhìn thấy được (vàng-xanh) của quang phổ.

Cơm. 4.5. Phổ bức xạ mặt trời quan sát được trên bầu khí quyển Trái đất và ở mực nước biển

Đặc biệt quan tâm là phần quang phổ mặt trời bao gồm các trường điện từ và bức xạ có bước sóng trên 100 nm. Trong phần này của quang phổ mặt trời, ba loại bức xạ được phân biệt:

Tia cực tím (UV) – có bước sóng 290-400 nm;

Có thể nhìn thấy - có bước sóng 400-760 nm;

Hồng ngoại (IR) – có bước sóng 760-2800 nm.

Các tia sáng mặt trời phải xuyên qua một lớp khí quyển dày trước khi chạm tới bề mặt trái đất. Bức xạ mặt trời bị hấp thụ và phân tán bởi hơi nước, phân tử khí, hạt bụi, v.v. Khoảng 30% bức xạ mặt trời không tới được bề mặt trái đất. Vì vậy, nếu ở ranh giới của khí quyển trái đất, phần tử ngoại của quang phổ mặt trời là 5%, phần nhìn thấy được là 52% và phần hồng ngoại là 43%, thì ở bề mặt Trái đất phần tử ngoại là 1%, phần nhìn thấy được là 40% và phần hồng ngoại của quang phổ mặt trời là 59%. Một số nguồn thông tin đưa ra một bức tranh hơi khác về sự phân bố năng lượng bức xạ mặt trời trên mặt đất: bức xạ cực tím - khoảng 2%, phần quang phổ nhìn thấy được - khoảng 49% và vùng hồng ngoại - cũng khoảng 49%.

Cường độ bức xạ mặt trời trên bề mặt Trái đất sẽ luôn nhỏ hơn mức bức xạ mặt trời ở ranh giới khí quyển Trái đất. Sự hiện diện của mây che phủ, ô nhiễm không khí, sương mù hoặc thậm chí các đám mây rải rác đóng một vai trò quan trọng trong việc làm suy giảm bức xạ mặt trời. Sự phụ thuộc của công suất PV vào điều kiện thời tiết được thể hiện trong hình 2. 4. 6.

Cơm. 4. 6. Sự phụ thuộc của nguồn điện PV vào điều kiện thời tiết

Khi bầu trời bị mây che phủ hoàn toàn, cường độ bức xạ tia cực tím giảm 72%, khi bầu trời bị mây che phủ một nửa - 44% và trong điều kiện khắc nghiệt - hơn 90%. Ozone và oxy hấp thụ hoàn toàn bức xạ UV sóng ngắn (bước sóng 290-100 nm), bảo vệ mọi sinh vật khỏi tác hại của nó. Các phân tử không khí phân tán chủ yếu các phần tử ngoại và xanh lam của quang phổ (do đó có màu xanh lam của bầu trời), do đó bức xạ tán xạ có nhiều tia UV hơn. Khi Mặt trời ở vị trí thấp so với đường chân trời, các tia truyền đi một khoảng cách xa hơn và sự tán xạ ánh sáng, kể cả trong phạm vi tia cực tím, tăng lên. Vì vậy, vào buổi trưa, Mặt trời có màu trắng, vàng, rồi cam vì có ít tia cực tím và xanh lam hơn trong ánh sáng mặt trời trực tiếp.

Mức độ bức xạ mặt trời được đánh giá bằng cường độ của nó (watt trên một đơn vị diện tích bề mặt) và hiệu ứng nhiệt (calo trên một đơn vị diện tích bề mặt trên một đơn vị thời gian.

Có tính đến các đặc điểm quang phổ của bức xạ mặt trời và tình trạng tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực năng lượng mặt trời, trong số các phương pháp chuyển đổi năng lượng mặt trời hiện có, có thể xác định được những phương pháp phổ biến nhất sau đây:

- quang điện;

– nhiệt mặt trời;

- không khí nhiệt.

4.2.2. Bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời quang điện.

Nguyên lý hoạt động. Các thiết bị tiết kiệm năng lượng nhất để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là bộ chuyển đổi quang điện bán dẫn (PVC), Hình 2. 4.7.

Cơm. 4.7. Bộ chuyển đổi năng lượng quang điện

Về mặt lý thuyết, hiệu suất tối đa của chúng có thể vượt quá 90%. Tiến bộ kỹ thuật nhằm giảm tổn thất năng lượng không thể đảo ngược bằng cách tối ưu hóa thành phần, cấu trúc và các thông số khác của pin mặt trời, trong những năm tới, sẽ giúp tăng hiệu suất thực tế lên 50% hoặc hơn, với mức đã đạt được trong điều kiện phòng thí nghiệm. gần 40%. Cần lưu ý rằng tổn thất năng lượng chính trong pin mặt trời có liên quan đến:

- phản xạ bức xạ mặt trời từ bề mặt của bộ chuyển đổi;

- sự truyền một phần bức xạ qua pin mặt trời mà không bị hấp thụ;

– sự tán xạ năng lượng photon dư thừa trên các dao động nhiệt của mạng;

– sự tái kết hợp của các cặp quang được hình thành trên bề mặt và trong thể tích của pin mặt trời;

- điện trở trong của bộ chuyển đổi

- và một số quá trình vật lý khác.

Sự biến đổi quang điện của năng lượng mặt trời sử dụng hiệu ứng quang điện do Hertz phát hiện. Hiệu ứng ảnh (ảnh - từ tiếng Hy Lạp "ánh sáng") xảy ra do ảnh hưởng của bức xạ mặt trời lên các lớp bề mặt của chất bán dẫn có độ dày khoảng 2-3 micron, giải phóng một số lượng electron nhất định. Với sự xuất hiện của các electron tự do trong vật bán dẫn và khi có sự chênh lệch điện thế, một dòng điện sẽ xuất hiện trong nó. Một hiệu điện thế được hình thành giữa bề mặt được chiếu xạ của chất bán dẫn và phía “bóng” của nó. Nguyên liệu chính để sản xuất pin mặt trời trên thế giới hiện nay là silicon. Silicon tinh khiết về mặt kỹ thuật (nồng độ tạp chất<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.

Hiệu ứng quang điện xảy ra trong các cấu trúc bán dẫn không đồng nhất khi tiếp xúc với bức xạ mặt trời. Tính không đồng nhất của cấu trúc PV có thể đạt được bằng cách pha tạp cùng một chất bán dẫn với các tạp chất khác nhau (tạo các tiếp xúc p-n) hoặc bằng cách kết nối các chất bán dẫn khác nhau với các vùng cấm không bằng nhau - năng lượng loại bỏ electron khỏi nguyên tử (tạo ra các tiếp xúc dị thể), hoặc bằng cách thay đổi tính chất hóa học thành phần của chất bán dẫn, dẫn đến sự xuất hiện độ dốc của độ rộng vùng cấm (tạo ra các cấu trúc vùng cấm). Cũng có thể kết hợp nhiều phương pháp trên. Hiệu suất chuyển đổi phụ thuộc vào đặc tính điện của cấu trúc bán dẫn không đồng nhất, cũng như tính chất quang của pin mặt trời, trong đó vai trò quan trọng nhất là tính quang dẫn, gây ra bởi hiệu ứng quang điện bên trong chất bán dẫn khi được chiếu xạ bằng ánh sáng mặt trời.

Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện có thể được giải thích bằng ví dụ về bộ chuyển đổi có tiếp giáp p-n, được sử dụng rộng rãi trong năng lượng mặt trời và không gian hiện đại (Hình 4.8).

Cơm. 4.8. Nguyên lý hoạt động của quang điện bán dẫn

bộ chuyển đổi

Mối nối điện tử-lỗ trống được tạo ra bằng cách pha tạp tạp chất vào một tấm bán dẫn đơn tinh thể có loại dẫn điện nhất định (tức là loại p hoặc loại n), đảm bảo tạo ra lớp bề mặt có độ dẫn điện ngược lại. kiểu. Nồng độ dopant trong lớp này phải cao hơn đáng kể so với nồng độ dopant trong vật liệu nền (đơn tinh thể ban đầu) để trung hòa các chất mang điện tích tự do chính có ở đó và tạo ra độ dẫn điện có dấu ngược lại. Tại ranh giới của lớp n và lớp p, do dòng điện tích, các vùng cạn kiệt được hình thành với điện tích dương thể tích không bù trong lớp n và điện tích âm thể tích trong lớp p. Các vùng này cùng nhau tạo thành một điểm nối p-n. Rào cản tiềm năng (chênh lệch điện thế tiếp xúc) xuất hiện ở điểm chuyển tiếp ngăn cản sự đi qua của các hạt mang điện chính, tức là. các electron từ phía lớp p, nhưng tự do cho phép các hạt mang điện thiểu số đi qua theo hướng ngược lại. Đặc tính này của các điểm nối p-n xác định khả năng thu được quang điện khi chiếu xạ pin mặt trời bằng ánh sáng mặt trời. Các hạt mang điện không cân bằng (cặp lỗ electron) được tạo ra bởi ánh sáng trong cả hai lớp của tế bào quang điện được tách ra tại điểm nối p-n: các hạt mang điện thiểu số (tức là các electron) tự do đi qua điểm nối và các hạt mang điện đa số (lỗ trống) được giữ lại. Do đó, dưới tác động của bức xạ mặt trời, một dòng điện gồm các hạt mang điện thiểu số không cân bằng - các quang điện tử và các lỗ quang - sẽ chạy qua tiếp giáp p-n theo cả hai hướng, đây chính là điều cần thiết cho hoạt động của pin mặt trời. Nếu bây giờ chúng ta đóng mạch ngoài, thì các electron từ lớp n, sau khi thực hiện công trên tải, sẽ quay trở lại lớp p và ở đó kết hợp lại (hợp nhất) với các lỗ di chuyển bên trong pin mặt trời theo hướng ngược lại. Để thu và loại bỏ các electron vào mạch điện bên ngoài, trên bề mặt cấu trúc bán dẫn của pin mặt trời có một hệ thống tiếp xúc. Ở mặt trước, bề mặt được chiếu sáng của bộ chuyển đổi, các tiếp điểm được chế tạo dưới dạng lưới hoặc lược, còn ở phía sau chúng có thể chắc chắn.

Các loại bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời quang điện. Ngày nay chúng ta có thể nói về ba thế hệ tế bào quang điện.

Đến thế hệ đầu tiên, tinh thể, bao gồm (Hình 4.9):

- pin mặt trời silicon đơn tinh thể,

- silic đa tinh thể và

– công nghệ trồng phôi có thành mỏng - EFG (Kỹ thuật tăng trưởng tinh thể dùng màng xác định cạnh), - S-web (Siemens), polysilicon lớp mỏng (Apex).

Cơm. 4. 9. Pin mặt trời tinh thể

Chỉ số chính về hiệu quả của tế bào quang điện là hệ số hiệu quả - tỷ lệ giữa lượng năng lượng cung cấp cho tế bào quang điện và lượng năng lượng mà người tiêu dùng nhận được.

Pin mặt trời được sản xuất hàng loạt dựa trên silicon đơn tinh thể có hiệu suất thực tế là 16 - 17%, pin sử dụng silicon đa tinh thể - 14 - 15%, silicon vô định hình - 8 - 9%.

Thế hệ thứ hai, màng mỏng, cho phép bạn tạo ra điện bằng tế bào quang điện (Hình 4.10):

– silicon: vô định hình, vi tinh thể, nano tinh thể, CSG (silic tinh thể trên thủy tinh);

– dựa trên cadmium Telluride (CdTe);

– dựa trên selenua đồng-indi-(gallium) (CI(G)S).

Cơm. 4.10. PV phim

Công nghệ sản xuất bộ chuyển đổi quang điện màng mỏng (FCPC) thế hệ thứ hai liên quan đến việc áp dụng các lớp bằng phương pháp chân không. Công nghệ chân không, so với công nghệ sản xuất pin mặt trời tinh thể, ít tiêu tốn năng lượng hơn và cũng có đặc điểm là khối lượng vốn đầu tư thấp hơn. Nó cho phép sản xuất pin mặt trời linh hoạt, giá rẻ với diện tích lớn, nhưng hệ số chuyển đổi của các nguyên tố này thấp hơn so với pin mặt trời thế hệ đầu tiên.

Các tế bào TC PV được chia theo loại vật liệu thành silicon và không silicon. Pin mặt trời silicon có thể ở dạng vô định hình một lớp (chúng là loại đầu tiên xuất hiện trong lịch sử) hoặc có cấu trúc phức tạp hơn (ví dụ, vô định hình-vi hình), xuất hiện muộn hơn. PV TC được sản xuất trên chất nền rắn hoặc linh hoạt. Trong những năm gần đây, sự phân bổ sản xuất tế bào quang điện trên thế giới theo loại công nghệ đã xác định tỷ lệ tế bào quang điện silicon (mono và đa silic) là 86%; TC dựa trên silic vô định hình lên tới 6%. Phần còn lại của pin mặt trời được sản xuất dưới dạng màng mỏng làm từ các vật liệu như cadmium Telluride (CdTe) - 6%, đồng và indium diselenide (CIS/CIGS) - 2%.

