Солнечная энергетика: физические основы

Солнечная энергия представляет собой электромагнитное излучение, исходящее от поверхности Солнца. В спектре солнечного излучения значительную часть составляет видимый свет, а также ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. На верхней границе атмосферы мощность потока солнечного излучения достигает в среднем около 1361 Вт/м² (солнечная постоянная). Однако на поверхность Земли доходит меньшее количество энергии вследствие процессов отражения, рассеяния и поглощения в атмосфере.

Ключевым физическим процессом в солнечной энергетике является преобразование электромагнитной энергии в тепловую или электрическую. Наиболее распространёнными методами являются:

  • фототермическое преобразование – использование поглощённого излучения для нагрева;
  • фотоэлектрическое преобразование – генерация электрического тока в полупроводниковых структурах.

Спектральные характеристики солнечного излучения

Солнечный спектр близок к спектру абсолютно чёрного тела с температурой около 5778 К. Максимум интенсивности приходится на область видимого диапазона (около 0,5 мкм).

При прохождении через атмосферу спектральный состав изменяется:

  • в ультрафиолетовом диапазоне заметна сильная абсорбция озоном;
  • в инфракрасном диапазоне значительную роль играет поглощение водяным паром и углекислым газом;
  • видимая часть спектра доходит до поверхности относительно слабо искажённой.

Таким образом, на земной поверхности плотность потока солнечной энергии в ясный день может составлять около 1000 Вт/м².

Фотоэлектрический эффект и солнечные элементы

Прямое преобразование света в электричество основано на внешнем фотоэффекте, открытом Г. Герцем и объяснённом А. Эйнштейном. Суть явления состоит в том, что фотон с энергией E = hν при взаимодействии с веществом способен выбить электрон, если его энергия превышает работу выхода материала.

В полупроводниковых солнечных элементах реализуется несколько иной механизм: внутренний фотоэффект. При поглощении фотона с энергией выше ширины запрещённой зоны Eg в кристалле возникает пара электрон–дырка. Под действием внутреннего электрического поля p-n перехода эти носители разделяются и создают электрический ток.

Ключевые параметры солнечного элемента:

  • коэффициент полезного действия (КПД) – отношение мощности на выходе к мощности падающего света;
  • спектральная чувствительность – зависимость эффективности генерации от длины волны;
  • характеристики тока и напряжения – описываются вольт-амперной кривой.

Теоретический предел КПД для однослойного элемента (предел Шокли–Квайссера) составляет около 33% для ширины запрещённой зоны порядка 1,1–1,4 эВ.

Полупроводниковые материалы в солнечной энергетике

Наиболее распространённым материалом является кремний, обладающий оптимальной шириной запрещённой зоны (1,1 эВ) и развитой технологической базой. Выделяют:

  • монокристаллический кремний – высокоэффективные элементы с КПД до 25%;
  • поликристаллический кремний – более дешёвые, но менее эффективные (КПД 15–20%).

Альтернативные технологии:

  • тонкоплёночные элементы на основе теллурида кадмия (CdTe), медно-индиево-галлиево-селенидных соединений (CIGS) и аморфного кремния;
  • многоступенчатые элементы с использованием каскада полупроводников с различной шириной запрещённой зоны, что позволяет достигать КПД более 40%.

Тепловая солнечная энергетика

Другим направлением является преобразование солнечного излучения в тепловую энергию.

Физическая основа заключается в поглощении излучения материалами с низкой отражательной способностью и высокой теплоёмкостью. Для концентрации солнечных лучей применяют зеркальные и линзовые системы.

Основные типы установок:

  • плоские солнечные коллекторы – для нагрева воды или воздуха;
  • концентрирующие системы – параболические зеркала, линзы Френеля, башенные установки.

Здесь важны законы теплообмена:

  • поглощение (Q = αISt), где α – коэффициент поглощения;
  • излучение по закону Стефана–Больцмана;
  • конвекция и теплопередача.

Физические ограничения и эффективность

При использовании солнечной энергии учитываются:

  • угол падения излучения – максимальная интенсивность достигается при перпендикулярном направлении;
  • географическая широта и сезонные колебания – определяют среднегодовую инсоляцию;
  • атмосферные явления – облачность, запылённость, влажность снижают поток излучения.

Для фотоэлектрических систем также важны внутренние физические процессы:

  • рекомбинация носителей заряда;
  • сопротивление контактов и проводников;
  • температура, снижающая КПД.

Экологический и энергетический аспект

С точки зрения физики окружающей среды, солнечная энергетика является возобновляемым источником с минимальным уровнем выбросов. Однако физические ограничения делают её переменным источником, зависящим от погодных условий. Это требует применения накопителей энергии и гибридных систем.

Солнечная энергия представляет собой пример практического применения фундаментальных физических законов – от квантовой теории света и полупроводниковой физики до термодинамики и законов теплопередачи.

Оглавление