77394

Солнечная энергия и методы ее преобразования

Реферат

Энергетика

В отсутствие тока вследствие теплового движения электроны из nобласти будут переходить в pобласть и там рекомбинировать с дырками а дырки из pобласти – в nобласть и рекомбинировать с электронами. Поэтому в nобласти вблизи границы раздела появится положительный объемный заряд а в pобласти – отрицательный объемный заряд; nобласть приобретет положительный потенциал и энергия электрона в ней станет меньше а потенциал pобласти сделается отрицательным и энергия электрона в ней увеличится. Энергия же положительных дырок будет больше...

Русский

2015-02-02

102 KB

0 чел.

4. НЕТРАДИЦИОННЫЕ и ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

04. Солнечная энергия и методы ее преобразования

Солнце как источник энергии [1, С. 44–50], [2]

Солнце – неисчерпаемый, дешевый и возобновляемый источник энергии, не загрязняющий окружающую среду.

Солнечное излучение, передаваемое во внешнее пространство, характеризуется широким спектром: ~ 7 % приходится на ультрафиолетовое излучение (λ ≤ 0,38 мкм), 47,3 % – видимый свет (0,38 мкм ≤ λ ≤ 0,78 мкм), 45,7 % приходится на спектр инфракрасного и теплового излучения (λ < 10 мкм). Такое распределение близко к энергетическому спектру классического «черного тела» при температуре 5500 °С (именно такова температура видимой поверхности Солнца). [Абсолютно черное тело – физическое тело, которое излучает энергию во всем спектре и поглощает все падающее на него излучение независимо от длины волны].

Количество солнечной энергии, поступающей в данный момент на данный участок земной поверхности, зависит от четырех факторов:

– количества энергии, излучаемой в данный момент Солнцем;

– угла наклона земной оси к плоскости эклиптики (эклиптика — плоскость вращения Земли вокруг Солнца), т.е. от времени года;

– времени суток;

– состояния атмосферы над точкой наблюдения.

Освещенность Земли (точнее, внешней границы земной атмосферы) S = 1,38 кВт/м2 носит название солнечной постоянной. Она представляет собой энергию излучения Солнца, приходящего в единицу времени на единицу площади поверхности (нормаль которой перпендикулярна поверхности излучения).

Полная лучистая энергия, приходящая к Земле от Солнца в течение года, составляет         1500 · 1015 кВт·ч. Это значение примерно в 20 000 раз больше мирового ежегодного потребления энергии. Однако человек не может полезно использовать всю эту энергию.

Баланс солнечной энергии для Земли выглядит следующим образом. Из 100 % падающего на Землю излучения 34 % непосредственно отражается в космос, в основном за счет отражения от облаков, около 19 % поглощается атмосферой и только 47 % достигает поверхности Земли. При этом часть падающего на Землю излучения (около 27 %) Земля отдает атмосфере на испарение воды и на перемешивание атмосферы, а оставшиеся около 20 % составляет энергия инфракрасного теплового излучения. В конечном счете, вся энергия, воспринятая атмосферой, уходит в виде инфракрасного излучения в космическое пространство (около 66 %).

Действительный тепловой баланс несравненно сложнее. Наиболее важным моментом, который иллюстрирует тепловой баланс, является то, что практически вся энергия, получаемая Землей от Солнца, в конечном итоге рассеивается в космосе, что логично, так как в противном случае, Земля бы непрерывно нагревалась.

Интенсивность солнечной радиации зависит от времени года и уменьшается в зимнее время по сравнению с летним периодом более чем в 2 раза в районах пустынь и примерно в 10 раз в районах высоких широт. В течение суток интенсивность солнечного излучения меняется от максимума в полдень до нуля ночью.

Расчетное значение интенсивности солнечной радиации (т.е. скорости прохождения энергии солнечных лучей через единицу перпендикулярной им поверхности) в любой точке земной поверхности в фиксированный момент времени определяется по формуле, Вт/м2

,

(4.1)

где S – солнечная постоянная, Вт/м2;  и d – расстояние от Земли до Солнца: соответственно среднее и в данный момент (Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите, затрачивая 1 год на каждый цикл); f – коэффициент поглощения солнечного излучения атмосферой; z – зенитный угол Солнца (между вертикалью и направлением на Солнце).

Преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено по двум принципиальным схемам:

– фотоэлектрическое (прямое) преобразование;

– термодинамический способ, применяемый на крупных гелиоэнергетических объектах (СЭС) для получения электроэнергии в больших масштабах.