Những ưu điểm chính của TC PV so với PV tinh thể silicon như sau:

– chi phí đơn vị thấp hơn;

- tiêu thụ vật liệu thấp hơn;

– khả năng sản xuất các thiết bị diện rộng;

– ít hoạt động công nghệ hơn;

– khả năng nhận được ánh sáng mặt trời khuếch tán và yếu (chẳng hạn như khi mặt trời ẩn sau những đám mây) hiệu quả hơn nhiều so với pin tinh thể.

FEP thế hệ thứ ba:

– các phần tử được cảm quang bằng thuốc nhuộm (pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm, DSC) (Hình 4.11);

– FEP hữu cơ (polymer) (OPV) (Hình 4.12 và Hình 4.13);

– FEP vô cơ (CTZSS);

– Tế bào quang điện dựa trên cấu trúc tầng (Hình 4.14).

Cơm. 4.11. FEP cảm quang bằng thuốc nhuộm

Cơm. 4. 12. Sản xuất polyme hữu cơ FEP

Cơm. 4.13. Polyme hữu cơ FEP

Cơm. 4.14.PVS dựa trên cấu trúc tầng

Ý tưởng tạo ra tế bào PV thế hệ thứ ba là nhằm giảm hơn nữa chi phí của tế bào PV, từ bỏ việc sử dụng các vật liệu đắt tiền và độc hại để chuyển sang sử dụng các chất điện phân và chất điện phân rẻ tiền và có thể tái chế. Một điểm khác biệt quan trọng cũng là khả năng áp dụng các lớp bằng phương pháp in, chẳng hạn như sử dụng công nghệ cuộn để cuộn (R2R).

Các biện pháp cải thiện FEP. Có tính đến các phương pháp chuyển đổi năng lượng được sử dụng để giảm tất cả các loại tổn thất năng lượng trong PV, các biện pháp sau đây được phát triển và áp dụng:

– việc sử dụng chất bán dẫn có dải tần tối ưu cho bức xạ mặt trời;

– cải thiện có mục tiêu các đặc tính của cấu trúc bán dẫn thông qua việc pha tạp tối ưu và tạo ra điện trường tích hợp;

- chuyển đổi từ cấu trúc bán dẫn đồng nhất sang cấu trúc bán dẫn không đồng nhất và có khe hở phân loại;

– tối ưu hóa các thông số thiết kế PV (độ sâu tiếp giáp pn, độ dày lớp nền, tần số lưới tiếp xúc, v.v.);

– việc sử dụng các lớp phủ quang học đa chức năng giúp chống phản xạ, điều chỉnh nhiệt và bảo vệ pin mặt trời khỏi bức xạ vũ trụ;

– phát triển pin mặt trời trong suốt ở vùng sóng dài của quang phổ mặt trời ngoài rìa của dải hấp thụ chính;

– tạo ra các pin mặt trời theo tầng từ các chất bán dẫn được lựa chọn đặc biệt cho độ rộng vùng cấm của chúng, giúp có thể chuyển đổi trong mỗi tầng bức xạ đã đi qua tầng trước đó, v.v.;

Ngoài ra, hiệu suất của pin mặt trời đã tăng đáng kể thông qua việc tạo ra các bộ chuyển đổi có độ nhạy hai mặt (lên tới +80% hiệu suất hiện có của một mặt), sử dụng cấu trúc tái phát quang và sơ bộ phân tách quang phổ mặt trời thành hai hoặc nhiều vùng quang phổ bằng cách sử dụng bộ tách chùm tia màng nhiều lớp (gương lưỡng sắc) với sự biến đổi tiếp theo của từng phần quang phổ bằng một tế bào quang điện riêng biệt, v.v.

Trong các hệ thống chuyển đổi năng lượng của các nhà máy điện mặt trời (nhà máy điện mặt trời), về nguyên tắc, bất kỳ loại pin mặt trời nào có cấu trúc khác nhau dựa trên các vật liệu bán dẫn khác nhau đã được tạo ra và đang phát triển đều có thể sử dụng được, nhưng không phải tất cả chúng đều đáp ứng các yêu cầu sau: Bộ yêu cầu đối với các hệ thống này:

– độ tin cậy cao với tuổi thọ dài (hàng chục năm!);

- sự sẵn có của nguồn nguyên liệu với số lượng đủ để sản xuất các bộ phận của hệ thống chuyển đổi và khả năng tổ chức sản xuất hàng loạt chúng;

– chi phí năng lượng để tạo ra một hệ thống chuyển đổi có thể chấp nhận được xét về mặt thời gian hoàn vốn;

- chi phí năng lượng và khối lượng tối thiểu liên quan đến việc quản lý hệ thống chuyển đổi và truyền tải năng lượng (không gian), bao gồm cả việc định hướng và ổn định toàn bộ trạm;

– dễ bảo trì.

Ví dụ, một số vật liệu đầy hứa hẹn rất khó có được với số lượng cần thiết để tạo ra các nhà máy điện mặt trời do trữ lượng nguyên liệu thô tự nhiên hạn chế và sự phức tạp trong quá trình xử lý chúng. Một số phương pháp nhất định để cải thiện đặc tính năng lượng và hoạt động của pin mặt trời, ví dụ, bằng cách tạo ra các cấu trúc phức tạp, không tương thích tốt với khả năng tổ chức sản xuất hàng loạt với chi phí thấp, v.v. Năng suất cao chỉ có thể đạt được bằng cách tổ chức sản xuất PV hoàn toàn tự động, chẳng hạn như dựa trên công nghệ băng và tạo ra một mạng lưới phát triển gồm các doanh nghiệp chuyên biệt có hồ sơ phù hợp, tức là. trên thực tế, là cả một ngành công nghiệp có quy mô tương đương với ngành công nghiệp vô tuyến điện tử hiện đại. Việc sản xuất pin mặt trời và lắp ráp các tấm pin mặt trời trên dây chuyền tự động sẽ giúp giảm giá thành mô-đun pin từ 2-2,5 lần.

Silicon và gallium arsenide (GaAs) hiện được coi là vật liệu có khả năng nhất cho hệ thống quang điện để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành SES, và trong trường hợp thứ hai, chúng ta đang nói về bộ chuyển đổi quang dị chất (HPC) có cấu trúc AlGaAs-GaAs.

FEC (bộ chuyển đổi quang điện) dựa trên hợp chất asen với gali (GaAs), như đã biết, có hiệu suất lý thuyết cao hơn FEC silicon, vì độ rộng vùng cấm của chúng trên thực tế trùng với độ rộng vùng cấm tối ưu cho bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời bán dẫn =1,4 eV. Đối với silicon, chỉ số này = 1,1 eV.

