Quyosh energiyasini konversiyalashning fizik asoslari

.1 Quyosh nurlanishining intensivligi

Quyosh nurlanishining energiya manbai Quyoshdagi termoyadro reaktsiyasidir. Bu energiyaning asosiy qismi elektromagnit nurlanish shaklida 0,2-3 mikron oralig'ida chiqariladi. Quyosh nuri atmosferadan oʻtayotganda, asosan, infraqizil nurlanishni suv bugʻining, ultrabinafsha nurlanishining ozonning yutilishi, nurlanishning gaz molekulalari va havodagi chang zarralari va aerozollar tomonidan tarqalishi tufayli zaiflashadi. Atmosferaning yer yuzasiga yetib kelayotgan quyosh nurlanishining intensivligi va spektral tarkibiga ta'sirini aks ettiruvchi parametr atmosfera massasi (AM) hisoblanadi. AM 0 nol havo massasida nurlanish intensivligi Ec=1360 Vt/m2 ga teng. AM 1 qiymati quyosh radiatsiyasining bulutsiz atmosfera orqali Quyoshning zenital holatida dengiz sathigacha o'tishiga to'g'ri keladi. Kunning istalgan vaqtida er yuzasining istalgan darajasi uchun havo massasi formula bo'yicha aniqlanadi

,

atmosfera bosimi qayerda , Pa.

- normal atmosfera bosimi (1,013 105 Pa);
th - Quyoshning ufqdan balandligi burchagi.
th=42 °) qiymatidir . Quyosh nurlanishining integral sirt zichligida standart sifatida qabul qilinadi Ec=835 Vt/m2, bu turli xil quyosh batareyalari va quyosh energiyasidan foydalanadigan boshqa qurilmalarni o'rganish natijalarini solishtirishni ta'minlash uchun zarur.
.2 Quyosh energiyasini konversiyalash

Quyosh radiatsiyasi universaldir - issiqlik shaklida (issiqlik ta'minoti, tuzsizlantirish, quritgichlar va boshqalar) to'g'ridan-to'g'ri foydalanishdan tashqari, uni ishlatishning ko'plab usullari mavjud. Quyosh nurlanishining energiyasi tabiatda bo'lgani kabi o'simliklar va fotosintez yordamida to'plangan boshqa energiya turlariga, masalan, elektr energiyasiga aylanishi mumkin.[6]

1.1-jadval

Quyosh energiyasini konvertatsiya qilish usullari

Quyosh radiatsiyasini issiqlik shaklida qo'llash	Quyosh nurlarini elektr va mexanik energiyaga aylantirish
Quyosh qurilmalari (quyosh kollektorlari): Issiqlik va maishiy issiq suv ta'minoti uchun suvni isitish Tuzsizlantirish Har xil quritgichlar va evaporatorlar Konsentratorli quyosh issiqlik qurilmalari: Quyosh pechlari, quyosh texnologik isitish qurilmalari, quyosh oshxonalari	Termoelektr generatorlar: Termion emissiya Termoelementlar (termojuftlar) Fotoelektr generatorlar: Fotoelektron emissiya Yarimo'tkazgich elementlari Fotokimyo va fotobiologiya: Fotoliz (fotodissosiatsiya) Fotosintez

Quyosh energiyasini aylantirishning ko'plab usullariga qaramay, faqat yorug'likning issiqlik effekti va fotovoltaik generatorlar yordamida elektr energiyasiga aylanishi keng qo'llaniladi.

.3Quyosh radiatsiyasini issiqlikka aylantirishning fizik asoslari

Ma'lumki, ob'ektlar quyoshda qiziydi. Quyosh energiyasi to'g'ridan-to'g'ri uylarni isitish yoki ovqat pishirish uchun yoki bilvosita elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin.

K.P.D. quyosh radiatsiyasini konvertatsiya qilish
Mumkin bo'lgan maksimal samaradorlik masalasi juda muhim. quyosh energiyasini boshqa shakllarga termodinamik aylantirish.
Ma'lumki, maksimal mumkin bo'lgan samaradorlik. termodinamik Karno sikliga ega:

Samaradorlik = (Tnagr-Thol) / Tnagr.