Физические основы фотоэлектрического преобразования солнечной энергии [3, С. 81–90], [4, С. 497–503]

В основе работы фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечной энергии в электрическую лежит явление внутреннего фотоэффекта – образование свободных носителей тока под действием теплового ионизирующего излучения. Наиболее освоенным типом фотоэлектрических преобразователей являются кремниевые ФЭП.

Кремний является типичным полупроводником [Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры]. Атом кремния в периодической системе Д.И. Менделеева имеет порядковый номер 14, т.е. заряд его ядра равен +14е, и в его состав входит 14 электронов. Из них слабо связанными (валентными) являются только четыре электрона, которые участвуют в химических реакциях и обусловливают четыре валентности кремния. Таким образом, четыре валентных электрона движутся вокруг остова атома, имеющего заряд +4е, и образуют облако отрицательного заряда.

В кристаллической решетке кремния каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь двух соседних атомов обусловлена парой электронов, образующих валентную связь. В образовании связей между атомами участвуют все валентные электроны, т.е. они являются структурными элементами и не участвуют в электропроводности.

При попадании на кристалл солнечных лучей, он нагревается, и тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате часть электронов, участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток.

Возможен также и другой механизм электропроводности, обусловленный тем, что разрыв валентной связи приводит к появлению вакантного места с отсутствующей связью. Пустые места с отсутствующими электронами связи получили название «дырок».

При наличии дырки какой-либо из электронов связи может перейти на место дырки. В результате в этом месте восстанавливается нормальная связь, но зато появляется дырка в другом месте. В эту новую дырку переходит еще какой-либо из электронов связи и т.д. Такой процесс происходит многократно, в результате чего в образовании тока принимают участие не только электроны проводимости, но и электроны связи, которые постепенно перемещаются так же, как и электроны проводимости, против электрического поля. Дырки же двигаются противоположно, в направлении электрического поля, т.е. так, как двигались бы положительно заряженные частицы. Этот процесс получил название дырочной проводимости. Следовательно, в полупроводниках возможны два различных процесса электропроводности: электронный (осуществляемый движением электронов) и дырочный (обусловленный движением дырок).

Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых электрон проводимости улавливается на одно из вакантных мест электронов связи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки.

Рассмотренный процесс проводимости в совершенно чистых проводниках, лишенных химических примесей и других дефектов решетки, получил название собственной проводимости. При наличии примесей электропроводность полупроводников сильно меняется.

Например, при наличии в кремнии (элемент четвертой группы) примеси элемента пятой группы (например, мышьяка). Атом мышьяка имеет пять валентных электронов. Так как для осуществления валентной связи в решетке кремния необходимы четыре электрона, то пятый электрон мышьяка связан особенно слабо и может быть легко отщеплен при тепловых колебаниях решетки. При этом возникает один электрон проводимости, а атом мышьяка превращается в положительно заряженный ион. Образование дырки не происходит.

Если в кремнии имеется примесь элемента третьей группы (например, бора), имеющего три валентных электрона, то недостающий четвертый электрон захватывается из соседних мест кристалла, а в соседнем месте, соответственно, образуется дырка. При этом атом бора превратится в отрицательный ион. Таким образом, при наличии бора в кристалле кремния окажется возможным возникновение тока, обусловленного движением дырок.

При так называемой примесной проводимости примеси, вызывающие появление электронов проводимости (мышьяк в кремнии) называют донорными примесями, а примеси, вызывающие появление дырок (бор в кремнии) – акцепторными.

Если концентрация электронов в полупроводнике значительно больше концентрации дырок, то полупроводник имеет электронную проводимость, или проводимость n-типа (от negative – отрицательный). Если значительно преобладают положительные дырки, то электропроводность называется дырочной, или p-типа (от positive – положительный). Носители заряда, представленные в большинстве (электроны в полупроводнике n-типа или дырки в полупроводнике p-типа), называют основными носителями заряда, а представленные в меньшинстве – неосновными. Если концентрации ионов и дырок сопоставимы между собой, то имеет место смешанная проводимость.

[Так кремний с примесью мышьяка при низких температурах имеет только примесную проводимость и является полупроводником n-типа. Дырки здесь возникают только в результате разрыва валентных связей, а при низких температурах количество таких разрывов мало. Однако, при увеличении температуры количество разрывов увеличивается, и появляется заметная собственная проводимость. При этом увеличивается и количество дырок, и электропроводность по типу становится смешанной. При достаточно высоких температурах примесная проводимость становится гораздо меньшей, по сравнению с собственной, и количество дырок становится практически равной концентрации электронов].