Do mức độ hấp thụ bức xạ mặt trời cao hơn, được xác định bằng sự chuyển đổi quang học trực tiếp trong GaAs, nên có thể thu được các tế bào PV hiệu suất cao dựa trên chúng với độ dày tế bào PV nhỏ hơn đáng kể so với silicon. Về nguyên tắc, chỉ cần có độ dày GFP là 5-6 micron là đủ để đạt được hiệu suất ít nhất là 20%, trong khi độ dày của các nguyên tố silicon không thể nhỏ hơn 50-100 micron mà không làm giảm hiệu quả rõ rệt. . Hoàn cảnh này cho phép chúng ta tin tưởng vào việc tạo ra các HFP màng nhẹ, việc sản xuất chúng sẽ yêu cầu nguyên liệu ban đầu tương đối ít, đặc biệt nếu có thể sử dụng vật liệu khác, chẳng hạn như sapphire tổng hợp (Al2 O3), làm chất nền thay vì GaAs .

GFC cũng có các đặc tính vận hành thuận lợi hơn về các yêu cầu đối với bộ chuyển đổi SES so với pin quang điện silicon. Do đó, đặc biệt, khả năng đạt được các giá trị ban đầu nhỏ của dòng bão hòa ngược trong các điểm nối p-n do khoảng cách dải lớn giúp có thể giảm thiểu độ lớn của gradient nhiệt độ âm của hiệu suất và công suất tối ưu của HFP và, ngoài ra, , mở rộng đáng kể vùng phụ thuộc tuyến tính của cái sau vào mật độ quang thông . Sự phụ thuộc thực nghiệm của hiệu suất của HFP vào nhiệt độ cho thấy rằng việc tăng nhiệt độ cân bằng của HFP lên 150-180°C không làm giảm đáng kể hiệu suất và công suất riêng tối ưu của chúng. Đồng thời, đối với pin mặt trời silicon, việc tăng nhiệt độ trên 60-70°C là gần như nghiêm trọng - hiệu suất giảm một nửa.

Do khả năng chịu nhiệt độ cao, pin mặt trời gali arsenide có thể được sử dụng làm bộ tập trung bức xạ mặt trời. Nhiệt độ vận hành của HFP dựa trên GaAs đạt tới 180°C, nhiệt độ vận hành khá cao cho động cơ nhiệt và tua bin hơi nước. Do đó, với hiệu suất nội tại 30% của HFP gali arsenide (ở 150°C), chúng ta có thể tăng hiệu suất của động cơ nhiệt bằng cách sử dụng nhiệt thải của chất lỏng làm mát tế bào quang điện. Do đó, hiệu suất tổng thể của hệ thống lắp đặt cũng sử dụng chu kỳ thứ ba của quá trình trích nhiệt ở nhiệt độ thấp từ chất làm mát sau tuabin để sưởi ấm không gian, thậm chí có thể cao hơn 50-60%.

Ngoài ra, HFC dựa trên GaAs ít bị phá hủy bởi dòng proton và electron năng lượng cao hơn so với FEC silicon do mức độ hấp thụ ánh sáng cao trong GaAs, cũng như thời gian tồn tại và độ dài khuếch tán cần thiết nhỏ của các chất mang thiểu số. Hơn nữa, các thí nghiệm đã chỉ ra rằng một phần đáng kể các khuyết tật bức xạ trong HFP dựa trên GaAs biến mất sau khi xử lý nhiệt (ủ) ở nhiệt độ chỉ khoảng 150-180 °C. Nếu GaAs HFC liên tục hoạt động ở nhiệt độ khoảng 150°C thì mức độ suy giảm hiệu suất bức xạ của chúng sẽ tương đối nhỏ trong toàn bộ thời gian hoạt động tích cực của các trạm (điều này đặc biệt đúng đối với các nhà máy điện mặt trời không gian, trong đó trọng lượng và kích thước thấp của FEC và hiệu quả cao là quan trọng).

Nói chung, chúng ta có thể kết luận rằng các đặc tính năng lượng, khối lượng và hoạt động của HFC dựa trên GaAs phù hợp hơn với các yêu cầu của SES và SCES (không gian) so với các đặc tính của FEC silicon. Tuy nhiên, silicon là vật liệu dễ tiếp cận và được sử dụng rộng rãi hơn nhiều so với gali arsenide. Silicon rất phổ biến trong tự nhiên và nguồn cung cấp nguyên liệu thô để tạo ra pin mặt trời dựa trên nó gần như không giới hạn. Công nghệ sản xuất pin mặt trời silicon đã được thiết lập tốt và không ngừng được cải tiến.

Có một triển vọng thực sự là giảm chi phí của pin mặt trời silicon từ một đến hai bậc với việc áp dụng các phương pháp sản xuất tự động mới, đặc biệt là có thể sản xuất băng silicon, pin mặt trời diện rộng, v.v.

Trong các cấu trúc thực tế có các tiếp xúc dị thể, hiệu suất ngày nay đạt hơn 30% và trong các chất bán dẫn đồng nhất như silicon đơn tinh thể - lên tới 18%. Hiệu suất trung bình của pin mặt trời dựa trên silicon đơn tinh thể ngày nay là khoảng 12%, mặc dù nó đạt tới 18%. Ngày nay chúng ta có thể nhìn thấy SB chủ yếu bằng silicon trên mái nhà trên khắp thế giới.

Không giống như silicon, gali là một vật liệu rất khan hiếm, điều này hạn chế khả năng sản xuất HFP dựa trên GaAs với số lượng cần thiết để triển khai rộng rãi.

Gallium được khai thác chủ yếu từ bauxite, nhưng khả năng thu được nó từ tro than và nước biển cũng đang được xem xét. Nguồn dự trữ gali lớn nhất được tìm thấy trong nước biển, nhưng nồng độ ở đó rất thấp, hiệu suất thu hồi ước tính chỉ khoảng 1% và do đó chi phí sản xuất có thể rất cao. Công nghệ sản xuất HFP dựa trên GaAs sử dụng phương pháp epitaxy lỏng và khí (tăng trưởng theo định hướng của một tinh thể đơn lẻ trên bề mặt của một tinh thể khác (trên chất nền)) vẫn chưa được phát triển ở mức độ tương tự như công nghệ sản xuất silicon PVS, và do đó, giá thành của HFP hiện cao hơn đáng kể (theo đơn đặt hàng) so với chi phí của pin mặt trời silicon.

