96. Які 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.

Теплове використання сонячної енергії

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

Потік випромінювання - енергія, що випромінюється електро­магнітними 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 еодопідігріеники (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 °С.

Підігрівані повітря. Сонячне випромінювання можна викорис­товувати для підігріву повітря, просушування зерна, для обігріву будинків. Для останніх у кліматичній зоні України витрачається більше третини усіх первинних енергетичних ресурсів. Часткове розвантажен­ня 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 поверх­нями, 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 700°С, що є достатнім для роботи звичайного теплового двигуна з прийнятним коефіцієнтом корисної дії.

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 плас­ких 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 100°С. 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.

Пряме перетворення сонячної енергії в електричну (фото­електричні 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 (р-п).

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

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