Если полупроводник n-типа находится в контакте с полупроводником p-типа, электроны и дырки получают возможность переходить из одного полупроводника в другой и между полупроводниками возникает контактная разность потенциалов, а в тонком пограничном слое появляется контактное электрическое поле.

Для получения pn контакта в пластинку чистого полупроводника (кремния, германия) вводят две примеси: донорную (сообщающую электронную проводимость) и акцепторную (сообщающую дырочную проводимость), и распределяют их таким образом, чтобы в одном конце имелся избыток одной из примесей, а в другом конце – избыток другой. Тогда в одной половине пластинки возникает электронная проводимость, а в другой – дырочная, причем между обеими областями будет расположен тонкий переходный слой, в котором обе примеси компенсируют друг друга (электронно-дырочный переход, или pn переход).

В отсутствие тока вследствие теплового движения электроны из n-области будут переходить в p-область (и там рекомбинировать с дырками), а дырки из p-области – в n-область (и рекомбинировать с электронами). Поэтому в n-области, вблизи границы раздела, появится положительный объемный заряд, а в p-области – отрицательный объемный заряд; n-область приобретет положительный потенциал и энергия электрона в ней станет меньше, а потенциал p-области сделается отрицательным и энергия электрона в ней увеличится. Энергия же положительных дырок будет больше в n-области и меньше в p-области.

Поток основных носителей заряда через pn переход представляет собой диффузионный ток Iо, поток неосновных носителей – дрейфовый ток Iн. В состоянии равновесия токи Iо и Iн по абсолютному значению равны и результирующий ток через pn переход равен нулю.

При приложении к контакту напряжения такого знака, что на n-области имеется отрицательный потенциал, а на p-области – положительный, т.е. при приложении к pn переходу положительного потенциала (U>0, прямое смещение), энергия электронов в n-области увеличится, а в p-области уменьшится, диффузионный ток увеличится, дрейфовый останется неизменным. Результирующий ток через pn переход носит название прямого тока. Если же к n-области присоединен положительный полюс источника тока, а к p-области – отрицательный (U<0, обратное смещение), диффузионный ток уменьшается, дрейфовый останется неизменным. Результирующий ток называется обратным током.

Когда монохроматическое излучение падает на полупроводник вблизи pn перехода, в нем образуются новые пары электрон – дырка. Это приводит к возникновению дополнительной разности потенциалов, что в свою очередь приводит к эффекту прямого смещения и увеличению тока основных носителей (электронов в n-типе и дырок в p-типе).

Назначение, конструкции и принципы преобразования солнечной энергии в солнечных тепловых коллекторах [1, С. 52–58], [3, С. 91, 94–99], [4, С. 488–493]

Солнечный коллектор (гелиоприемник) – теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет энергии излучения Солнца. Область применения солнечных коллекторов – системы отопления жилых и производственных зданий, системы кондиционирования, горячего водоснабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом, работающие обычно по циклу Ренкина.

Достаточно широкое применение получили плоские солнечные коллекторы (рис. 4.1).

Коллектор представляет собой теплообменник, т.е. трубы, внутри которых протекает вода или какой-либо другой теплоноситель, передающий энергию, полученную от Солнца, потребителю. Поглощающая поверхность теплообменника, обращенная к Солнцу, обычно окрашивается черной матовой краской, которая обеспечивает наибольшее поглощение солнечной радиации. Теплообменник заключен в хорошо теплоизолированный металлический или пластиковый короб, уменьшающий потери теплоты теплопроводностью. С целью уменьшения потерь теплоты от теплообменника за счет излучения и конвекции короб накрывается одним или двумя стеклами. Стекло свободно пропускает большинство волн в видимой части спектра (большая часть спектра излучения Солнца), но инфракрасные лучи (область длин волн собственного теплового излучения поверхности) оно поглощает или отражает обратно внутрь. При этом потери теплоты излучением от поверхности теплообменника существенно уменьшаются. Однако, поглощая инфракрасное излучение, стекло нагревается и само начинает излучать. Таким образом, энергия все-таки теряется.

Для устранения этого недостатка необходимо, чтобы поверхность хорошо поглощала коротковолновое излучение и хорошо отражала длинноволновое, т.е. обладала селективными свойствами.

