ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

СОЛНЦЕ — НАША БЛИЖАЙШАЯ ЗВЕЗДА

Наше Солнце - довольно типичная звезда. Во Вселенной есть чрезвычай­но большое количество звезд точно таких же, как оно.

Солнце возникало медленно, приблизительно пять миллиардов лет назад из туманности разреженных газов и пыли. Вследствие наличия гравитацион­ных сил эта туманность постепенно сжималась, а ее температура увеличива­лась. Когда температура в ее ядре достигла предела (около Т ~ Ю7К), началась термоядерная реакция синтеза водородных ядер (см. главу 4), и в ядре Солнца начала выделяться ядерная энергия. Солнце стало гигантским естественным термоядерным реактором. Постепенно стало устанавливаться равновесие меж­ду энергией, выделяемой в ядре Солнца, и энергией, излучаемой с ее поверх­ности. Однако ничто не вечно, и однажды Солнце исчерпает свою энергию и прекратит свое существование. Но где-нибудь в другом месте возникнут но - ные звезды.

Планетарные системы часто формируются вместе со звездой. Существо­вание планетарных систем вокруг многих отдаленных звезд было подтвержде­но физическими методами, основанными на эффекте Допплера (Doppler-effect).

Эффект Допплера хорошо известен всем нам из акустики. Если источник волн движется к наблюдателю, то наблюдатель воспринимает частоту волн как более высокую, чем на самом деле испускается источником. Если источ­ник волны удаляется, наблюдатель ощущает более низкую частоту. В третьей главе было показано, что свет - это также электромагнитное излучение. Если большая планета, размером, как Юпитер или более, вращается вокруг звезды, звезда движется с некоторой периодичностью, потому что оба тела переме­щаются вокруг одного общего центра тяжести. Если плоскость движения звез­ды и планеты проходит близко к Земле, мы можем видеть обе орбиты в боко­вой проекции. Если планета движется по направлению к нам, то звезда дви­жется от нас, и ее спектр излучения демонстрирует доплеровский сдвиг к красному краю видимой области. Если планета удаляется, а звезда движется к нам, ее спектр излучения демонстрирует доплеровское смещение к фиолето­вому краю спектра.

Этот эффект схематично иллюстрируется на рис. 5.1. Кроме того, если планета частично экранирует звезду во время движения по своей орбите, то яр­кость звезды временно уменьшается. Регулярная периодичность этих эффектов с постоянной частотой является косвенным доказательством существования больших планет.

Солнце - самый большой источник энергии в солнечной системе, и вся энергия на Земле, за исключением ядерной энергии, поступает от него. В ископаемом топливе и биомассе солнечная энергия накопилась в результате преобразования зелеными растениями с помощью фотосинтеза неорганических веществ в органические. Однако только приблизительно одна десятая процента падающей солнечной энергии используется для фотосинтеза. Образование глю­козы может служить примером формирования органических веществ в расте­ниях:

6 С02 + 6 Н20 + энергия солнечного излучения = С6Н)206 + 6 02.

Со временем органические вещества в биомассе могут быть преобразо­ваны в уголь, нефть или природный газ. При соответствующих условиях это преобразование происходит через геофизические процессы на больших глуби­нах, при высоком давлении и высоких температурах, в отсутствие воздуха.

Гидроэнергия - это следствие испарения воды, главным образом с по­верхности океана, и последующей ее конденсации на возвышенностях различ­ных континентов, где вода обладает более высокой потенциальной энергией.

Ветер приобретает свою кинетическую энергию вследствие неоднородно­го нагревания различных участков земной поверхности. Энергия солнечного излучения достигает поверхности Земли непрерывно, но она неоднородно рас­пределена относительно местоположения и времени. Основные параметры Солнца приведены в таблице 5.1.

Чтобы поддерживать жизнь, мы нуждаемся в энергии. Чтобы дать неко­торое представление о том, какое количество энергии требуется, отметим, что для взрослого человека требуется приблизительно 100 W для метаболизма и приблизительно 150 W всего. Метаболическое выделение энергии в животных происходит, например, в реакции глюкозы с кислородом:

С6Н1206 + 602 - 6С02 + 6Н20 + энергия.