Yerdagi normal sharoitda sovutgichning harorati taxminan o'rtacha atrof-muhit haroratiga to'g'ri keladi, ya'ni taxminan 300-350 K (23-73 ° S). Shuning uchun, isitgichning haroratining oshishi energiya konvertatsiya qilish samaradorligini oshirishga olib keladi.

Boshqa tomondan, Quyoshning nurlanish yuzasi taxminan 6000K haroratga ega. Bu isitgichning mumkin bo'lgan maksimal harorati bo'ladi.
Keyin ideal samaradorlik Yer sharoitida quyosh nurlanishini boshqa turlarga aylantirish (6000-300)/6000=0,95 dan oshmasligi kerak.
Shuni alohida ta'kidlash kerakki, har qanday konversiya usuli, shu jumladan fotoelektrik ham, Karno siklidan yuqori samaradorlikka ega bo'lolmaydi [7].
Quyosh nurlanishining turli qabul qiluvchilarining muvozanat haroratini oshirish imkoniyati.
tekis kollektorlar.
Issiqlik konvertatsiyasi uchun ko'plab qurilmalar kollektorlar deb ataladigan - quyosh nurlanishini qabul qiluvchilar (1.1-rasm) Shaffof qoplama issiqlik o'tkazuvchanligi va konveksiya tufayli kollektordan issiqlikni olib tashlashni zaiflashtiradi.

1.1-rasm. Yassi quyosh kollektorlari.

Agar qo'shimcha issiqlik yo'qotishlari to'liq bartaraf etilsa, u holda kollektordan atrof-muhitga qayta tiklanish tufayli faqat issiqlik yo'qotishlari qoladi. Quyoshdan keladigan nurlanishning kirishi isitish vaqtida o'sib borayotgan kollektorning termal nurlanishiga teng bo'lsa, muvozanat va natijada muvozanat harorati olinadi.

P orqali quyosh nurlanishining intensivligini va bu turdagi nurlanish uchun plastinkaning yutilish qobiliyatini a s orqali belgilaymiz. Quyosh nurlanishi ta'sirida plastinka muvozanat harorati T ga yetguncha qiziydi. Bu haroratda hodisa va chiqarilgan nurlanishning intensivligi teng bo'ladi, bu esa tenglikni yozishga imkon beradi.

a bilan R = es T4

bu erda e - past haroratlarda plastinkaning emissiyasi.

Keyin tenglamadan muvozanat harorati T ni olamiz



Shubhasiz, muvozanat harorati qanchalik yuqori bo'lsa, a s/ e nisbati shunchalik katta bo'ladi. 1.2-jadvalga ko'ra [26], bu nisbat ba'zan, xususan, sayqallangan metallar uchun 2-3 qiymatga etadi, lekin ko'pincha u ancha past bo'ladi. Biroq, parlatilgan metallar past singdiruvchanligi tufayli quyosh nurlari kollektorlarini ishlab chiqarish uchun yaroqsiz. Bunday maqsadlar uchun odatda yuqori assimilyatsiya qobiliyatiga ega materiallar tanlanadi, ular uchun a c / e nisbati 1 ga yaqin.
Bunday materiallar neytral absorberlar deb ataladi.
P = 800 Vt/m2 (tropiklarda yozgi quyosh nurlanishining odatiy intensivligi) deb faraz qilsak, tenglamadan 343 K (70 ° C) muvozanat harorati qiymatini topamiz. Bu qiymat haqiqatan ham tropik quyosh ostida uzoq vaqt davomida joylashtirilgan qora plastinkaning haqiqiy haroratiga yaqin. Bunday absorberli issiqlik dvigatelining samaradorligi (343-300) / 343 \u003d 0,125 dan oshmaydi.
selektiv absorberlar. Odatda, bunday absorber nikel yoki mis oksidlarining nozik qorong'i plyonkasi bilan qoplangan sayqallangan metall sirtdir. Qisqa to'lqinli mintaqada (quyosh nurlanishining spektral maksimali joylashgan) uning yutilish qobiliyati ancha yuqori, taxminan 0,9. Juda nozik qoplama bilan bunday absorber to'lqin uzunligi qalinligidan oshib ketadigan radiatsiya uchun shaffofdir.

1.2-jadval.

Moddalarning radiatsion xarakteristikalari

Material	Tana harorati yoki radiatsiya manbai
	20-100 ° S			5000°C
	p	a	e	p	a
Sayqallangan metallar Oksidlangan metallar Oq yaltiroq qoplama Qora matli qoplama Alyuminiy qoplama Beton plitkali tom Shisha	0,9 0,2 0,1 0,05 0,5 0,1 0,1 0,1	0,1 0,8 0,9 0,95 0,5 0,9 0,9 0,9	0,1 0,8 0,9 0,95 0,5 0,9 0,9 0,9	0,7 0,8 0,8 0,1 0,8 0,4 0,2 0,1	0,3 0,2 0,2 0,9 0,2 0,6 0,8 0,0

Keyin uning spektrning uzun to'lqinli qismida (spektr maksimali kollektor haroratida qora tanada joylashgan) yorqin metalldan yuqori bo'lmasligi kerak, ya'ni taxminan 0,1 ga teng. Bunday holda, muvozanat harorati selektiv bo'lmagan qoplamadan yuqori bo'ladi, chunki emissiya / yutilish balansi faqat yuqori haroratda mumkin. a c/ e nisbati 9 ga yaqin bo'lgan bunday selektiv absorberning muvozanat harorati yuqorida ko'rib chiqilgan sharoitlarda 427 K yoki 1540C gacha ko'tarilishi kerak. Bunday absorberli issiqlik dvigatelining samaradorligi (454-300) / 454 = 0,339 dan oshmaydi.

Quyosh kontsentratorlari
Absorberning muvozanat haroratining yanada oshishiga, agar quyosh nurlanishining energiyasi ko'zgular yordamida unga to'plangan bo'lsa, erishish mumkin. Shaklda. 1.2. sxematik tarzda tekis nometallga ega bu eng oddiy qurilmalardan birini ko'rsatadi. Shubhasiz, to'liq aks ettiruvchi oyna tizimidan foydalanganda, absorber nurlanish intensivligi ko'zgularning umumiy nurlangan yuzasining absorber yuzasiga nisbatiga mutanosib ravishda ortadi.
Bu ko'rsatkich konsentratsiya koeffitsienti K deyiladi.
Ko'zgular shunday o'rnatiladiki, barcha tushayotgan nurlar absorber yuzasiga yo'naltiriladi. Agar shaklda ko'rsatilganidek, kvadrat shaklidagi absorber taqdim etilsa. 1.2, bir xil o'lchamdagi to'rtta nometall bilan (bu qurilmaning joylashishini va yig'ilishini osonlashtiradi), b = 60 ° burchak ostida o'rnatiladi, keyin bu holda konsentratsiya koeffitsienti 3 ga teng.
Amalda, bunday dizaynning barcha afzalliklarini amalga oshirish mumkin emas, chunki ko'zgularning aks ettirish qobiliyati 100% dan kam bo'ladi va kichik burchak burchaklarida absorberning assimilyatsiya qilish qobiliyati pasayadi. Shunga qaramay, K qiymati, qoida tariqasida, 2 dan past emas. Bunday sharoitlarda, ko'rib chiqilayotgan turdagi oyna reflektorlari bo'lgan tekis quyosh kollektorining muvozanat harorati 180 ° C (neytral absorber uchun) va 332 ° C ga etadi. (selektiv absorber uchun). Shuni ta'kidlash kerakki, bu holda quyosh nurlanishining faqat to'g'ridan-to'g'ri komponenti reflektorlar yordamida kuchaytiriladi, chunki tarqoq komponentni konsentratsiyalash mumkin emas, ammo past konsentratsiyali omillarda tarqalgan nurlanishning bir qismi foydali bo'ladi.



Guruch. 1.2. Yassi nometall yordamida quyosh nurlanishining kontsentratsiyasi.

Eng ilg'or dizaynda parabolik kontsentrator mavjud bo'lib, u rasmda ko'rsatilgandek quyosh nurlarini yo'naltiradi. 1.3. Natijada kontsentratsiya koeffitsienti sezilarli darajada oshadi.

1.3-rasm. Parabolik oyna yordamida quyosh nurlanishining kontsentratsiyasi.

Bir qarashda, bunday kontsentratorning markazida mutlaqo aql bovar qilmaydigan muvozanat haroratini olish mumkin bo'lib tuyuladi, ammo amalda bunga quyosh nurlarining parallel bo'lmaganligi to'sqinlik qiladi.

Agar tekis oynali reflektor uchun bunday holat ahamiyatli bo'lmasa, parabolik kontsentratorda u kontsentratsiya koeffitsientining qiymatini cheklaydi. Nurlarning parallel emasligi tufayli ularning energiyasi aniq fokusda (nuqtada) emas, balki uning atrofidagi ma'lum bir sohada to'planadi. Shaklda. 1.3 quyosh diskining qarama-qarshi qirralaridan chiqadigan va A va B nuqtalariga tushadigan nurlarning traektoriyalarini ko'rsatadi.
Shuning uchun maksimal energiya miqdorini olish uchun nurlangan jism kontsentratordan aks ettirilgan barcha nurlarni qabul qilish uchun etarlicha katta bo'lishi kerak. Bundan tashqari, kontsentratorning ko'zgu yuzasining optik xususiyatlarining yomonlashishi va quyosh energiyasini qabul qiluvchining o'lchamlari oshishi bilan K ning samarali qiymati kamayadi va natijada muvozanat harorati,
Ko'zgularning o'rtacha sifati va aks ettirilgan nurlanishni etarlicha to'liq idrok etadigan qabul qiluvchilardan foydalanish bilan K odatda 10 000 dan oshmaydi Bunday kollektor uchun muvozanat harorati taxminan 1930 K (1660 ° S) .
Quyosh nurlarini yutish moslamasining maksimal mumkin bo'lgan muvozanat haroratiga kelsak, u tabiiy ravishda quyoshning radiatsiya yuzasining harorati - 6000K dan yuqori bo'lishi mumkin emas, ammo bunday yuqori haroratga erishish deyarli mumkin emas.
Boshqa turdagi absorberlar
An'anaviy tekis plitali kollektorlar va kontsentratorli kollektorlardan tashqari, quyosh kollektorlarining boshqa dizaynlari mavjud, masalan, quyosh hovuzi. Bunday qurilmada absorber to'g'ridan-to'g'ri suv havzasi bo'lib, agar kerak bo'lsa, qo'shimcha qoplama bilan jihozlanishi mumkin. Quyosh radiatsiyasi ta'sirida suvning harorati energiya fotonlarining suv tomonidan to'g'ridan-to'g'ri yutilishi tufayli ham, radiatsiya va suvni yutuvchi hovuz tubi o'rtasidagi issiqlik almashinuvi tufayli ham ko'tariladi.
An'anaviy hovuzda, qizdirilganda, suv kengayadi va isitiladigan engilroq qatlamlar ko'tariladi, suv tezda bug'lanadi va suv zaif qiziydi. Oddiy kino qoplamasining mavjudligi vaziyatni yaxshilaydi, lekin faqat bir oz, chunki suv va plyonka o'rtasidagi bug'lanish-kondensatsiya issiqlik uzatish juda samarali.
Biroq, havzadagi suv konvektsiyasi bostirilsa, vaziyat keskin yaxshilanadi. Buning uchun hovuz tubida erimagan tuzning boʻlishini talab qiladi, chunki harorat koʻtarilgan sari tuzning suvda eruvchanligi oshadi va harorat yuqori boʻlishiga qaramay, pastki qismidagi suv qatlamlarining zichligi yuqoridagiga qaraganda koʻproq boʻladi va konveksiya. yo'qoladi.
Bunday hovuz qopqoqsiz yaxshi ishlashi mumkin. Tajriba natijalari shuni ko'rsatdiki, bunday hovuzlardagi muvozanat harorati 100 ° S ga yetishi mumkin.
Oddiylik uchun, biz bunday hovuzni yassi kollektorga o'xshash deb taxmin qilishimiz mumkin, uning xossalari bo'yicha absorber ilgari ko'rib chiqilgan neytral va selektiv absorberlar o'rtasida qandaydir oraliq pozitsiyani egallaydi.
Tabiiy sho'r suvli qurg'oqchil va cho'l hududlarida quyosh hovuzlari boshqa turdagi kollektorlarga nisbatan bir qator afzalliklarga ega. Bular katta miqdorda quyosh energiyasini eng arzon qabul qiluvchilar; suvning yuqori issiqlik sig'imi tufayli ular bir necha kun davomida ichki energiyani saqlash qobiliyatiga ega va turli texnik qiyinchiliklarga qaramay, quyosh hovuzlari tobora ko'proq foydalanilmoqda.
Termal qabul qiluvchilarning ish harorati va konvertorlarning real samaradorligi
Quyosh qabul qiluvchining haqiqiy ish harorati
Yuqorida hisoblangan muvozanat harorati faqat maksimal bahoni beradi.
Issiqlik qabul qiluvchilarning haqiqiy ish harorati haqiqiy issiqlik balansidan aniqlanishi kerak va qoida tariqasida, u muvozanat haroratidan ancha past bo'ladi.
Haqiqiy o'rnatishda issiqlik balansining eng muhim qismi foydali issiqlikdir. Radiatsiya konvertori uchun bu issiqlik yo'qotish turlaridan biridir.
Shunday qilib, haqiqiy ish harorati nafaqat "parazit" yo'qotishlarni (teskari nurlanish, konveksiya yo'qotishlari va boshqalar), balki foydali issiqlikni hisobga olgan holda belgilanadigan muvozanat haroratidir.
Binobarin, ishlatiladigan foydali issiqlik ulushining ortishi bilan ish harorati pasayadi, atrof-muhit haroratiga va issiqlik samaradorligiga moyil bo'ladi. ortib bormoqda.
Issiqlik samaradorligi quyosh qabul qiluvchi
Foydali issiqlikning quyosh issiqligiga nisbati sifatida aniqlangan issiqlik samaradorligi quyosh qabul qilgichdan maksimal issiqlikni olish sharti bilan maksimal bo'ladi va o'rnatishning bo'sh ishlashida nolga teng bo'ladi.
Termodinamik quyosh nurlanishini o'zgartiruvchining optimal ish harorati
Termodinamik quyosh radiatsiyasi konvertori quyosh qabul qiluvchining foydali issiqligini samaradorlikka aylantiradi. Haqiqiy ish haroratiga teng bo'lgan isitgichning harorati bilan Carnot tsiklining samaradorligidan ortiq emas. Ushbu ikkita eng muhim parametrning o'zaro bog'liqligi o'rnatish tomonidan aylantirilgan quvvatning ma'lum bir ish haroratida maksimal darajaga ega bo'lishiga olib keladi.

.4 Quyosh nurlanish spektri

1.4-rasmda. Atmosferadan tashqari (AM 0) va yerga asoslangan standartlashtirilgan (AM 1,5) quyosh nurlanishining foton oqimining spektral taqsimoti nurlarning qabul qiluvchi hududga perpendikulyar tushishi uchun berilgan.[3]

Guruch. 1.4. Quyosh nurlanishining foton oqimining spektral taqsimoti:
- atmosferadan tashqari radiatsiya (AM 0); 2 - yerning standartlashtirilgan nurlanishi (AM1,5); 3 - T c = 5800K da butunlay qora jismning nurlanish spektri .

Inset kremniy fotosellari tomonidan foydali ishlatiladigan fotonlarning ulushini ko'rsatadi.

Fotonlarning energiyasi, eV (eV -elektronvolt - potentsial farqi 1 V bo'lgan ikki nuqta o'rtasida elektronni harakatlantirish uchun bajarilishi kerak bo'lgan energiya. 1 eV = 1,6 10-19 J), to'lqin uzunligi bilan nurlanishda dan aniqlanadi. munosabat :


,

bu yerda h - Plank doimiysi, 6,626196(50) 10-34 J s; c - yorug'lik tezligi, to'lqin uzunligi, mkm.

To'lqin uzunligini cheklash, undan boshlab fotonlar tarmoqli bo'shliqqa ega bo'lgan quyosh xujayrasi materialida so'riladi.


.

Uzunroq to'lqin uzunlikdagi nurlanish yarimo'tkazgichda so'rilmaydi va shuning uchun fotoelektrik konversiya nuqtai nazaridan foydasizdir.

Tarmoq oralig'i energiya darajasining yo'qligi bilan tavsiflanadi va turli materiallar uchun kenglikda farqlanadi.

.5 Fotovoltaik konversiyaning fizik asoslari