Короткі теоретичні відомості.

Сонце є основним джерелом енергії, яке забезпечує існування життя на Землі. Внаслідок реакцій ядерного синтезу в активному ядрі Сонця досягаються температури до 10⁷ К. При цьому поверхня Сонця має температуру близька 6000 К. Електромагнітним випромінюванням сонячна енергія передається в космічному просторі і досягає поверхні Землі. Вся поверхня Землі отримує від Сонця потужність близька 1,2•10¹⁷ Вт. Це еквівалентно тому, що менше одної години отримання цієї енергії достатньо, щоб задовольнити енергетичні потреби всього населення земної кулі протягом року. Максимальна густина потоку сонячного випромінювання, що приходиться на Землю, складає приблизно 1 кВт/м². Для населених районів в залежності від місця, часу доби і погоди потоки сонячної енергії змінюються з 3 до 30 МДж/м² в день. В середньому для створення комфортних умов життя потребується приблизно 2 кВт енергетичної потужності на людину або приблизно 170 МДж енергії на добу. Якщо прийняти ефективність перетворення сонячної енергії в зручну для споживання форму 10% і потік сонячної енергії 17 МДж/м² в день, то потрібну для одної людини енергію можна отримати зі 100 м² площі земної поверхні. При середній щільності населення в містах 500 чоловік на 1 км² на одну людину приходиться 2000м²земної поверхні. Таким чином, достатньо всього 5% цієї площі, щоб за рахунок енергії, що з неї знімається задовольнити енергетичні потреби людини.

Для характеристики сонячного випромінювання використовуються наступні основні величини.

Потік випромінювання – величина, рівна енергії, яка переноситься електромагнітними хвилями за одну секунду через довільну поверхню. Одиниця вимірювання потоку випромінювання - Дж/с = Вт.

Густина потоку випромінювання (енергетична освітлюваність) – величина, рівна відношенню потоку випромінювання до площини рівномірно опромінюваної ним поверхні. Одиниця опромінювання густини потоку випромінювання – Вт/м².

Густина потоку випромінювання від Сонця, який падає на перпендикулярну йому поверхню поза земної атмосфери, називається сонячною константою S, яка рівна 1367 Вт/м².

Світловий потік. Світловим потоком називається потік випромінювання, який оцінюється за його впливом на людське око. Людське око неоднаково чутливе до потоків світла з різною довжиною хвиль. За звичай при денному освітленні око найбільш чутливе до світла з довжиною хвилі 555 нм. Тому однакові за потужністю потоки випромінювання, але різні довжини хвиль викликають різні світлові відчуття у людини. Одиницею вимірювання світлового потоку з точки зору відчуття його людським оком (яскравості) є люмен (лм). Світловий потік в 1 лм білого світла дорівнює 4,6• 10³ Вт (або 1 Вт = 217 лм).

Освітлюваність – величина, рівна відношенню світлового потоку, який падає на поверхню, до площини цієї поверхні. Освітлюваність вимірюється в люксах (лк). 1 лк = 1 лм/м². Для білого світла 1лк = 4,6 •10^-3 Вт/м²(або 1 Вт/м²= 217 лк). Прилади, які призначені для вимірювання освітлюваності, називаються люксметрами. Дані про освітлюваності, які утворюються різними джерелами, наведені в табл. 2.1.

Таблиця 2.1.

Освітлюваність, що створюється різними джерелами.

Джерела	Освітлюваність, лк	Освітлюваність, Вт/м²
Сонячне світло о південь (середні широти)
Сонячне світло взимку
Хмарне небо літом	5000 - 20000	23-92
Хмарне небо взимку	1000 - 2000	4,6-9,2
Розсіяне світло в світлій кімнаті (поблизу вікна)		0,46
Світильники, які створюють необхідну для читання освітленість	30-50	0,14-0,23
Повна Луна, яка опромінює поверхню Землі	0,2	0,92•10^-3

В зв’язку з великим потенціалом сонячної енергії надзвичайно заманливим є максимально можливе безпосереднє застосування її для нужд людей. При цьому самим оптимальним є пряме перетворення сонячної енергії в найбільш розповсюджену в використанні електричну енергію. Це стає можливим за використання такого фізичного явища як фотоефект.