В течение 80 лет человек потребляет 105 000 кВт-ч энергии. Это - полная энергия, потребляемая только непосредственно человеческим телом, без учета энергии, используемой из других источников (например, из угля или нефти), чтобы сделать жизнь более приятной и управлять окружающей средой. Для сравнения отметим, что 105 000 кВт ч соответствуют энергии, выделяемой 1 г водорода при термоядерном процессе превращения в гелий.

В ядре Солнца энергия выделяется в результате термоядерного синтеза ядер гелия из водородных ядер. Проходит период порядка нескольких сотен тысяч лет, прежде чем эта энергия достигает поверхности Солнца. С поверхно­сти энергия излучается в форме электромагнитного излучения и потока заря­женных частиц, известных как «солнечный ветер». Излучаемая Солнцем энер­гия относительно устойчива, изменяясь только немного в зависимости от сол­нечной активности по приблизительно 11-летнему циклу. Максимальная длина волны X, излучаемой с поверхности Солнца при заданной температуре, состав­ляет X* я 550 нм. В условиях приближения солнечного излучения к излучению черного тела закон Вина (Wien's law) X*TS =6 дает температуру на поверхности Солнца, равную Тх ~ 5800К, где b - константа Вина. Излучение Мчерного тела зависит от его температуры согласно соотношению Ме = аТ4, где а - постоян-

ная Стефана-Больцмана. Для температуры Ts ~ 5800 К мы получаем Ме «6,42x10.

Мощность излучения с поверхности Солнца, составляет Ps = Ме 4жг* I где rs «6.96x10*м это радиус Солнца, а значение Г~ 3.91 х 1026 Вт. Только ма­лая часть этой радиации достигает поверхности Земли.

Если мы примем значение расстояния от Земли до Солнца ^s: ®1.49х10пм и радиус Земли ~ 6.37x106м, мы получим

тг

М =------ «1.79х10пЛи.

• 4 nR]z 4

Солнечная радиация, поступающая за день на Землю, составляет величину WL = АД. I «1.79 х 1017 Дж. с' . 86400 с = 1.55 х 1022 Дж.

Мощность солнечного излучения на единицу площади в космосе, выше земной атмосферы, составляет

АР

1=—у « 1367 Вт м~2.

лг2

Эту величину называют солнечной постоянной. Часть этой энергии отра­жается атмосферой Земли, часть поглощается. Количество энергии, достигаю­щей поверхности Земли, является функцией географической широты, метеоро­логических условий, времени дня и времени года. Максимальная мощность солнечного излучения на поверхности Земли составляет приблизительно 1„тс=ШВтм~2.

Энергия солнечного излучения может быть преобразована тепловым кол­лектором в тепловую энергию или фотоэлектрическим (PV) модулем в элек­трическую энергию.

Энергия высвобождается в ядре Солнца в результате термоядерного син­теза, особенно синтеза ядер гелия из водородных ядер. Солнечное ядро имеет радиус г «1.5 х 10* м и температуру порядка Т «1.4 - ь 1.5 х 107 К.

Высвобождаемая энергия частично преобразуется в кинетическую энер­гию продуктов реакции, частично в энергию жестких фотонов гамма-лучей. В столкновениях частицы с более высокой кинетической энергией передают часть своей энергии частицам с более низкой энергией. Фотоны гамма-лучей также сталкиваются с другими частицами в очень плотном веществе ядра Солнца. В этих столкновениях они исчезают, но образуются другие фотоны с более низкой энергии и большей длинной волны. В этих столкновениях скоро­сти и направления движения электрически заряженных частиц изменяются, и ускоряющиеся электрические заряды генерируют электромагнитные волны. Процессы, описанные выше, поддерживают и высокую температуру ядра Солнца, и передачу энергии от ядра к поверхности.

Вне ядра есть слой радиационного равновесия. Он имеет толщину (/ я 3.5х 10Н м. Здесь фотоны непрерывно поглощаются и вновь излучаются та­ким образом, что каждый фотон с высокой энергией преобразуется в большое количество фотонов более низких энергий. Столкновения облегчают передачу энергии к поверхности посредством теплопроводности. Поэтому этот слой ино­гда называют проводящим слоем. Вне проводящего слоя находится конвектив­ный слой. Он имеет толщину d и 2 х 10“ л/ и демонстрирует поднимающиеся и погружающиеся потоки плазмы. Поднимающиеся потоки более горячие, чем те, которые опускаются, и поэтому легче. С помощью сильного телескопа можно наблюдать неоднородности на солнечной поверхности, что иллюстрируется рис. 18.2.

