ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕТА

Свет зачастую рассматривается как нечто абсолютно обыденное, и мы обычно не задумываемся о его физической природе. В то же время эта проб­лема и интересна, и сложна. Уже в старину ученые начали иметь дело с проб­лемами использования оптических устройств, не вникая особенно в природу света.

Фундаментальные, углубленные исследования природы света начались только в 17-м столетии. В 1678 г. Кристиан Гюйгенс (1643 - 1727) представил доклад в Парижской Академии, к котором свет характеризовался как продоль­ное движение волн. Однако сэр Исаак Ньютон (1643 - 1727) описал свет как поток частиц, что привело к созданию корпускулярной теории света, домини­ровавшей вплоть до конца 18-го столетия. 19-е столетие стало периодом интен­сивного развития волновой теории, подтверждаемой экспериментами по ин­терференции и дифракции и новыми научными открытиями в области электри­чества и магнетизма.

Сегодня мы знаем, что свет формируется поперечными электромагнит­ными волнами в довольно узком диапазоне длин волн, и в то же время он про­является как поток фотонов. Отсюда следует, что обе теории применимы.

Этот уровень понимания - результат длительного развития наших знаний. Систематические исследования в области электрической энергии могли начать­ся только после изобретения в 1799 г. Александром Вольта гальванической ячейки.

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед (1777 - 1851) обнаружил, что электриче­ский ток создает магнитное поле вокруг проводника и что электричество и маг­нетизм так или иначе связаны. Позже Андре-Мари Ампер (1775 - 1836) пред­сказал и доказал существование силового взаимодействия электрических токов и сформулировал Закон Ампера. Майкл Фарадей (1791 - 1867) обнаружил элек­тромагнитную индукцию и сформулировал Закон Фарадея.

Все вышеизложенное подготовило, в свою очередь, базу для Джеймса Клерка Максвелла (1831 — 1879), который смог обобщить результаты предыду­щих исследований в области электричества и магнетизма в его четырех уравне­ниях и сформулировать, таким образом, общую теорию электромагнетизма [4]. Его уравнения показывают, что при изменении электрического поля индуциру­ется магнитное поле и, наоборот, изменения магнитного поля вызывают воз­никновение электрического поля. Оба поля распространяются в форме волн, со скоростью света с.

image025

Рис. 3.1. Электромагнитные волны

Существование электромагнитных волн, предсказанное гораздо раньше, теперь было доказано экспериментально.

Соответствие между скоростью распространения этих волн и измеренной скоростью света было настолько поразительно, что привело Максвелла к выво­ду о том, что именно эти волны иллюстрируют природу света. Он смог вывести законы физической оптики из своих уравнений и, таким образом, объединить теорию оптики с теорией электромагнитного поля.

Теория Максвелла была встречена с большим скептицизмом, существо­вавшим в течение долгого времени. Наличие электромагнитных волн не было доказано экспериментально, и их существование казалось физикам маловероят­ным. Сам Максвелл прожил недостаточно долго, чтобы увидеть триумф своей теории. Спустя девять лет после его смерти Герц Генрих Рудольф (1857 - 1894) сумел доказать существование электромагнитных волн экспериментально в опытах по изучению электрического разряда между двумя заостренными элек­тродами. Он смог обнаружить ответный сигнал в антенне, т. е. он доказал суще­ствование электромагнитных волн с длинами волн короче, чем один метр. Од­нако он не увидел возможности практического применения своего открытия. Его ключевое применение было показано Маркони, Тесла и Поповым в их изо­бретениях беспроволочной телеграфии. Сегодня мы можем видеть другие бес­численные применения этого открытия.

Электромагнитные волны перестали быть простой гипотезой и стали ча­стью интегрированной электромагнитной теории поля. Форма такой волны представлена на рис. 3.1. Как описано выше, изменение в электрическом поле во времени вызывает образование магнитного поля и наоборот. Для линейно поляризованного света векторы интенсивности электрического поля и вызван­ного магнитного поля колеблются во взаимно перпендикулярных направлени­ях, один вызывая другой. Продольное движение волны осуществляется перпен­дикулярно к обоим этим векторам.

Обычный свет не поляризован, то есть векторы Ё и В индивидуальных волн изменяют их ориентацию хаотично (беспорядочно). Если проекция векто­ра Е на плоскость поляризации (плоскость перпендикулярная к направлению 36

распространения) является прямой линией, мы говорим о линейно поляризо­ванном свете. В случае, когда вершина вектора описывает круг или эллипс в этой плоскости, свет является кругово или эллиптически поляризованным.

У электромагнитных волн (или электромагнитной радиации) длины волн могут находиться в очень широком диапазоне от 10"13 м (или даже короче) до значений в сотни или тысячи метров и даже еще больше. Видимая радиация (или свет) представляет собой только узкий интервал длин волн Л є (380 nm; 760 nm), в котором каждая длина волны соответствует определен­ному цвету.

С увеличением длины волны в пределах этого интервала цвет меняется от фиолетового через синий, зеленый и желтый к красному. Солнечный свет вос­принимается как белый, потому что он содержит непрерывный спектр всех цве­тов. Все, вероятно, могли видеть этот спектр, разбиваемый на отдельные цвета оптической призмой или дифракционной решеткой, и уж, несомненно, видели радугу в небе.

У ультрафиолетовой радиации длина волны короче Лє(іО'8и<;3.8х1(Г7.м), чем у видимого света, еще короче длины волн рентгеновской радиации Л є (КГ1 1 м; 10~8 juj. Самые короткие длины волны — у гамма-излучения (у) Я < КГ11 м.

У инфракрасной радиации длина волны выше, чем у видимого света Я є (7.6х10“7л<; 10"* м). Еще выше длины волн микроволновых печей Я є ((О"1 м; КГ1 m'j, и самые длинные волны относятся к радиоволнам Я > КГ’м.

Границы между этими областями длин волны строго не определены и в литературе слегка варьируются. Представляют интерес результаты работы, в которой приводится оценка параметров нанометрических полос видимой части солнечного спектра [97].

Обзор спектральных областей электромагнитных волн представлен на рис. 3.2. Все типы радиации имеют одну природу, но все они существенно от­личаются. Вот почему различные типы электромагнитной радиации применя­ются в различных областях физики и техники. Примеры их возможных приме­нений также даны на рис. 3.2.

Двойственная природа упомянутых выше электромагнитных волн являет­ся одной из самых интересных их особенностей. Электромагнитные волны ве­дут себя и как волны, и как частицы в то же самое время. Волновой характер больше проявляется в случае радиации с большей длиной волны, а корпуску­лярный характер, или характер микрочастиц, больше соответствует коротко­волновой части спектра. Энергия в электромагнитной волне не распределена непрерывно. Она сконцентрирована в кластерах, названных квантами, которые могут рассматриваться как квазичастицы, то есть частицы с нулевой массой по­коя. С этой точки зрения характер света является также и корпускулярным, и мы можем вновь говорить о двойственной природе света.

----------------- ► длина волны (м)

Подпись: Рис. 3.2. Спектральные области электромагнитного излучения с указанием их типичного технического применения

Вследствие двойственного характера электромагнитных волн все законы, применимые к волнам, такие как законы отражения и преломления на границе между двумя оптическими средами или эффекты интерференции в тонких сло­ях (например, на нефтяных пятнах) и дифракции на оптической решетке, отно­сятся также к электромагнитным волнам. Смещение частоты волны к красному краю видимого света из-за Доплер-эффекта известно как красное смещение в наблюдениях за отдаленными звездами и галактиками в расширяющейся все­ленной. Периодические Доплер-индуцированные изменения частоты, вызван­ные орбитальным движением звезды и массивной планеты вокруг общего цен­тра гравитации, служат косвенным доказательством существования массивных планет, движущихся вокруг некоторых звезд.

Корпускулярный характер электромагнитных волн замечен по квантовым эффектам. Радиация ведет себя как поток частиц (или точнее - квазичастиц), названных фотонами. Фотон с частотой v обладает энергией Е = hv, где И — постоянная Планка, названная в честь Макса Планка (1858 -1947), одного из основателей квантовой механики. Поскольку длина волны обратно пропорцио­нальна частоте и прямо пропорциональна периоду колебаний, согласно соот­ношению Я = — = с Т? фотоны с более короткой длиной волны обладают более высокой энергией.