Chi phí của HFP trong quá trình sản xuất hàng loạt dựa trên công nghệ cải tiến có thể cũng sẽ giảm đáng kể và nói chung, chi phí của hệ thống chuyển đổi của hệ thống chuyển đổi năng lượng SES dựa trên GaAs HFP có thể tương đương với chi phí của silicon- hệ thống dựa trên. Vì vậy, hiện tại, rất khó để hoàn toàn ưu tiên rõ ràng cho một trong hai vật liệu bán dẫn được xem xét - silicon hoặc gali arsenide, và chỉ có sự phát triển hơn nữa về công nghệ sản xuất của chúng mới cho thấy lựa chọn nào sẽ hợp lý hơn cho các vật liệu bán dẫn trên mặt đất và không gian. dựa trên năng lượng mặt trời.

Chi phí sản xuất năng lượng sử dụng bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời quang điện. Một trong những điểm quan trọng trong việc phổ biến năng lượng mặt trời là giá thành của nó.

Chỉ số chính về giá của các tấm quang điện là chi phí cho mỗi kilowatt điện lắp đặt.

Giá trị này liên tục giảm dần qua từng năm trong hơn 15 năm qua (Hình 4.15).

Cơm. 4.15. Chi phí 1 W công suất lắp đặt của pin mặt trời

Chi phí của các hệ thống quang điện nhỏ (dưới 500 kW) cho các cơ sở không phải nhà ở đã giảm 0,40 USD mỗi watt trong năm 2014 và chi phí của các hệ thống lớn hơn từ 500 kW đã giảm 0,70 USD mỗi watt. Năm thứ năm liên tiếp, giá lắp đặt các tấm pin mặt trời đã giảm đáng kể. Và quá trình này vẫn tiếp tục: trong nửa đầu năm 2015, giá lại giảm thêm 0,20-0,50 USD/W, tức là 6-13%. Sự giảm giá liên tục của các hệ thống quang điện đặc biệt đáng chú ý do giá của các mô-đun PV tương đối ổn định. Tại thị trường Mỹ, giá tấm pin giảm do chi phí lắp đặt liên quan thấp hơn, giá các bộ phận khác (biến tần, kính, nhôm, dây điện, v.v.) thấp hơn, thiết kế hệ thống hiệu quả hơn, chi phí xin giấy phép và kiểm tra, nhân công rẻ hơn cho người lao động, đồng thời cũng nhờ vào nỗ lực tiếp thị và nắm bắt thị trường của công ty.

Nhờ đó, giá thành “điện mặt trời” được tạo ra tại các nhà máy điện mặt trời thương mại giảm đáng kể. Trong 7-8 năm qua, chi phí đã giảm từ 200 USD/MWh (tức là từ 20 cent/kWh) xuống gần 40 USD/MWh (xuống còn 4 cent/kWh). Những con số này đến từ báo cáo của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley “Liệu năng lượng mặt trời trị giá 50 USD/MWh có phải là thật không?”
Việc giảm giá có thể thấy rõ đặc biệt nếu sự phụ thuộc không phải theo thời gian mà bởi tổng công suất của các tấm pin đã được lắp đặt, tức là các nhà máy điện đã đi vào hoạt động. Ở đây bạn có thể thấy mức giảm giá rất ổn định: cứ tăng gấp đôi tổng công suất, giá lắp đặt tấm pin mới giảm 16%. Đây là một hiệu ứng hoàn toàn tự nhiên: giá của bất kỳ sản phẩm nào cũng sẽ giảm khi khối lượng bán hàng tăng lên.
Báo cáo “Theo dõi Mặt trời” dựa trên thông tin được thu thập từ hơn 400.000 hệ thống quang điện dân dụng và phi dân cư được lắp đặt từ năm 1998 đến năm 2014 ở 42 tiểu bang. Con số này chiếm hơn 80% tổng số hệ thống PV được lắp đặt trong nước trong thời gian này.

Nếu Định luật Moore vẫn có hiệu lực ở đây thì đến năm 2020 hoặc 2021, tổng công suất của tất cả các nhà máy điện mặt trời trên thế giới sẽ đạt 600 GW, và giá điện không trợ giá sẽ giảm xuống còn 4,5 cent/kWh ở những khu vực nhiều nắng nhất (miền Nam nước Mỹ). , Úc, Trung Đông, v.v.) và lên tới 6,5 cent mỗi kWh đối với các khu vực có nắng vừa phải (Trung Âu, hầu hết Hoa Kỳ).

Giá năng lượng mặt trời hiện nay bao nhiêu? Theo ấn phẩm Pv-magazine của Mỹ, giá vào tháng 8 năm 2016 đã đạt mức tối thiểu, và các nhà sản xuất tấm PV ở Châu Âu và Trung Quốc đang cạnh tranh nhau để giảm giá, cạnh tranh với nhau để giành lấy người tiêu dùng (Hình 4.16).

Cơm. 4.16. Giá mô-đun silicon trên thị trường bán buôn EU, tháng 8 năm 2015 – tháng 8 năm 2016 (tính đến ngày 10/08/2016) theo xuất xứ sản phẩm

Giá được biểu thị cho cái gọi là “đỉnh watt” hoặc đỉnh W (Wp), nghĩa là dành cho công suất được tạo ra tối đa có thể. Bảng 4.1. hiển thị so sánh giá trung bình của các loại tấm silicon khác nhau trên thị trường Châu Âu trong tháng 7 năm 2016.

Bảng 4.1. Đánh giá về giá mô-đun PV ở Châu Âu trên mỗi?/W-đỉnh tính đến tháng 7 năm 2016 (dữ liệu từ Bloomberg New Energy Finance, pvXchange, USA)

Các tấm PV “cổ điển” được lắp ráp từ các tế bào silicon được làm từ nhiều loại khác nhau - đơn tinh thể, đa tinh thể, vô định hình, v.v.

Các chuyên gia từ Viện Chính sách Trái đất (EPI) và trung tâm nghiên cứu Tài chính Năng lượng Mới Bloomberg (BNEF) đã tính toán mức độ ảnh hưởng của giá tấm silicon và mối quan hệ với sự tăng trưởng về số lượng lắp đặt năng lượng mặt trời trên thế giới. Sơ đồ trong hình. Hình 4.17 minh họa giá tấm pin PV đã thay đổi như thế nào trên công suất lắp đặt đỉnh $/W từ năm 1975 đến năm 2015.

Cơm. 4.17. Lịch sử giá thế giới của các tấm PV silicon các loại

năm 1975 – 2015

Ảnh hưởng lẫn nhau của việc giảm chi phí công suất lắp đặt, chi phí sản xuất điện mặt trời và sự tăng trưởng về số lượng lắp đặt PV trên thế giới.

