Солнечного излучения

Электронные приборы составляют основу важнейших средств современной связи, автоматики, измерительной техники. Они помогают проникнуть в тайны микромира и космоса, измерить электрические потенциалы живой клетки и атомарные шероховатости обрабатываемой поверхности. Эти приборы преобразуют солнечное излучение в электрическую энергию, питающую спутники, и обеспечивают управление ЕС СССР.

Космическое пространство Вакуум Космическое из лучение Солнечное излучение Метеороиды Вибрации при запуске Отвод тепла только излучением. Применение материалов с низкой упругостью насыщенных паров Применение стойких к облучению материалов или соответствующей защиты Применение материалов, стойких к воздействию ультрафиолетовых лучей. Нанесение отражающих покрытий па излучатель Применение брони на чувствительных поверхностях Применение жесткой конструкции

Пассивные потери поглощения возрастают с увеличением длины волны в спектре излучения. При КЖтр коэффициент поглощения полупроводника резко снижается (см. 7.2), электронно-дырочные пары не генерируются, солнечное излучение поглощается в глубине р-области кристалла вне действия электрического поля перехода и преобразуется в тепловую энергию. Для уменьшения этих потерь в полупроводник внедряют примеси, образующие в его запрещенной зоне Д?3 уровни ловушек, или заменяют р-п-переход гетеропереходом между полупроводниками с разной шириной запрещенной зоны (см. § 2.10). В том и другом случае процесс генерации неравновесных носителей в преобразователе имеет свои особенности.

За прошедшие 60 лет отмечены следующие существенные отклонения от прогноза Н. А. Умова: началась и быстро проходит «эпоха» нефти и природного газа, наступила и еще долго продлится эра атомной энергии ( 1.1), передвинулся на отметку примерно 40% предел повышения КПД тепловых двигателей ( 1.2); при этом поршневые паровые машины окончательно вытеснены турбинами и двигателями внутреннего сгорания. Однако постоянно возобновляющиеся энергоресурсы (ветер, приливы и отливы, волны, солнечное излучение, тепло недр Земли), как и прежде практически почти не используются.

ИЭ могут частично, как, например, кислород воздуха или воды, или полностью, как, например, солнечное излучение, черпаться из окружающей среды. Число ПЭ в ЭУ обычно не превышает трех (см. 2.2).

Возобновляемые ИЭ (солнечное излучение, ветер, тепло недр Земли и толщи морей и даже движение вод) обладают низкой концентрацией энергии, но не нуждаются в транспортировании, поскольку «доставляются» естественным путем в любое место. Понятие КПД ЭУ, преобразующих их энергию в полезные виды, теряет обычный смысл, так как это даровые ИЭ, они не требуют затрат на добычу и доставку к месту потребления.

§ 23. Солнечное излучение

Первичным ИЭ у зеленых (хлорофиллсодержащих) растений является солнечное излучение, а у животных — энергия окисления пищевых продуктов, которая используется для проведения реакций в организмах и для работы мышц. Эта энергия запасается в виде химической энергии в молекулах аденазинтрифосфорной кислоты (АТФ). При использовании энергии организмом АТФ переходит в аденазиндифосфорную кислоту (АДФ), которая затем под

В-третьих, и это самое главное, за пределами складывающихся систем остаются действительно самые «чистые», почти всюду имеющиеся, а потому не нуждающиеся в длинных и многочисленных линиях передачи, практически неисчерпаемые, непрерывно возобновляющиеся энергоресурсы: движение вод (не полностью использованная энергия рек, приливы — отливы, волнения, дождевые потоки), ветер, солнечное излучение, тепло недр Земли. Энергия этих источников в большинстве своем трудно поддается концентрации, а потому и использовать ее удобно на местах потребления.

Малая и средняя энергетика позволит использовать ныне даже неучитываемые ИЭ, вроде мелких рек, дождевых потоков, небольших прибрежных волнений, относительно слабых ветров, включая искусственные потоки воздуха в тяговых трубах, мало интенсивное солнечное излучение, разность температур в толще земной коры, в водах морей, в атмосфере Земли и т. д. И она

Все это еще раз свидетельствует о том, что только широкое применение ЭУ, работающих на возобновляемых ИЭ (солнечное излучение, движение вод и воздуха и др.), позволит обеспечить на Земле относительно стабильный баланс энергии и естественную чистоту окружающей среды. Все остальные явления, включая демографические, экономические и т.д., будут протекать в рамках возможностей, предоставляемых этим балансом.

Зависимость фотопроводимости сгф пленок a-Si : Н от энергии фотонов ?ф излучения (кривая /) показана на 9. Определяли фотопроводимость как разность между электропроводностями пленки a-Si : Н при воздействии излучения с данной длиной волны и в темноте. На 9 показана также зависимость интенсивности солнечного излучения / от энергии фотонов (кривая 2). Как видно из этого рисунка, кривые / и 2 хорошо согласуются друг с другом: максимум фоточувствительности соответствует области длин волн, в которой наблюдается максимальная интенсивность солнечного излучения. Это послужило одной из основных причин широкого использования гидрогенизированного аморфного кремния в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП) солнечной энергии — солнечных батареях. Другой причиной является низкая стоимость гидрогенизированного аморфного кремния по сравнению со стоимостью монокристаллических полупроводников, традиционно используемых в этой области.

9. Зависимости фотопроводимости пленок гидрогенизированного аморфного кремния и интенсивности солнечного излучения от энергии фотонов и длины волны излучения

ратора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на космических кораблях. В настоящее время ведутся разработки наземных солнечных батарей. Из полупроводниковых материалов, обеспечивающих наиболее высокий к. п. д., в солнечных элементах используют кремний, фосфид индия, арсенид галлия, сульфид кадмия, теллурид кадмия и др. К. п. д. кремниевых солнечных элементов составляет около 20%, а пленочные солнечные элементы могут иметь значительно больший к. п. д. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2 соответственно.

В результате чередования освещенности Солнцем (день, ночь), изменения интенсивности солнечного излучения и процессов рекомбинации электронов и ионов картина расположения и концентрации ионизированных слоев очень изменчива. Так, ночью слои D и Е практически исчезают. Высота слоев также может значительно изменяться.

Наряду с поиском эффективных способов извлечения энергии из запасников природы ученые исследуют экономически выгодные способы улавливания и преобразования энергии, непрерывно испускаемой Солнцем. Было бы заманчиво осуществить прямое преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. Данная проблема порождает множество проектов. Один из них опирается на радиоэлектронику.

Имеются электрические машины, непосредственно преобразующие тепловую энергию в электрическую или механическую. Принцип действия таких ЭП основан на изменении магнитной проницаемости ферромагнетиков при температуре, близкой к точке Кюри. При изменении температуры изменяются параметры обмоток. Магнитотепловые преобразователи были предложены Н. Тесла и Т. Эдисоном еще в конце XIX в., однако не получили широкого применения из-за низких технико-экономических показателей. Интерес к таким ЭП в последние годы снова возрос, что объясняется потребностью в автономных источниках электрической энергии, использующих энергию солнечного излучения и остаточной тепловой энергии атомных и тепловых электростанций, а также тепловые отходы промышленных предприятий.

Имеются электрические машины, непосредственно преобразующие тепловую энергию в электрическую или механическую. Принцип действия таких ЭП основан на изменении магнитной проницаемости ферромагнетиков при температуре, близкой к точке Кюри. При изменении температуры изменяются параметры обмоток. Магнитотепловые преобразователи были предложены Н. Тесла и Т. Эдисоном еще в конце ХГХ в., однако не получили широкого применения из-за низких технико-экономических показателей. Интерес к таким ЭП в последние годы снова возрос, что объясняется потребностью в автономных источниках электрической энергии, использующих энергию солнечного излучения и остаточной тепловой энергии атомных и тепловых электростанций, а также тепловые отходы промышленных предприятий.

Плотность солнечного излучения на внешней границе атмосферы составляет 1,39 кВт/м2. На поверхность круга с диаметром, равным диаметру земного шара, приходится мощность 178 тыс. ТВт, что в 20 раз превышает суммарную мощность энергетических установок мира (8—9 ТВт). Однако до земной поверхности доходит только часть этой мощности вследствие поглощения и отражения ее атмосферой. В наиболее благоприятных районах пиковая удельная мощность солнечного излучения на поверхности Земли равна 1 кВт/м2, в то время как средняя удельная мощность составляет 0,25 кВт/м2.

Под воздействием солнечных лучей кремниевый фотоэлемент создает во внешней цепи ток при напряжении порядка 0,5 В. С 1 см2 активной площади фотоэлемента получают ток 18 мА. Таким образом, с 1 м2 активной площади при прямом солнечном освещении получают мощность порядка 90 Вт. К. п. д. при этом составляет около 11 % (под к, п. д. понимают отношение получаемой мощности к мощности солнечного излучения, падающего на ту же площадь). Теоретически возможный к. п. д. солнечной батареи считают равным 22% (к. п. д. парового двигателя порядка 6%).

«Фотовольт» чувствителен не только в области коротковолновой части спектра солнечного излучения, как стандартные солнечные батареи, а также в инфракрасной части спектра.

Фотодиоды, работающие как фотогенераторы, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую энергию. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых в условиях сельского хозяйства — обогрев теплиц, питание двигательных установок и т. д. Широкого применения солнечные батареи пока не находят из-за малого КПД. Теоретически максимально достижимый КПД солнечных элементов составляет около 30%. Наиболее широко распространены кремниевые солнечные элементы, их КПД равен 19%. Солнечные батареи, состоящие из таких элементов и занимающие по площади размеры крыши сельского дома, способны обеспечить бытовые нужды живущих в этом доме.