По избирательности оптических свойств различают четыре группы селективных покрытий:

  1.  собственные;
  2.  двухслойные, у которых верхний слой обладает большим коэффициентом поглощения в видимой области спектра и малым в инфракрасной области, а нижний слой – высоким коэффициентом отражения в инфракрасной области;
  3.  с микрорельефом, обеспечивающим требуемый эффект;
  4.   интерференционные.

Собственной избирательностью оптических свойств обладает небольшое количество материалов: вольфрам (W), сульфид меди (Cu2S), карбид гафния (HfC).

Наибольшее распространение получили двухслойные селективные покрытия. На поверхность, которой необходимо придать селективные свойства, наносится слой с большим коэффициентом отражения в длинноволновой области спектра, например медь, никель, молибден, серебро, алюминий. Поверх этого слоя наносится слой, прозрачный для излучения в длинноволновой области спектра, но имеющий высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной области спектра. Такими свойствами обладают многие оксиды.

Селективность поверхности может быть обеспечена за счет чисто геометрических факторов: неровности поверхности должны быть больше длины волны света в видимой и ближней инфракрасной области спектра и меньше длины волны, соответствующей собственному тепловому излучению поверхности. Такая поверхность для первой из указанных областей спектра будет черной, а для второй – зеркальной. [Селективными свойствами обладают поверхности с дендритной (дендритная структура [dendritic (arborescent, pine-tree) structure] — макро- и Микроструктура литых металлов или сплавов, отдельные зерна к-рых — дендриты, т.е. выросшие из расплава кристаллиты с древовидным строением) или пористой структурой при соответствующих размерах дендритных игл или пор].

Интерференционные селективные поверхности образованы несколькими перемежающимися слоями металла и диэлектрика, в которых коротковолновое излучение гасится за счет интерференции, а длинноволновое – свободно отражается.

Селективные покрытия дают возможность повысить температуру теплоносителя на несколько десятков градусов (нагрев теплоносителя до 100 °С). Однако технология нанесения селективных многослойных покрытий сложна, что удорожает установку.

Плоские коллекторы устанавливают жестко, ориентируя их, как правило, на юг (в северном полушарии) и выбирая оптимальный угол наклона к горизонту в зависимости от назначения установки. Если установка применяется для отопления, коллектор устанавливается под углом к горизонту, превышающем на 10…15 ° широту местности. Если наибольшую производительность установка должна иметь летом, угол выбирается на 10…15 ° меньше широты местности.

Плоские солнечные коллекторы экономически целесообразно применять в районах земного шара, лежащих между 40 ° северной и южной широт. В этом случае они позволяют экономить     60 % и более топлива, затрачиваемого на отопление и горячее водоснабжение объекта.

Температура теплоносителя в рассмотренных гелиосистемах редко превышает 100 °С. Более высокую температуру теплоносителя можно получить, используя концентраторы солнечной энергии. Концентраторы представляют собой параболоцилиндрические или плоские зеркала, направляющие солнечные лучи на коллектор, заполненный теплоносителем. Концентраторы направляют излучение, поступающее внутри широкого угла, на небольшую собирающую поверхность, тем самым увеличивая плотность солнечной радиации на поверхности, поглощающей энергию.

Также для нагрева теплоносителя до температур свыше 100 °С могут быть использованы гелиостаты – устройства, состоящие из системы зеркал, закрепленных на общей опорной конструкции, и имеющие систему слежения за Солнцем, которая обеспечивает постоянное отражение солнечных лучей на центральный приемник. Такие системы носят название активных тепловых солнечных систем. В простейшем случае гелиостаты должны поворачиваться хотя бы вокруг одной оси и концентрировать при этом солнечные лучи на теплоприемнике.

Например, параболоцилиндрический концентратор, имеющий одну степень свободы, концентрируя солнечное излучение на плоском или трубчатом теплообменнике, зачерненном снаружи, позволяет на поверхности теплообменника достичь температуры ~ 300 °С. Если в такой теплообменник направлять воду, то в нем можно сгенерировать пар, который может быть использован для привода электрогенератора или других механизмов.

Более сложными являются крупные параболические зеркала – концентраторы с двумя степенями свободы, фокусирующие солнечные лучи в одной точке (рис. 4.2). В таких концентраторах температура нагреваемого объекта поднимается выше 1000 °С.