Trong thời gian này, chi phí sản xuất điện đã giảm hơn 150 lần (mặc dù thực tế là giá mỗi W-đỉnh của công suất lắp đặt đã giảm > 210 lần) và tổng số công trình lắp đặt trên thế giới chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện đã tăng 115 nghìn (!) một lần.

Như bạn có thể thấy, khi giá các tấm pin mặt trời vào khoảng 100 USD/1 Wp vào năm 1975, tổng công suất lắp đặt trên thế giới chỉ khoảng 2 MW. Chỉ trong hai năm, giá đã giảm xuống còn 76,67 USD/đỉnh 1W. Nhìn chung, đã khá lâu trôi qua kể từ đó, nhưng bây giờ mọi thứ đã thay đổi. Vào đầu năm 2016, giá trung bình toàn cầu cho mỗi mô-đun silicon trên công suất lắp đặt đỉnh watt là khoảng 0,61 USD và số lượng lắp đặt hệ thống phát điện PV trên toàn cầu đã tăng theo cấp số nhân.

Kể từ năm 1975, chi phí công nghệ đã giảm nhanh chóng. Từ năm 1976 đến năm 2008, giá mô-đun công suất đỉnh 1 W đã giảm 99%. Và từ năm 2008 đến năm 2015 – thêm 80%. Theo BNEF, chỉ từ năm 2000 đến năm 2005 mới có bước đột phá thực sự trong việc lắp đặt PV, khi giá mỗi watt đạt đến “điểm bùng phát” đối với các nhà đầu tư, sau đó công suất lắp đặt toàn cầu nhanh chóng đạt 65 GW vào năm 2015.

Việc giảm giá và tăng doanh số bán mô-đun PV có liên quan trực tiếp với nhau. Trong bốn thập kỷ qua, mỗi lần giá tấm pin mặt trời giảm khoảng 26% đã khiến ngành công nghiệp năng lượng mặt trời toàn cầu tăng gấp đôi quy mô. Bây giờ đầu tư toàn cầu vào ngành này chỉ đang tăng lên. Và đây không phải là giới hạn. Điều này sẽ tiếp tục cho đến năm 2030 – 2040. “Sự mệt mỏi trong đầu tư”, tức là khi lợi nhuận của việc đầu tư vào năng lượng mặt trời giảm đáng kể, không còn là mối đe dọa trong vài thập kỷ nữa.

Thấp hơn và thấp hơn và thấp hơn. Những dự báo “tương lai” của BNEF được xác nhận bằng số liệu thống kê thực tế. Vào tháng 5 năm 2015, nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (LBNL, Hoa Kỳ) đã được công bố. Một phân tích về các hợp đồng bán buôn bán điện mặt trời với mức giá đảm bảo (PPA) cho thấy vào tháng 1 năm 2015, 18 hợp đồng như vậy đã được ký kết với giá 1,1 GWh ở mức giá 50 USD/MWh, tức là. chỉ 5 xu cho mỗi 1 kWh, mặc dù thực tế là giá điện trung bình thông thường ở Hoa Kỳ trên 1 kWh là 12 xu.

Điều này được minh họa bằng việc các nhà sản xuất điện mặt trời giảm giá cho người tiêu dùng tiện ích lớn. Hơn nữa, những “hồ sơ” này nhanh chóng trở nên lỗi thời. Ví dụ, Austin Energy, Hoa Kỳ, báo cáo rằng vào mùa thu năm 2014 họ “đã ký một thỏa thuận khung với First Solar Inc.” và Hanwha Q-Cells Corp., Hoa Kỳ, với 288 MW công suất đầu vào ròng” điện thu được từ việc lắp đặt năng lượng mặt trời “với mức giá dưới 4 cent/kWh”. Nhưng vào cuối năm 2015, “thành phố Palo Alto đã ký hợp đồng mua điện từ năng lượng mặt trời với giá 37 USD/MWh” và Bloomberg đưa tin rằng “công ty năng lượng Berkshire Hathaway Inc. NV Energy đồng ý trả 3,87 cent/kWh cho công suất từ ​​100 MW” cho dự án do First Solar Inc., Hoa Kỳ làm chủ đầu tư.

Các cuộc đấu thầu mới ở Emirates trông thật ấn tượng. Cơ quan Điện và Nước Dubai (DEWA) đã nhận được lời đề nghị mua 800 MW quang điện với giá 2,99 xu mỗi kWh. Con số này gần bằng một nửa chi phí của hợp đồng 1.000 MW kéo dài 25 năm được ký vào năm 2015 với mức giá 5,84 cent/kWh. Do đó, Dubai đã nhận được mức giảm gần gấp đôi giá năng lượng PV chỉ trong 18 tháng và tất cả các đề nghị đấu thầu này đều không có trợ cấp và giá ưu đãi! Và những mức giá này không phải là duy nhất. Như BNEF đã báo cáo vào tháng 4 năm 2016, công ty tiện ích Enel Green Power đã ký một hợp đồng lớn ở Mexico với mức giá 3,6 mỗi kWh. Năng lượng mặt trời đang tự tin hướng tới khả năng cạnh tranh kinh tế với các hình thức phát điện truyền thống.

Chia sẻ về giá. Giám đốc điều hành của First Solar Inc., công ty năng lượng mặt trời tích hợp theo chiều dọc lớn nhất ở Hoa Kỳ. Jim Hughes, phát biểu tại Viện Điện Edison (EEI), Hoa Kỳ, đã nhiệt tình tuyên bố rằng vào năm 2017, “chúng tôi sẽ đạt được mức giá đầy đủ cho mỗi 1 kW công suất lắp đặt dưới 1 USD!” Và tin tức thứ hai - “năm 2017, so với giá năm 2015, giá lắp đặt năng lượng mặt trời sẽ giảm thêm 40%” - được công bố tại Hội nghị Tương lai Năng lượng Thế giới ở Abu Dhabi, cũng vào năm 2015. Có mâu thuẫn nào với biểu đồ giá ở hình 4.16 và 4.17?

Vấn đề là bạn nên phân biệt giữa tổng giá công suất lắp đặt của toàn bộ hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời và giá công suất lắp đặt của pin quang điện silicon hoặc bảng quang điện. Trong cơ cấu chi phí của một nhà máy điện, cả một ngăn hay thậm chí một bảng điều khiển được lắp ráp với các bộ phận cố định đều không phải là hạng mục chi phí lớn nhất (Hình 4.18).

