86. Структура Сонця

Сонце – центральне і наймасивніше тіло сонячної системи, це, по суті, воднева бомба, термоядерний реактор, в якому з атомів водню синтезуються атоми гелію. При цьому перетворенні вивільняється енергія у формі випромінювання різних видів, яке утворює неперерв-ний спектр із хвилями різної довжини.

Маса Сонця у 330 тис. разів перевищує масу Землі. Під впливом власної гравітації його речовина в центрі знаходиться під величезним тиском і має таку високу температуру, що там виникають ядерні реакції. Вони супроводжуються виділенням енергії, яку Сонце безперервно випромінює в навколишній простір. Відносно невелике ядро становить більшу частину маси Сонця і майже повністю визначає його світність.

Енергія та сонячна речовина переносяться на поверхню Сонця за допомогою конвекції.

Фотони зі швидкістю світла виникають в ядрі. Потім вони рухаються до поверхні Сонця відносно повільно, оскільки їх траєкторія руху проходить через сонячну речовину, котра, певною мірою, пригальмовує цей рух. Сонце настільки густе, що фотони витрачають близько 1 млн. років, щоб досягти його поверхні.

1. 87. (96) Фізичні основи використання сонячної енергії

Пряме використання сонячної енергії поділяється на теплове, фото- і термоелектричне перетворення, тобто на одержання теплової або електричної енергії під впливом сонячної радіації на різних спеціальних приймальних пристроях – сонячних колекторах (СК) чи фотоперетворювачах.

88. Теплове використання сонячної енергії

Для характеристики сонячного випромінювання і взаємодії його з речовиною використовуються такі основні величини.

Потік випромінювання – енергія, що випромінюється електро-магнітними хвилями за одну секунду через одиницю довільної поверхні [Дж/с = Вт].

Щільність потоку

випромінювання (енергетична освітленість) – відношення потоку випромінювання до площі поверхні, що опромінюється. Щільність потоку випромінювання від Сонця, що падає на перпендикулярну до нього площадку поза земною атмосферою, ще називається сонячною константою.

Коефіцієнт поглинання – відношення потоку випромінювання, що поглинається поверхнею тіла, до потоку випромінювання, який падає на цю поверхню у тому самому спектральному інтервалі. Залежить від частоти (довжини хвилі) випромінювання, природи і температури тіла. Тіло, для якого коефіцієнт поглинання дорівнює одиниці, поглинає все випромінювання, що на нього падає, і називається абсолютно чорним тілом.

Відбивна здатність тіла – відношення потоку випромінювання, відбитого поверхнею тіла, до потоку, що падає на його поверхню. Для поверхонь, що розсіюють падаюче сонячне випромінювання, цю величину називають альбедо.

Сонячні водопідігрівники (геліоводопідігрівники). Перетворення сонячної енергії у теплову забезпечується за рахунок здатності атомів речовини поглинати електромагнітне випромінювання. При цьому енергія електромагнітного випромінювання перетворюється в кінетичну енергію атомів і молекул речовини, тобто в теплову енергію. Результатом цього є підвищення температури тіла.

Для енергетичних цілей найбільш розповсюджене використання сонячного випромінювання для нагрівання води у системах опалення і гарячого водопостачання. Основним елементом сонячної нагрівальної системи є приймач, в якому відбувається поглинання сонячного випромінювання і передача енергії рідини. Найбільш розповсюджені плоскі (нефокусуючі) приймачі, які дозволяють збирати як пряме, так і розсіяне випромінювання й, з огляду на це, здатні працювати також і в хмарну погоду. Вони мають невисоку вартість і є кращими під час нагрівання рідин до температур нижче 100 ^оС.

Характеристика деяких конструкцій сонячної нагрівальної системи така:

- відкритий резервуар на поверхні землі (наприклад, басейн) – найпростіший можливий нагрівач води. Підвищення температури води обмежено високим коефіцієнтом віддзеркалення поверхні води, тепловіддачею до землі і повітря, витратою частини поглиненого тепла на випаровування води.

- відкритий резервуар (теплоізольований від землі). Підвищення температури води обмежено високим коефіцієнтом віддзеркалення поверхні води, тепловіддачею до повітря, витратою частини поглине-ного тепла на випаровування води.