Поверхность конвективного слоя (то есть фактическая солнечная поверх­ность) не является твердой и поэтому определяется не точно.

По мере увеличения расстояния от Солнца его атмосфера может быть разделена на фотосферу, хромосферу и корону. Толщина фотосферы к 5х 105 м и температура Т «5800 К. Это - источник самого интенсивного излучения в космос. Хромосфера (толщина <7»2-нЗх106м) контролирует ре­зультирующий эмиссионный спектр солнечного излучения. Корона, внешняя атмосфера Солнца, распространяется на дистанцию нескольких солнечных диаметров. Корона может наблюдаться во время солнечного затмения.

На рис. 5.2 приведен спектр электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем. Кривая 1 соответствует радиации вне атмосферы Земли, а кривая 2 - спектру солнечного излучения после прохождения через атмосферу Земли пер­пендикулярно ее поверхности [7]. Для сравнения отметим, что кривая 3 соот­ветствует излучению черного тела при температуре Т = 5800 К в соответствии с законом Планка. Линии поглощения, соответствующие поглощению содержа­щимися в земной атмосфере газами, ясно заметны на кривой 2. Фотоны с дли­нами волн короче, чем X < 290 нм, отфильтрованы озоновым слоем в верхних слоях атмосферы, что защищает Землю от опасных для жизни компонентов спектра солнечного излучения.

На рис. 5.3 показан спектр солнечного излучения (после прохождения че­рез атмосферу при ясной погоде) в зависимости от толщины воздушного слоя, то есть от угла падения. Кривая 1 соответствует мощности излучения выше ат­мосферы Земли.

Кривая 2 соответствует углу падения а = 0, то есть перпендикулярному поступлению излучения, другие кривые соответствуют увеличивающемуся уг­лу падения с шагом Да = 15°, так, что кривая 6 соответствует углу падения 60°, то есть положению Солнца под углом 30° к горизонту [8].

Сдвиг к красному краю спектра очевиден, особенно из сдвига коротко­волнового края спектра при более высоких углах падения.

После прохождения через атмосферу Земли солнечное излучение может быть разделено на три компонента согласно направлениям. Существенная часть - это прямая радиация от диска Солнца, что соответствует его угловому

размеру. Другая часть соответствует так называемой диффузионной околосол­нечной радиации, которая из-за рассеивания направлена не только от солнечно­го диска. Эта радиация распространяется в намного большем секторе, чем пря­мая радиация. Наименьшая часть солнечного излучения соответствует диффу­зионной, изотропической радиации, которая рассеяна атмосферой до такой сте­пени, что имеет одинаковую интенсивность во всех направлениях. Крайний ва­риант этого случая соответствует ситуации, когда небо полностью закрыто об­лаками. Несколько ниже мы рассмотрим этот вопрос в увязке совместно с дан­ными метеорологических измерений.

На рис. 5.4 представлена контурная карта радиационной интенсивности (в ясный день) с различных направлений излучения Солнца при его расположении иод углом 30° к горизонту. Рисунок показывает, что вследствие большой дис­персии направлений солнечного излучения радиационная интенсивность на стороне, противоположной Солнцу, является постоянной. Увеличенная радиа­ционная интенсивность с направлений, более близких к горизонту, связана с отражением от поверхности Земли. Это явление является функцией природы материала поверхности Земли и различается от места к месту.

Вместе с электромагнитным излучением Солнце также испускает микро­частицы, которые обычно электрически заряжены, например электроны, прото­ны или ядра легких элементов. Оно также испускает нейтроны, которые элек­трически нейтральны.

Частицы вещества перемещаются со скоростями ниже, чем скорость све­та. Этот поток частиц называют солнечным ветром. Действительно, мы можем иногда наблюдать протуберанцы, то есть выбросы плазменных потоков с сол­нечной поверхности. Рассматривая результаты наблюдений за солнечной по­верхностью в ускоренном темпе, мы можем видеть нерегулярности в выбросах плазмы, вызванные, с одной стороны электронными взаимодействиями заря­женных частиц и, с другой стороны взаимодействиями заряженных частиц с сильными магнитными полями на солнечной поверхности.

Солнечный ветер мог бы серьезно угрожать жизни на Земле, но к счастью поверхность Земли защищена ее магнитным полем. Поступающие заряженные частицы не могут пройти перпендикулярно через магнитное поле. Скорее всего, согласно силе Лоренца они совершают круговое движение вокруг линии силы, которая перпендикулярна и к направлению скорости частицы, и к магнитному нолю.