Диаграмма на рис. 3.3 показывает зависимость энергии фотона от длины волны. Можно заметить, что в то время как фотоны видимой части спектра об­ладают энергией в интервале Е є <1.63а6; 3.27эВ), энергия у фотонов имеет 38

порядок МэВ. С другой стороны, энергия микроволновых фотонов имеет поря­док тысячных или сотых долей эВ. Видимая радиация, т. е. то, что мы называем светом (отмечена кругом на рис. 3.3), является всего лишь небольшой частью широкого спектра электромагнитного излучения.

Подпись:ю'13 ю'10 ю-7 10'4 10''

-------------- длина волны (м)

Примеры корпускулярных эффектов электромагнитной радиации - фото­электрический эффект (фотоэлектрический эффект - это взаимодействие по­ступающих фотонов с электронами в материале), Комптон-эффект, или образо­вание и аннигиляция пар «частица - античастица».

Альберт Эйнштейн (1879 - 1955), как уже упоминалось ранее, был удо­стоен Нобелевской премии за предложенную им теорию внешнего фотоэлек­трического эффекта в 1921 г. Аннигиляция частиц и античастиц, приводя к эмиссии по крайней мере двух у фотонов, использовалась для того, чтобы дока­зать взаимосвязь массы и энергии согласно известному уравнению Е = тс2. Эффект относительности - гравитационная линза, а именно, гравитационное влияние на фотоны и последующий изгиб лучей света вблизи объектов с очень большой массой.

Существование гравитационной линзы и границы эффекта были впервые подтверждены экспериментально экспедицией Артура Эддингтона во время полного солнечного затмения 1919 г.

Итак, теперь мы имеем представление о том, что такое свет. Но способ, которым мы чувствуем цвет, это область глазной физиологии и неврологии.

image028

Рис. 3.4. Чувствительность человеческого глаза как функция длины волны

Глаз функционирует таким образом, что мы чувствуем фотоны опреде­ленной длины волны как определенный цвет и смесь фотонов различных длин волны как цветовые оттенки. Радужная оболочка и линза (хрусталик) создают изображение объекта на сетчатке, которая покрыта двумя типами ячеек - па­лочками сетчатки (палочковидная зрительная клетка) и колбочками (колбочко­видная зрительная клетка). Самое чувствительное пятно на сетчатке - макула (желтое пятно) — покрыто только колбочковидными клетками. С увеличением расстояния от этого пятна плотность палочковидных клеток увеличивается, а плотность колбочек уменьшается. По краям поля зрения присутствуют только палочковидные клетки. Зрение в сумерки, когда интенсивность света низка, обеспечивается посредством палочковидных клеток.

Зрение при хороших условиях освещения обеспечивается колбочками. Цвета идентифицируются только колбочковидными клетками. Следовательно, наше восприятие цвета зависит от интенсивности света, и мы едва в состоянии различать цвета в сумерки. Свет, поступающий от отдаленных звезд, планет и галактик, имеет низкую интенсивность, поэтому мы можем видеть их глазом или посредством телескопа только как черно-белое изображение. Только современ­ные телескопы на основе высоких технологий (как, например, космический теле­скоп Хабл) в состоянии при помощи специальных датчиков и электронных инст­рументов создать цветные изображения этих объектов в истинном цвете.

Клетки типа палочек и колбочек имеют различную чувствительность к фотонам различных длин волны, как это видно из рис. 3.4. Поэтому кривые для видения в дневное и ночное время несколько смещены друг относительно дру­га. Диаграммы показывают, что при хороших условиях освещения видны луч­ше желтые объекты, тогда как в сумерках зеленые объекты видны лучше всего, а красные объекты почти невидимы.

40

Это утверждение подтверждается ежедневным опытом. Из-за изменения в чувствительности зрения при хороших условиях освещения мы можем воспри­нимать один объект как более яркий, чем другой, тогда как в сумерках тот же самый объект будет восприниматься как менее яркий.

Поверхность Земли главным образом освещена излучением видимой части спектра, значит, это вовсе не совпадение, что человек видящий чувствителен именно к этому диапазону длин волны, с максимальной чувствительностью, соот­ветствующей максимальной интенсивности солнечного излучения, которое дости­гает поверхности Земли. Животные, живущие в других условиях, оптимизировали свое зрение в соответствии с условиями существования, т. е. несколько смещен­ным к инфракрасной или ультрафиолетовой границам видимого диапазона.