Cơm. 4.18 Cơ cấu chi phí lắp đặt PV cho nhà riêng ở Hoa Kỳ

Các nhà phân tích của Deutsche Bank cho thấy mức giảm 40% giá lắp đặt điện mặt trời trong năm 2017 sẽ đến từ đâu bằng cách phân tích các thành phần của chi phí lắp đặt hệ thống quang điện tại nhà cho một ngôi nhà riêng ở Hoa Kỳ.

Hầu hết thị trường PV sẽ tập trung đặc biệt vào việc phát triển hệ thống nhà nhỏ. Hầu hết các quốc gia trên thế giới dự kiến ​​sẽ tăng trưởng toàn cầu về sử dụng điện mặt trời vẫn chưa có cấu trúc mạng lưới mạnh mẽ cho phép phân phối lại năng lượng hiệu quả giữa các địa phương hoặc khu vực. Điều này thậm chí còn áp dụng cho Hoa Kỳ. Ở Đức, tình hình cơ sở hạ tầng tốt hơn. Tổng chi phí của hệ thống gia đình ở đó thấp hơn và tổng chi phí lắp đặt đã giảm khoảng 40% trong 3 năm qua. Chi phí ở Đức hiện thấp hơn đáng kể so với ở Mỹ và các thị trường năng lượng mặt trời kém phát triển khác. Ví dụ của Đức cho thấy việc giảm chi phí tổng thể của hệ thống PV vẫn chưa chạm đáy, ngay cả ở các thị trường tương đối trưởng thành.

Thị trường chính cho việc lắp đặt PV trong những năm tới là các tấm trên mái nhà riêng. Trong hầu hết các trường hợp, hệ thống gia đình sẽ không thể xả lượng điện PV dư thừa vào lưới điện chung một cách hiệu quả và đôi khi bù đắp sự thiếu hụt từ nó (vào ban đêm, khi thời tiết nhiều mây hoặc trong thời gian tiêu thụ cao điểm bất thường). T.N. “Tính ngang bằng của lưới điện”, nghĩa là khi giá điện được tạo ra trong một hộ gia đình bằng với giá điện mua từ mạng lưới, trong hầu hết các trường hợp sẽ trở thành một chỉ báo rất có điều kiện.

Chỉ báo BoS (Hình 4.18) đề cập đến các bộ phận bổ sung của hệ thống quang điện, không bao gồm chính tấm pin mặt trời, tức là. các thành phần cần thiết để chuyển đổi công suất đầu ra của tấm PV thành năng lượng điện có thể sử dụng được. Vì vậy, ở Mỹ, pin thường được đưa vào BoS. Tuy nhiên, sự phát triển của thị trường sẽ giúp giảm tất cả các thành phần của giá cuối cùng trên mỗi watt, bao gồm chỉ số lớn thứ hai sau giá mô-đun - giá lắp đặt.

Giá silicon không phải là vấn đề chính. Theo tính toán của Deutsche Bank, chi phí của các mô-đun năng lượng mặt trời đã giảm từ 1,31 USD/watt năm 2011 xuống 0,50 USD/watt vào năm 2014 do chi phí xử lý thấp hơn, chi phí silicon đa tinh thể thấp hơn và hiệu suất chuyển đổi PV được cải thiện. Giá của các mô-đun sau đó đã giảm gần 60% trong ba năm. Deutsche Bank tin rằng chi phí chung có thể giảm thêm 30% đến 40% trong vài năm tới, nhưng chủ yếu là do chi phí vận hành thấp hơn do sự phát triển của thị trường, đặc biệt là đối với khu vực dân cư.

Việc giảm giá silicon trong các tấm pin mặt trời hiện nay ít có tác dụng. Trong tổng giá của mô-đun, bản thân silicon “nặng” không quá 10–11 cent mỗi watt, và thậm chí việc giảm giá gấp đôi, điều này có thể đạt được bằng những nỗ lực to lớn về công nghệ và tài chính, sẽ không có một “cuộc cách mạng” ảnh hưởng đến chi phí tổng thể của các tấm PV. Mặc dù trong 12 quý tới, Deutsche Bank vẫn kỳ vọng giá mô-đun PV sẽ giảm xuống mức giá cung cầu cân bằng là 0,40 - 0,50 USD mỗi watt. Nếu các tấm pin được bán với giá 10 xu với lợi nhuận gộp là 0,5 USD/watt, điều đó có nghĩa là các nhà sản xuất sẽ kiếm được tối thiểu 20% lợi nhuận gộp—cao hơn đáng kể so với mức trung bình trong lịch sử gần đây. Ngoài ra, thuế hải quan và chi phí vận chuyển cần phải giảm.

Giá biến tần thường giảm 10-15% mỗi năm. Deutsche Bank kỳ vọng xu hướng này sẽ tiếp tục trong tương lai. “Các nhà cung cấp năng lượng mặt trời” lớn đã đạt đến mức 0,25 USD trên 1W hoặc thậm chí thấp hơn với nguồn cung lớn. Dự kiến ​​​​sẽ có thêm khoản tiết kiệm trong vài năm tới. Giảm chi phí linh kiện, giảm chi phí

Mặt trời là nguồn ánh sáng và nhiệt lượng mà mọi sinh vật trên Trái đất đều cần. Nhưng ngoài các photon ánh sáng, nó còn phát ra bức xạ ion hóa cứng, bao gồm hạt nhân helium và proton. Tại sao chuyện này đang xảy ra?

Nguyên nhân của bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời được tạo ra vào ban ngày trong các vụ nổ sắc quyển - vụ nổ khổng lồ xảy ra trong bầu khí quyển mặt trời. Một phần vật chất của Mặt trời bị đẩy ra ngoài vũ trụ, tạo thành các tia vũ trụ, chủ yếu gồm các proton và một lượng nhỏ hạt nhân helium. Những hạt tích điện này chạm tới bề mặt trái đất 15-20 phút sau khi ngọn lửa mặt trời xuất hiện.

Không khí cắt bức xạ vũ trụ sơ cấp, tạo ra một cơn mưa hạt nhân xếp tầng, mờ dần khi độ cao giảm dần. Trong trường hợp này, các hạt mới được sinh ra - pion, chúng phân hủy và biến thành muon. Chúng xâm nhập vào các tầng thấp hơn của khí quyển và rơi xuống đất, đào sâu tới 1500 mét. Chính muon là nguyên nhân hình thành bức xạ vũ trụ thứ cấp và bức xạ tự nhiên ảnh hưởng đến con người.

Phổ bức xạ mặt trời

Phổ bức xạ mặt trời bao gồm cả vùng sóng ngắn và vùng sóng dài:

• tia gam ma;
• bức xạ tia X;
• Bức xạ của tia cực tím;
• Ánh sáng nhìn thấy được;
• bức xạ hồng ngoại.