В концентраторе имеют место следующие потери теплоты: потери на излучение; конвективные потери; потери за счет теплопроводности; неполнота поглощения; потери за счет формы приемника; потери на отражение.

Литература

  1.  Баранов, Н.Н. Нетрадиционные источники и методы преобразования энергии: учебное пособие для вузов / Н.Н. Баранов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 384 с.
  2.  https://ru.wikipedia.org/wiki/%DD%EA%EB%E8%EF%F2%E8%EA%E0
  3.  Сибикин, Ю.Д. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учебное издание / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. – М.: ИП РадиоСофт, 2008. – 228 с.
  4.  Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. ред. чл.-корр. РАН А.В. Клименко и проф. В.М. Зорина. – 3-е изд., перераб и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 564 с. – (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн. 2).

6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13097. Современный этикет. Классный час 58 KB
  Классный час на тему Современный этикет Цели усвоить основные этические требования в поведении и общении с людьми овладеть навыками культурного поведения. Сегодня мы поговори...
13098. Дружба и отношения между мальчиками и девочками. Классный час 32.5 KB
  Классный час на тему Дружба и отношения между мальчиками и девочками Цель: создавать условия для эмоционального роста детей; углубить представления о гендерном равенстве. Задачи: раскрыть значение понятий мужское дело и женское дело; развивать кул
13099. Классный час на тему «Приключение по стране рассказов Н.Н. Носова» 37.79 KB
  Классный час на тему Приключение по стране рассказов Н.Н. Носова. Тема: Приключение по стране рассказов Н.Н. Носова. Цель занятия: в игровой форме провести ознакомление и повторение произведений Н.Н. Носова. Участники: класс Продолжительность: 45 минут ...
13100. Классный час на тему «Что значит быть настоящим другом?» 51.5 KB
  Классный час на тему Что значит быть настоящим другом. 4й класс Цель: помочь детям разобраться в том каким должен быть настоящий друг. Задачи: определить важные для дружбы нравственные качества и содействовать их формированию; провести самооценку учащимися
13101. Сабақтың тақырыбы: БАЛА АБАЙ. 80.5 KB
  7 Ана тілі 2сынып Сабақтың тақырыбы: БАЛА АБАЙ. Сабақтың мақсаты: 1. Оқушыларды қазақтың классик ақыны Абай Құнанбаевтың өмірімен толығырақ таныстыру. 2. Мәтіндегі негізгі идеяны ұғындыру. 3. Әр түрлі ой дамыту стратегиялары арқылы өздік жұмыс і
13102. Сабақтың тақырыбы: ҚАНАҒАТ ҚАРЫН ТОЙҒЫЗАР (ел аузынан) 76.5 KB
  8 Ана тілі 3сынып Сабақтың тақырыбы: қанағат қарын тойғызар ел аузынан. Сабақтың мақсаты: 1. Тақырыптың идеясын ашу қанағатшыл шыдамды болуға үйрету. 2. Өтілген сабақ пен жаңа сабақты байланыстыру арқылы шығармашылық ойлау қабілетін дамыту...
13103. Сабақтың тақырыбы: ЕР ТАРҒЫН 47.5 KB
  4 Ана тілі 4сынып Сабақтың тақырыбы: ЕР ТАРҒЫН Сабақтың мақсаты: Батырлар жыры туралы оқушыларға жанжақты түсінік беру. Елін қорғау Отанын халқын сүю батырлар жырының басты қасиеттері екендігін оқушыларға ұғындыру. Ер Тарғынның ...
13104. Сыныптарға арналған «Соңғы қоңырау» салтанатты жиынының сценарийі 59.5 KB
  11 сыныптарға арналған Соңғы қоңырау салтанатты жиынының сценарийі. 2008 жыл. Фанфары Жүргізушілер шығады: Медетов М.О. және Құдайбергенова Шұғыла. Мият: Армысыздар ұстаздар оқушылар Қош бол алтын ұя мектебім атты салатанатты жиынға жиналған қауым.
13105. 1917-1941 ж.ж.кеңес мектебі мен педагогикасы 83.5 KB
  1917-1941 ж.ж.кеңес мектебі мен педагогикасы. Мектептің революциялық қайта құрылуы және алғашқы қадамдары. Халық ағарту ісінің барлық жүйесін қайта құру революцияның алғашқы күндерінен басталады. 1917 жылы 9 қарашадағы декрет бойынша Ағарту ісінің мемлекеттік комисс...