I. Природа и характеристики солнечного света.
Лабораторная работа № 15
Фотоэлектрический метод преобразования солнечного света
Цель: Ознакомиться с фотоэлектрическим методом преобразования энергии солнечного света в электрическую энергию.
Приборы и принадлежности: солнечная батарея, осветитель, микровентиллятор, звуковой сигнализатор, блок светодиодный, соединительные провода, цифровой мультиметр.
Теоретическое введение
I. Природа и характеристики солнечного света.
Светом или оптическим излучением называются электромагнитные волны (электромагнитное излучение), у которых длина волны в вакууме λ занимает диапазон от 10 нм до 1 мм. Этот спектральный диапазон делят на три области.
- Инфракрасное (ИК) излучение, которое занимает диапазон длин волн λ = 780 нм – 1 мм;
- Видимый свет– единственный диапазон электромагнитных волн, воспринимаемый человеческим глазом. Видимые световые волны занимают узкий диапазон длин волн λ = 380 нм – 780 нм. Максимум чувствительности человеческого глаза приходится на длину волны λ = 555 нм. На эту длину волны также приходится максимум интенсивности излучения Солнца и максимум прозрачности атмосферы Земли.
- Ультрафиолетовое излучение (свет), у которого длины волн в вакууме находятся в диапазоне λ = 10 нм – 380 нм. Человеческий глаз не видит инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, в отличие от некоторых животных, хотя человеческое зрение богатое и позволяет различать световые волны разных частот, как излучения разного цвета.
Естественным источником света (электромагнитного излучения) для Земли является Солнце. Солнце - звезда спектрального класса 2, желтый карлик, средняя звезда по всем своим основным параметрам: массе, радиусу, температуре и абсолютной величине. Солнце поставляет Земле в виде электромагнитного излучения огромную мощность , равную около 2·1017 Вт, постоянно освещая обращённую к Солнцу сторону нашей планеты. Интенсивность солнечного света на уровне моря в южных широтах, когда Солнце в зените, составляет порядка 1 кВт/м2. При разработке высокоэффективных методов преобразования солнечной энергии Солнце может обеспечить бурно растущие потребности человечества в энергии в течение многих лет.
Внешне Солнце представляет собой газообразный шар радиуса 6955000 км с массой 1.98·1030 кг. Источником энергии солнечного излучения служат термоядерные реакции синтеза ядер водорода, приводящие к образованию ядер гелия с выделением огромной энергии. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного
излучения в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного.
Примерно 99 % энергии излучения Солнца приходится на интервал длин волн 100 − 4000 нм. Общая мощность Q , излучаемая Солнцем в окружающее пространство, составляет 3.8 ·1026 Вт.
В окружающем пространстве лучистая энергия Солнца изменяется (уменьшается) обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца до освещаемого объекта L.
(1)
Эта зависимость, называемая законом обратных квадратов, справедлива для точечных источников света, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием L до освещаемого тела.
Для Земли примерное расстояние до Солнца составляет 150 · 10 6 км и средняя плотность лучистой энергии на земной орбите, у границы земной атмосферы , равняется Фо = 1370 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной.