Особенность солнечного излучения, как источника энергии для фотоэлектрических преобразователей

Аннотация

Проведен обзор литературных источников по оптоэлектронике, для определения особенностей солнечного излучения, в качестве источника энергии в фотоэлектрических преобразователях.

Общая постановка проблемы

Механизм преобразования солнечного света в электричество отличается от других способов получения электричества [1]. При любом способе производства электричества необходимо иметь электрические заряды и обеспечить механизм их разделения. А в фотовольтаическом элементе свободные носители образуются в результате облучения полупроводника солнечным светом, а разделяются под действием электрического поля, которое возникает внутри солнечного элемента.

В связи с вышесказанным, целью настоящей работы является литературный обзор для определения особенности солнечного излучения, в качестве источника энергии в фотоэлектрических преобразователях.

Основная часть

Излучение Солнца является один из главных источников энергии на Земле. Солнце поставляет 99 % всей энергии нашей планеты, а остальная энергия является геотермальной. Мощность энергии, излучаемой Солнцем, составляет приблизительно 63 MВт с каждого квадратного метра, а всего излучается около 3,72·10²⁰ MВт [2]. При среднем расстоянии от Земли до Солнца, которое составляет 150 миллионов км, плотность энергии солнечного излучения, которое доходит до атмосферы Земли, составляет около 1,367 кВт/м². Эту величину принято называть солнечной постоянной.

Солнечный спектр делят на три области: 1. ультрафиолетовая область с длиной волны менее 390 нм, на которую приходится 9 % от всей излучаемой энергии; 2. видимая область с длиной волны от 390 нм до 760 нм, на которую приходятся 47 % всей энергии; 3. инфракрасная область с длиной волны более 760 нм, на которую приходится 44 % излучаемой энергии [3].

Спектр солнечного излучения претерпевает существенные потери при прохождении атмосферы нашей планеты. Проходя через атмосферу солнечный свет ослабляется под действием паров воды, которые способны поглощать инфракрасный спектр излучения, поглощение ультрафиолетового излучения происходит при помощи озона и находящимися в воздухе частицами пыли, и аэрозолями[4].

Спектральный состав и плотность потока солнечного излучения у поверхности Земли меняются в зависимости от длины оптического пути световых лучей в атмосфере. Длина этого пути характеризуется величиной, которая называется оптической атмосферной массой, которая связана с углом υ (угол высоты Солнца над горизонтом) формулой [5]:

Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, определяется атмосферной массой (АМ) [4]. Атмосферная масса для любого уровня земной поверхности в любой момент дня можно определить по формуле [6]:

где y – атмосферное давление, y₀ – нормальное атмосферное давление (101.3 кПа), υ – угол высоты Солнца над горизонтом земного шара.

Спектр АМ0 определяет работу солнечных батарей на космических аппаратах, где полная мощность излучения равна 1367 Вт/м². Спектр АМ1 соответствует солнечному излучению на поверхности Земли, когда Солнце стоит в зените; при этом интенсивность излучения составляет приблизительно 1040 Вт/м². Спектр АМ1.5 соответствует солнечному излучению на поверхности Земли, когда угол Солнца υ = 48,2°. Интенсивность излучения при АМ1.5 равна 930 Вт/м². Зависимость спектральной интенсивности солнечного излучения АМ1.5 и АМ0 от длины волны показан на рисунке 1. АМ2 реализуется при угле υ = 60°. В этом случае интенсивность излучения равна 840 Вт/м² [6]. Плотность потока солнечного излучения принимается равной 835 Вт/м², что является средней интенсивностью излучения на Земле.

В средних широтах поток солнечной энергии на поверхности Земли варьируется в течение дня от восхода до полудня от 32,88 Вт/м² до 1233 Вт/м² в ясный день и от 19,2 мкВт/м² до 822 Вт/м² в пасмурный день.

На рисунке 2 приведена зависимость спектральной интенсивности солнечного излучения, измеренной в Вт/см^-2·мкм^-1 от длины волны, измеренной в микронах, которые были получены Джонсоном [7].

Выводы

Таким образом, в статье рассмотрены особенности использования солнечного излучения в качестве источника энергии в фотоэлектрических преобразователях.

Список использованной литературы

1. Мирющенко Н. И., Константинов И. С. Перспектива развития возобновляемых источников энергии и их роль в современной энергетике//Проблемы, перспективы и направления инновационного развития науки. – 2016. – Т.2 – С.10–14.
2. Мирющенко Н. И. Моделирование световых вольт-амперных характеристик однопереходного фотоэлектрического преобразователя//Наука сегодня. – 2015. – Т.1 – С.10–14.
3. Мирющенко Н. И. Исследование влияния шунтирующего сопротивления и плотности тока насыщения на характеристики солнечного элемента// Фундаментальные и прикладные научные исследования. – 2015. – Т.3 – с. 19–22.
4. Мирющенко Н. И. Расчет скорости генерации носителей заряда в кремниевом p – n – переходе при воздействии солнечного излучения АМ1.5// Инновационные исследования: проблемы внедрения результатов и направления развития. – 2016. Т.1. С. 66–70.
5. Мирющенко Н. И. Перспектива развития тонкопленочных солнечных элементов// Инновационные технологии нового тысячелетия. – 2016. С. 11–13.
6. Мирющенко Н. И., Константинов И. С. Сравнение светопоглащающих материалов для создания фотопреобразователей// Наука, образование и инновации. – 2016. С. 5–8.
7. Мирющенко Н. И. Солнечные элементы повышенной эффективности с тянущим полем// Управление инновациями в современной науке. – 2016. С. 20–22.