- чорний резервуар (рідина знаходиться в ємності з чорною матовою поверхнею), звичайно розташовується на даху будинку. Втрати тепла на випаровування відсутні, коефіцієнт поглинання чорної поверхні близький до одиниці. Нагрівачі цього типу недорогі, прості у виготовленні, дозволяють нагрівати воду до температури близько 45°С. Значного поширення набули в Японії та Ізраїлі;

- чорний резервуар (з теплоізольованим дном). Дозволяє зменши-ти майже в два-три рази втрати тепла, які мають місце у попередній конструкції. Для досягнення цього достатньо всього декількох санти-метрів ізолюючого шару;

- закриті чорні нагрівачі (ємність нагрівача поміщають у кон-тейнер із прозорою для сонячного випромінювання кришкою, кращим матеріалом для якої є скло). Дозволяють унеможливити тепловіддачу від приймача у повітря, особливо у вітряну погоду;

- металеві проточні нагрівачі (вода протікає по паралельних труб-ках, закріплених на затемненій металевій пластині). Звичайно діаметр трубок становить близько 2 см, відстань між ними – 20 см, товщина пластини – 0,3 см. Пластину з трубками для захисту від вітру поміщають у контейнер зі скляною кришкою.

Характеристики проточного нагрівача можуть бути поліпшені за рахунок зменшення конвективного переносу між приймальною пласти-ною і скляною кришкою та радіаційних втрат від пластини, а також використання вакуумійованих приймачів, в яких заповнена рідиною чорна трубка міститься всередині зовнішньої скляної трубки й у просторі між ними створюється вакуум. Останнє унеможливлює конвективний перенос тепла через зовнішню поверхню.

Нагріту у проточному нагрівачі рідину можна використовувати відразу чи залишити про запас. Прокачування нагрітої рідини може здійснюватися як примусово, так і природною циркуляцією (конвекцією). В останньому випадку нагрівач має знаходитися нижче нагромаджувача нагрітої води. Швидкість прокачування має бути такою, щоб температура води підвищувалася приблизно на 4^○С при кожному проході через нагрівач.

Перевагою системи з примусовою циркуляцією є: можливість використання існуючих водонагрівальних систем шляхом введення до їх складу приймача сонячного випромінювання і насоса; немає потреби розташовувати накопичувальну ємність вище приймача. Недолік – залежність від тієї електроенергії, яку споживає насос.

Підігрівачі повітря. Сонячне випромінювання можна викорис-товувати для підігріву повітря, просушування зерна, для обігріву будинків. Для останніх у кліматичній зоні України витрачається більше третини усіх первинних енергетичних ресурсів. Часткове розвантажен-ня енергетики, пов’язане з проектуванням чи перебудовою будинків шляхом використання сонячного тепла, дозволяє заощадити значну кількість енергоносіїв систем теплопостачання.

Теплопровідність повітря набагато нижча, ніж води. Тому нагріва-чі такого типу виготовляють з шорсткуватими прийомними поверх-нями, які мають велику площу теплообміну, що дозволяє за рахунок турбулізації потоку значно підвищити інтенсивність тепловіддачі.

Сонячні системи для одержання електроенергії (сонячні електростанції). Концентрація сонячної енергії дозволяє одержувати температури до 700ºС, що є достатнім для роботи звичайного теплового двигуна з прийнятним коефіцієнтом корисної дії. Наприклад, парабо-лічний концентратор з діаметром дзеркала 30 м дозволяє сконцентру-вати потужність випромінювання порядку 700 кВт, що дає можливість одержати до 200 кВт електроенергії. Колектор передає сонячну енергію теплоносію (останній у цьому випадку може бути у вигляді водяної пари високої температури), яка спрямовується у парову турбіну для вироблення електроенергії.

Для створення сонячних електростанцій великої потужності (близько 10 МВт) можливі два варіанти: розосереджені колектори і системи з центральною сонячною вежею. Сонячна електростанція з розосередженими колекторами складається із безлічі невеликих концентруючих колекторів, кожен з яких незалежно стежить за Сонцем, передає енергію рідині (теплоносію), яка збирається від усіх колекторів у центральній енергостанції і надходить на турбіну електрогенератора.

Сонячна електростанція з центральною вежею складається з плас-ких дзеркал, розташованих на великій площі, що стежать за Сонцем і відбивають сонячні промені на центральний приймач, розміщений на вершині вежі.