Как уже упоминалось выше, фотоны воспринимаются человеческим гла­зом как определенный цвет, но и смесь фотонов различных длин волн может интерпретироваться как тот же самый цвет. Такой эффект может иметь место для различных комбинаций цветов. Без сложных инструментов мы не можем определить линии спектра и относительную интенсивность, вкладываемую в формирование получающегося цвета. У объектов есть определенный цвет, по­тому что они имеют заданную отражательную способность для фотонов опре­деленных длин волны. Спектр отраженного света приходит к нам как опреде­ленный оттенок цвета. Если бы объект был освещен светом различного спек­трального состава, то у отраженного света также был бы различный спектраль­ный состав, и мы бы субъективно видели тот же самый объект как сочетание различных цветов. То же самое верно для света, проходящего через окружаю­щую среду, прозрачность которой зависит от длины волны. Мы можем создать большинство возможных цветовых оттенков линейной комбинацией трех эле­ментарных цветов (обычно красный R, зеленый G и синий В). Цвет А образует­ся вследствие смешивания А= r]R + g, G + b, В, где гь gb b| - интенсивности индивидуальных компонентов.

Некоторые оттенки невозможно получить при положительных значениях Г), gi, b|. Например, трудно создать некоторые оттенки коричневого цвета. Но если мы не в состоянии создать оттенок X = r2R + g2G + Ь2В, мы можем решить проблему, добавляя компонент, например r3R, к обеим сторонам уравнения, и мы получаем несколько отличный оттенок X + r, R = (r2 + r3) R + g2G + Ь2В. До­пуская возможность того, что все, что бы мы ни добавили, может быть вычте­но, мы можем расширить набор коэффициентов g, г, Ь, чтобы включать отрица­тельные значения. Теперь любой оттенок цвета, видимого человеческим гла­зом, может быть создан. Невозможно найти три элементарных цвета, комбина­ция которых создает все возможные оттенки цветов, при использовании только положительных значений коэффициентов g, г, Ь.

Мы можем видеть математически, что цвет может интерпретироваться как вектор с координатными направлениями R, G, В.

Умножение коэффициентов rl, gl, Ы, соответственно, представляет только изменение в интенсивности для каждого цвета, смешивание цветов представляет сумму векторов. Если бы мы ограничивали себя заданной интен­сивностью света, точки конца векторов всех возможных цветов лежали бы

на поверхности сферы, радиус которой должен соответствовать данной интен­сивности света. В сферических полярных координатах двух переменных доста­точно, чтобы описать эту систему, а именно углы j и и. Третья координата, ра­диальная длина, является постоянной. Это означает, что все цвета могут быть представлены как точки в двухмерной плоскости. Эти преобразования, пред­ставленные на рис. 3.5, известны как цветовая (хроматическая) диаграмма, или как колориметрический треугольник [5].

image029

Хроматическая диаграмма использует х - у координаты и представляет собой нерегулярную плоскость, ограниченную сверху кривой, точки на которой соответствуют цветам монохроматического света, то есть соответствуют фото­нам определенных длин волны. Снизу плоскость ограничена линией, соеди­няющей две экстремальные точки (красный и фиолетовый), соответствующей фиолетовому цвету. Точки внутри области соответствуют оттенкам цвета, яв­ляющегося результатом смешения фотонов различных длин волны. К центру все оттенки постепенно переходят в белый цвет, соответствующий непрерыв­ному спектру излучения «черного тела» при температуре Т = 5800 К (темпера­тура поверхности Солнца), то есть к дневному свету. X - у координаты - без­размерные величины, обычно называемые цветовыми координатами. Кривая, представляющая температурную зависимость сплошного спектра «черного те­ла», видна также на рис. 3.5 и 18.4.

В солнечных элементах происходит преобразование солнечного излуче­ния в электрический ток. Солнечная радиация, достигающая поверхности Зем­ли, характеризуется рядом параметров и проявляется весьма многообразно.

Для лучшего понимания процессов взаимодействия солнечного излуче­ния с объектами на Земле необходимо иметь четкое понимание всех аспектов, характеризующих солнечную радиацию. Для этого ниже приводится описание ряда основных терминов и понятий, используемых для характеристики солнеч­ного излучения во всем его многообразии.