Фотоефектом називаються електричні явища, які проходять при освітленні речовини світлом, а саме: вихід електронів з металів (фотоелектрична емісія або зовнішній фотоефект); переміщення рядів через границю розділу напівпровідників з різними типами провідності (p-n) (вентильний фотоефект); зміна електричної провідності (фотопровідність). При освітленні границі розділу напівпровідників з різними типами провідності (p-n) між ними встановлюється різність потенціалів (фотоЕРС-фотоелектрорушійна сила). Це явище називається вентильним фотоефектом, і на його застосуванні основане створення фотоелектричних перетворювачів енергії (сонячних елементів і батарей). Найбільше розповсюдженим напівпровідником, який застосовується\я для створення сонячних елементів, є кремній.

Сонячні елементи характеризуються коефіцієнтом перетворення сонячної енергії в електричну, який становить собою відношення потоку випромінювання, що падає на елемент до максимальної потужності виробленої ним електричної енергії. Кремнієві сонячні елементи мають коефіцієнт перетворення 10-15 % (тобто при освітленості 1кВт/м² виробляють електричну потужність 1-1,5 Вт) при створюваній різниці потенціалів близько 1В.

Типова структура сонячного елементу з p-n–переходом, зображена на малюнку 2.1, вміщує: шар напівпровідника (товщиною 0,2-1,0 мкм) з n-провідністю ; шар напівпровідника (товщиною 250-400 мкм) з p-провідністю; додатковий потенційний бар’єр (товщиною 0,2 мкм); металевий контакт з тилової сторони; з’єднуючий провідник з лицевою поверхнею попереднього елементу; покриття проти відбиття (анти рефлекторне покриття); лицевий контакт; з’єднувальний провідник з до тильного контакту наступного елементу. Характерний розмір сонячного елементу 10 см.

Рисунок 2.1. Схема сонячного елементу

Е М Б

Малюнок 2.2. Сонячний елемент (Е); сонячний модуль (М); сонячна батарея (Б).

Малюнок 2.3. Схема сонячної батареї.

В 1958 році вперше сонячні батареї були використані в ЗША для енергозабезпечення штучного супутника Землі Yanguard 1. В наступному вони стали невід’ємною частиною космічних апаратів. Широко відомі мікрокалькулятори, годинники, радіоприймачі та багато інших електронних апаратів, які працюють на сонячних батареях.

Основні компоненти сонячної енергетичної установки зображено на малюнку 2.4.: А – акумуляторна батарея; Б – сонячна батарея з приладами контролю і керування; І – інвентор для перетворення постійного струму сонячної батареї в перемінний струм промислових параметрів, який споживається більшістю електричних пристроїв.

Малюнок 2.4. Сонячна енергетична установка.

Малюнок 2.5. Схема сонячної енергетичної установки.

Установка вміщує фокусуючи пристрої 1, напівпровідникові перетворювачі 2 з струмоприймачами 3, поєднаними з споживачем 4. Перетворювачі 2 охолоджуються за допомогою вбудованого в них випарника-парогенератора 5, в замкнений контур якого з радіатором 6 вмонтовано електронасос 7 подачі рідини і парова турбіна 8. Замість останньої може бути використаний паровий двигун. Парова турбіна 8 поєднана з електрогенератором 9, струмоприймачі 10 якого приєднані до струмоприймачів 3 напівпровідникових перетворювачів 2. Таким чином електрогенератор 9 працює одночасно з напівпровідниковими перетворювачами 2. Замість парової турбіни і електрогенератора можна застосовувати турбогенератори або термоелектрогенератори (малюнок 2.5).

Сонячне випромінювання фокусується пристроями 1 на напівпровідникових перетворювачах 2, які виробляють струм, що іде через струмоприймачі 3 до споживача і живить електронасос 7, що надає рідке робоче тіло (воду, ефір, аміак та інше) в випарник-парогенератор 5, який відводить тепло від перетворювачів 2, що витрачається на випарювання рідкого робочого тіла і перегрів пари (за необхідності). Пар надається до турбіни 8 (паровому двигуну або турбогенератору, або термоелектрогенератору), яка обертає електрогенератор 9, також працюючий на споживач 4 електроенергії, як і напівпровідникові перетворювачі 2.

Після розширення на турбіні (в двигуні) відпрацьована пара конденсується в радіаторі6 в рідину, яка знову надається насосом 7 в випарник-парогенератор 5 і т.д.

Незважаючи на нерівномірність добового потоку сонячного випромінювання і його відсутність в нічний час, акумуляторна батарея, накопичуючи вироблену сонячною батареєю електрику, дозволяє забезпечувати безперервну роботу сонячної енергетичної установки.