Т'-. 3

ЛИНИЯ ПОЛЯ В

Рис. 5.5. Солнечный ветер и плазмосфера Математически это выражается следующим образом F = Q(E + v* В),

где Q - заряд частицы; v - скорость частицы; Ё - напряженность электрическо­го поля; В - магнитная индукция.

При нулевой интенсивности электрического поля вектор Q (v х В) описы­вает силу, направление которой перпендикулярно и направлению скорости час­тицы, и магнитному полю. Траектория заряженных частиц поэтому - это спи­раль вокруг силовых линий магнитного поля. Только в областях, близких к магнитным полюсам, заряженные частицы могут проникать близко к поверхно­сти Земли. В этих областях более плотное магнитное поле формирует «магнит­ное зеркало», которое направляет частицы вдоль линий поля. В окрестностях магнитных полюсов заряженные частицы проникают близко к поверхности Земли, увеличиваясь в концентрации и формируя тонкую плазму.

Время от времени эта плазма создает атмосферные оптические эффекты, называемые «полярным сиянием». В периоды повышенной солнечной активно­сти, сопровождающиеся большими солнечными выбросами, в атмосфере Земли могут возникать магнитные штормы, вызывающие прерывания телекоммуни­кационных сигналов. Области, демонстрирующие увеличенные концентрации захваченных заряженных частиц, называют плазмосферой, или радиационными поясами, как это показано на рис. 5.5.

В направлении от Солнца солнечный ветер сжимает магнитное поле Земли, тогда как в противоположном направлении магнитное поле Земли расширяется.

К сожалению, часто при рассмотрении эффективности работы устройств на основе фотопреобразователей недостаточно внимания уделяется учету упомяну­той ранее рассеянной солнечной радиации. Однако это абсолютно ошибочный подход и оценка эффективности систем фотоэлектрического преобразования сол­нечного излучения без учета этого обстоятельства чревата серьезными ошибками.

/ luc 5.6. Изменение доли рассеянной интегральной радиации в суммарной (D/Q %)
в течение года при средних условиях облачности (1) и при безоблачном небе (2)

Рассмотрим для примера результаты исследования метеопараметров мос­ковского региона [112]. В монографии, посвященной оценке климатических ре­сурсов солнечной радиации Московского региона, приводится ряд результатов, представляющих значительный интерес с точки зрения рассматриваемой нами проблемы.

В ней, в частности, показано, что одним из основных параметров, опреде­ляющих особенности радиационного режима любого района земного шара, яв­ляются месячные суммы солнечной радиации EMQ„P. Они претерпевают значи - ісльньїе изменения в течение года и из года в год. XMQHp изменяются от 39 МДж/м2 в декабре до 609 МДж/м2 в июне. Их отличия от средних месячных сумм за 1991-2007 гг. в марте - октябре не превышают 2,5%. С ноября по фев­раль приход суммарной радиации в конце XX - начале XX века был на 5 - 10% меньше, чем в среднем за период 1958 - 2007 гг. Коэффициент вариации (V) месячных сумм суммарной интегральной радиации, отражающий изменчивость Омр от года к году, меньше V суточных сумм. Он изменяется от 10% в июне - августе до 22% в ноябре. Несмотря на то, что изменчивость месячных и суточ­ных значений в общем определяется одними и теми же циркуляционными фак - трами, полного совпадения между ними нет в силу разного масштаба процес­сов, определяющих эти виды изменчивости.

Особый интерес для нас представляет вывод авторов о том, что при сред­них условиях облачности, в отличие от безоблачного неба, главную роль в об­щем приходе солнечной радиации играет рассеянная радиация D, ip. Вклад годо­вой суммы D„p в годовую сумму Q„p составляет 56%, в то время как при безоб­лачном небе только 27%. В течение года доля месячных сумм Оир в EMQ„P изме­няется от 50 до 87%, достигая наибольшего значения в декабре (рис. 5.6). При безоблачном небе она изменяется от 23% в июне-июле до 43% в январе.

Статистические характеристики сезонных сумм суммарной интегральной радиации за рассматриваемый период представлены в таблице 5.2.

Примечание: а - среднее квадратическое отклонение; V% - коэффициент вариации: А - коэффициент асимметрии; Е — коэффициент эксцесса.