Альбедо - отношение количества радиации, отраженной от поверхности к количеству радиации, падающей на эту поверхность. Различают альбедо по­верхности Земли, альбедо атмосферы, выражается в процентах или долях.

Альбедо Земли - отражательная способность Земли в целом.

Видимая радиация - видимый солнечный свет с длиной воли от 0,40 до 0.75 мкм - составляет примерно 46 % от солнечной радиации, поступающей на Землю.

Длинноволновая радиация - радиация с длиной волн от 4 до 100 120 мк,

менее 1 % всей солнечной радиации.

Земное излучение - тепловое длинноволновое (инфракрасное) излучение земной поверхности. Зависит от температуры поверхности. Интенсивность из­лучения можно рассчитать по формуле Стефана-Больцмана: Es = оТ. 104, где а - постоянная, равная 8,2 11 кал/см2.

Инфракрасная радиация (излучение) - невидимая радиация с длиной волн более 0.75 мк, 47% от всей радиации.

Оранжерейный (парниковый) эффект - способность атмосферы пропус­кать коротковолновое излучение Солнца (прямую и рассеянную радиацию) и задерживать длинноволновое тепловое излучение Земли. Географическое зна­чение: благодаря парниковому эффекту средняя температура земной поверхно­сти +15°С, при отсутствии атмосферы она была бы на 20 - 35°С ниже.

Отраженная радиация - часть радиации, отраженная от поверхности. За­висит от отражательной способности поверхности (альбедо).

Поглощенная радиация - часть радиации, поглощенная поверхностью. Зависит от отражательной способности поверхности (альбедо).

Прямая радиация - радиация, приходящая к земной поверхности непо­средственно от солнечного диска в виде пучка параллельных лучей. В связи со значительной удаленностью источника принимается как поток параллельных лучей. Зависит от угла падения на земную поверхность.

Радиационный баланс - остаточная радиация (разность между приходом и расходом солнечной радиации).

Рассеянная радиация - часть солнечной радиации, рассеиваемая атмо­сферой.

Суммарная радиация - сумма прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей на земную поверхность.

Тепловой баланс атмосферы — соотношение всех приходов и расходов те­пла в атмосфере - выражается формулой:

Ru LE + Р “ 0,

где Ra - радиационный баланс атмосферы (расходная часть); приходная часть: LE - тепло, выделяемое при конденсации; Р - тепло, поступающее от поверх­ности за счет турбулентности. В среднем в течение многолетнего периода равен нулю.

Тепловой баланс земной поверхности - соотношение прихода и расхода тепла на земной поверхности - выражается уравнением:

Rn+ LE + Р + В — 0,

где R,, - радиационный баланс (приходная часть баланса); расходная часть: LE - затраты тепла на испарение (L - скрытая теплота парообразования. Е - ис­парение); Р - потери тепла через турбулентный обмен между поверхностью и атмосферой; В — потери тепла через теплообмен между поверхностью и поч­вогрунтами. Среднее многолетнее значение равно 0.

Эффективное излучение земной поверхности - потеря тепла земной по­верхностью, равная разности между излучением земной поверхности и встреч­ным излучением атмосферы: Ес = Es - Еа. Измеряется ночью специальным при­бором - пиргеометром.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Конференции и выставки по вопросам солнечной энергетики

В области фотоэлектрического преобразования солнечной энергии орга­низуется и проводится целый ряд конференций и выставок. Их них самые важ­ные следующие: «Европейская Фотоэлектрическая Конференция» (EPVC, Ев­ропа), «ІЕЕЕ конференция специалистов в области фотоэлектричества» …

Накопители солнечной энергии

Периодические колебания в поступлении солнечного излучения - боль­шое неудобство в контексте эксплуатации солнечных энергетических систем. Ночью, когда мы в наибольшей степени нуждаемся в электроэнергии, Солнце не светит. Поэтому необходимо накапливать …

Электронные инверторы

Все фотоэлектрические генераторы вырабатывают постоянный ток. Од­нако для последующей работы с произведенной электроэнергией необходимо ее преобразовать в переменный ток и обеспечить получение напряжения, при­годного для изолированных или распределительных электрических сетей. …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.