Hơn 95% bức xạ của mặt trời rơi vào vùng “cửa sổ quang học” - phần nhìn thấy được của quang phổ với các vùng lân cận của sóng cực tím và hồng ngoại. Khi chúng đi qua các lớp khí quyển, tác động của tia mặt trời bị suy yếu - tất cả bức xạ ion hóa, tia X và gần 98% bức xạ cực tím đều được bầu khí quyển trái đất giữ lại. Ánh sáng nhìn thấy và bức xạ hồng ngoại truyền tới mặt đất thực tế mà không bị thất thoát, mặc dù chúng bị hấp thụ một phần bởi các phân tử khí và các hạt bụi trong không khí.

Về vấn đề này, bức xạ mặt trời không dẫn đến sự gia tăng đáng kể bức xạ phóng xạ trên bề mặt Trái đất. Sự đóng góp của Mặt trời cùng với các tia vũ trụ trong việc hình thành tổng liều bức xạ hàng năm chỉ là 0,3 mSv/năm. Nhưng đây chỉ là giá trị trung bình, trên thực tế mức độ phóng xạ tới trái đất là khác nhau và phụ thuộc vào vị trí địa lý của khu vực.

Bức xạ ion hóa mặt trời lớn nhất ở đâu?

Sức mạnh lớn nhất của tia vũ trụ được ghi nhận ở hai cực và nhỏ nhất ở xích đạo. Điều này là do từ trường Trái đất làm chệch hướng các hạt tích điện rơi từ không gian về phía các cực. Ngoài ra, bức xạ tăng theo độ cao - ở độ cao 10 km so với mực nước biển, chỉ số của nó tăng gấp 20-25 lần. Cư dân vùng núi cao tiếp xúc với liều lượng bức xạ mặt trời cao hơn, vì bầu khí quyển ở vùng núi mỏng hơn và dễ bị xuyên qua bởi các dòng lượng tử gamma và các hạt cơ bản đến từ mặt trời.

Quan trọng. Mức bức xạ lên tới 0,3 mSv/h không có tác động nghiêm trọng, nhưng ở liều 1,2 μSv/h, bạn nên rời khỏi khu vực này và trong trường hợp khẩn cấp, hãy ở lại lãnh thổ của nó không quá sáu tháng. Nếu số đọc vượt quá gấp đôi, bạn nên giới hạn thời gian lưu trú ở khu vực này trong ba tháng.

Nếu trên mực nước biển, liều bức xạ vũ trụ hàng năm là 0,3 mSv/năm, thì khi độ cao tăng lên cứ mỗi trăm mét thì con số này sẽ tăng thêm 0,03 mSv/năm. Sau một số tính toán nhỏ, chúng ta có thể kết luận rằng một kỳ nghỉ kéo dài một tuần ở vùng núi ở độ cao 2000 mét sẽ tạo ra mức phơi nhiễm 1 mSv/năm và sẽ cung cấp gần một nửa tổng định mức hàng năm (2,4 mSv/năm).

Hóa ra, cư dân miền núi nhận được liều phóng xạ hàng năm cao hơn nhiều lần so với bình thường và phải mắc bệnh bạch cầu và ung thư thường xuyên hơn những người sống ở đồng bằng. Trên thực tế, điều này không đúng. Ngược lại, ở vùng núi tỷ lệ tử vong do các bệnh này thấp hơn và một bộ phận dân cư sống lâu. Điều này khẳng định thực tế rằng việc ở lại lâu dài ở những nơi có hoạt động bức xạ cao không có tác động tiêu cực đến cơ thể con người.

Bão mặt trời - nguy cơ bức xạ cao

Bão mặt trời là mối nguy hiểm lớn đối với con người và mọi sự sống trên Trái đất, vì mật độ dòng bức xạ mặt trời có thể vượt quá mức bức xạ vũ trụ bình thường hàng nghìn lần. Vì vậy, nhà khoa học xuất sắc của Liên Xô A.L. Chizhevsky đã kết nối thời kỳ hình thành vết đen mặt trời với dịch bệnh sốt phát ban (1883-1917) và dịch tả (1823-1923) ở Nga. Dựa trên các biểu đồ mà ông vẽ ra, vào năm 1930, ông đã dự đoán sự xuất hiện của một đại dịch tả lan rộng vào năm 1960-1962, bắt đầu ở Indonesia vào năm 1961, sau đó nhanh chóng lan sang các nước khác ở Châu Á, Châu Phi và Châu Âu.

Ngày nay, người ta đã thu được rất nhiều dữ liệu chỉ ra mối liên hệ giữa chu kỳ hoạt động 11 năm của mặt trời và sự bùng phát dịch bệnh, cũng như sự di cư hàng loạt và các mùa sinh sản nhanh chóng của côn trùng, động vật có vú và vi rút. Các nhà huyết học đã tìm thấy sự gia tăng số lượng các cơn đau tim và đột quỵ trong thời gian hoạt động mặt trời tối đa. Số liệu thống kê như vậy là do vào thời điểm này, quá trình đông máu của con người tăng lên và vì ở những bệnh nhân mắc bệnh tim, hoạt động bù trừ bị ức chế nên hoạt động của nó bị trục trặc, bao gồm hoại tử mô tim và xuất huyết trong não.

Các cơn bão mặt trời lớn không xảy ra thường xuyên - cứ 4 năm một lần. Lúc này, số lượng và kích thước của vết đen mặt trời tăng lên, các tia vành nhật hoa mạnh được hình thành trong quầng mặt trời, bao gồm các proton và một lượng nhỏ hạt alpha. Các nhà chiêm tinh đã ghi nhận dòng chảy mạnh nhất của họ vào năm 1956, khi mật độ bức xạ vũ trụ trên bề mặt trái đất tăng gấp 4 lần. Một hậu quả khác của hoạt động mặt trời như vậy là cực quang, được ghi lại ở Moscow và khu vực Moscow vào năm 2000.

Làm thế nào để bảo vệ chính mình?

Tất nhiên, bức xạ nền tăng lên ở vùng núi không phải là lý do để từ chối các chuyến đi lên núi. Tuy nhiên, điều đáng suy nghĩ là các biện pháp an toàn và đi du lịch với máy đo bức xạ cầm tay, nó sẽ giúp kiểm soát mức độ bức xạ và nếu cần, hạn chế thời gian ở những khu vực nguy hiểm. Bạn không nên ở trong khu vực mà chỉ số trên đồng hồ cho thấy bức xạ ion hóa 7 µSv/h trong hơn một tháng.