Акумулятори теплової енергії. Застосування описаних нижче стандартних нагрівачів виявляється занадто дорогим для нагрівання великих об’ємів рідини до температур 100ºС. У цьому випадку ефективне застосування “сонячного ставка”, який має вигляд оригінального нагрівача, де теплозахисною поверхнею слугує вода.

У “сонячний ставок” (достатньо велику водойму, вириту просто у землі) заливається кілька шарів води різного ступеня солоності. Шар найбільшої солоності, товщиною приблизно 0,5 м, розташовується на дні і нагрівається за рахунок сонячного випромінювання, яке поглинається дном водойми.

Таким чином, у неоднорідній водоймі придонний шар води більш солоний, ніж шар над ним, і його щільність хоча і зменшується при нагріванні, але залишається вище щільності більш високого шару. Відсутність конвекції, яка спостерігається у цьому випадку, сприяє тому, що придонний шар нагрівається дедалі сильніше. Використання розчинів, щільність яких підвищується при нагріванні, дозволяє мати стабільні сонячні ставки, в яких досягається температура 90°С і вище. Наприклад, сонячний ставок у Эйн-Бореке (Ізраїль) виробляє 150 кВт електроенергії з площі 0,74 га при вартості 0,1 долар США за 1 кВт.

Пряме перетворення сонячної енергії в електричну (фото-електричні перетворювачі). Найбільш оптимальним є пряме перетворення сонячної енергії в електричну, що стає можливим при використанні фотоефекту.

Фотоефект – електричне явище, яке відбувається під час освітлення речовини, а саме: вихід електронів з металів (фотоелектрична емісія чи зовнішній фотоефект), переміщення зарядів через границю розділу напівпровідників з різними типами провідності (p-n) .

Під час освітлення межі розділу напівпровідників з різними типами провідності (р-n) між ними виникає різниця потенціалів.

Це явище називається вентильним фотоефектом, на використанні якого засноване створення фотоелектричних перетворювачів енергії (сонячних елементів і батарей).

Сонячні елементи характеризуються коефіцієнтом перетворення сонячної енергії в електричну, котрий є відношенням падаючого на елемент потоку випромінювання до максимальної потужності електричної енергії, що виробляється. Кремнієві сонячні елементи мають коефіцієнт перетворення 10-15 %, тобто при освітленості 1кВт/м² виробляють електричну потужність 1-1,5 Вт з кожного квадратного дециметра.

Типову структуру сонячного елемента з р-n переходом зображено на рис. 6.1. Вона включає у себе шар напівпровідника 1 товщиною 0,2-1,0 мікрона з n- провідністю, шар напівпровідника 2 товщиною 250-400 мікронів з р- провідністю, додатковий потенційний бар’єр 3 товщиною 0,2 мкм, металевий контакт 4 з тильного боку, сполучний провідник 5 з лицьовою поверхнею попереднього елемента, віддзеркалююче покриття 6, лицьовий контакт 7, провідник 8 з’єднання з контактом наступного елемента.

Рис. 6.1. Сонячний елемент:

1 – шар напівпровідника з n-провідністю; 2 – шар напівпровідника з р-провідністю; 3 – додатковий потенційний бар’єр; 4 – металевий контакт з тильного боку; 5 – сполучний провідник з лицьовою поверхнею попереднього елемента; 6 – віддзеркалююче покриття; 7 – лицьовий контакт; 8 – провідник з’єднання з контактом наступного елемента.

Сонячні елементи з’єднуються послідовно у сонячні модулі, які, своєю чергою, паралельно – у сонячні батареї (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схеми робочого елемента, з’єднання елементів у модулі та модулів у батарею:

Е – сонячний елемент, М – сонячний модуль, Б – сонячна батарея

Сонячні приймальні пристрої застосувуються у системах живлення та охолодження приміщень, у технологічних процесах, які відбува-ються за низьких, середніх і високих температур. Вони використо-вуються для одержання гарячої води, опріснення морської або мінералізованої води, для сушіння матеріалів та сільськогосподарських продуктів, тощо. Завдяки сонячній енергії, здійснюється процес фотосинтезу та ріст рослин, відбуваються різні фотохімічні процеси.