La temperatura de la superficie del sol es tan alta como 6000 ℃, y las reacciones de fusión nuclear se llevan a cabo continuamente dentro del sol, y se emite una enorme energía al espacio en forma de radiación. ¿Cuáles son las características de la radiación solar, similar a la radiación del cuerpo negro, aproximadamente el 50% de la energía de la radiación solar está en el espectro visible (longitud de onda 0,4 ～ 0,76 micrones), el 7% está en el espectro ultravioleta (longitud de onda <0,4 micrones) y 43 % está en el espectro infrarrojo (longitud de onda)> 0,76 micrones), la energía máxima está en una longitud de onda de 0,475 micrones. Debido a que la longitud de onda de la radiación solar es mucho menor que la longitud de onda de la radiación terrestre y atmosférica (alrededor de 3 a 120 micrones), generalmente se le llama radiación solar como radiación de onda corta y radiación terrestre y atmosférica como radiación de onda larga. La energía solar radiante, también conocida como calor de la radiación solar, es una fuente de energía global fuera de la tierra. Se puede dividir aproximadamente en las siguientes partes: radiación solar directa, radiación dispersa en el cielo, radiación reflejada en la superficie, radiación terrestre de onda larga y Radiación atmosférica de onda larga.
Radiación solar directa
La radiación solar en el límite superior de la atmósfera se debilita en diversos grados debido a la absorción, dispersión y reflexión de moléculas atmosféricas y aerosoles y nubes en la atmósfera. En general, debido a que la atmósfera tiene una cierta selectividad a la radiación solar de diferentes longitudes de onda, y la banda de absorción generalmente se ubica en las regiones con menos energía en ambos extremos del espectro de radiación solar, la atmósfera debilita y debilita la radiación solar directa por absorción. No tan grande. En términos relativos, el efecto de dispersión de la atmósfera sobre la radiación solar es una de las principales razones del debilitamiento de la energía de la radiación solar. La llamada "ventana atmosférica" se crea debido al efecto selectivo de la atmósfera sobre las ondas electromagnéticas. La energía de la radiación solar directa que llega al suelo se puede calcular a partir de la ecuación de transmisión de la radiación atmosférica basada en el ángulo de altitud solar y los datos meteorológicos.
Radiación solar dispersa
Entre los diversos componentes espectrales de la radiación solar, su energía se dispersa en todas direcciones por moléculas de aire y aerosoles en la atmósfera, es decir, radiación dispersa. Es diferente de la absorción de energía radiante por el medio. Es imposible que cada partícula de la atmósfera convierta la energía radiante en su propia "energía interna", sino sólo cambiar la dirección de la radiación. La radiación dispersa está estrechamente relacionada con el tamaño de las partículas en la atmósfera, por lo que hay dispersión molecular y dispersión de grano grueso. La energía y la dirección de la dispersión también están estrechamente relacionadas con el tipo de dispersión.
Radiación solar total
La suma del valor de la radiación solar directa y el valor de la radiación dispersa en condiciones de cielo azul es la radiación solar total.
Los cambios en la actividad solar y la distancia entre el sol y la tierra provocarán cambios en la energía de la radiación solar del límite superior de la atmósfera terrestre. Se estima que la energía irradiada por el sol a la tierra cada tres días es equivalente a la suma de la energía de todos los combustibles fósiles de la tierra. La distribución de la radiación solar se ve afectada por muchos factores, como la latitud, la altitud, las condiciones climáticas y el tiempo de insolación, etc., que deben considerarse de manera integral. En términos generales, la radiación solar disminuye gradualmente desde latitudes bajas a latitudes altas. Las nubes son delgadas en áreas de gran altitud y el efecto de debilitamiento de la atmósfera sobre la radiación solar es débil y la radiación solar es fuerte, mientras que en áreas de baja altitud ocurre lo contrario. Hay pocas nubes en un día soleado, el efecto de debilitamiento de la atmósfera sobre la radiación solar es débil y la radiación solar es fuerte. En la misma zona, cuanto mayor es el tiempo de luz solar, más radiación solar recibe. Hay tres formas en que los seres humanos pueden utilizar la energía solar: conversión fototérmica, conversión fotoeléctrica y conversión fotoquímica.
Conversión fototérmica
La conversión de luz a calor consiste en recolectar energía solar de varios colectores y utilizar la energía térmica recolectada para servir a la humanidad.
La aplicación más extendida de la energía solar en los primeros días era calentar agua, y ahora hay millones de calentadores de agua solares en el mundo. El sistema de calentamiento solar de agua incluye principalmente tres partes: colector, dispositivo de almacenamiento y tubería de circulación.
El uso de energía solar para calefacción en invierno se ha utilizado durante muchos años en muchas regiones frías. Debido a que la temperatura en la zona gélida es muy baja en invierno, debe haber equipos de calefacción en el interior. Si desea ahorrar el consumo de energía fósil, puede intentar utilizar energía solar. La mayoría de los invernaderos solares utilizan sistemas de agua caliente y hay ejemplos de sistemas de aire caliente. El sistema de calefacción solar está compuesto por un colector solar, un dispositivo de almacenamiento térmico, un sistema de energía auxiliar y un sistema de ventilador de calefacción interior. El calor radiante solar es almacenado por el fluido de trabajo en el colector y luego calienta la habitación.
En la actualidad, Estados Unidos ha construido más de 1 millón de sistemas de calefacción solar activos y más de 250.000 casas solares pasivas que dependen del flujo natural de aire frío y caliente.
La conversión fotoeléctrica es la conversión de energía solar en energía eléctrica. Actualmente, la energía solar se utiliza para la generación de energía de dos formas: una es la generación de energía térmica, que consiste en utilizar primero un colector de calor para convertir la energía solar en energía térmica, y luego utilizar una turbina de vapor para convertir la energía térmica en energía eléctrica; la otra es la generación de energía fotovoltaica, que utiliza el efecto fotoeléctrico de los paneles solares y convierte la energía solar directamente en electricidad.
El principio de funcionamiento de la célula solar: las celdas solares son dispositivo que responde a la luz y puede convertir la energía luminosa en electricidad. Hay muchos tipos de materiales que pueden producir efecto fotovoltaico, tales como: silicio monocristalino, silicio policristalino, silicio amorfo, arseniuro de galio, selenio de cobre indio, etc. Sus principios de generación de energía son básicamente los mismos, tomando los cristales como ejemplo para describir el proceso de generación de energía fotovoltaica. El silicio cristalino de tipo P se puede dopar con fósforo para obtener silicio de tipo N, formando una unión P-N. Cuando la luz irradia la superficie de la célula solar, una parte de los fotones son absorbidos por el material de silicio; la energía de los fotones se transfiere a los átomos de silicio, lo que hace que los electrones experimenten una transición, convirtiéndose en electrones libres, reuniéndose a ambos lados de la superficie. la unión PN para formar una diferencia de potencial Cuando el circuito se enciende, bajo la acción de este voltaje, una corriente fluirá a través del circuito externo para producir una cierta potencia de salida. La esencia de este proceso es: el proceso de convertir la energía de los fotones en energía eléctrica La base de la conversión de energía de las células solares es el efecto fotovoltaico de la unión. Cuando la luz irradia la unión pn, se genera un par electrón-hueco. Los portadores generados cerca de la unión interna del semiconductor alcanzan la región de carga espacial sin recombinarse. Atraídos por el campo eléctrico incorporado, los electrones fluyen hacia la región ny los agujeros fluyen hacia el p Como resultado, hay un exceso de electrones en el área n y un exceso de agujeros en el área p. Forman un campo eléctrico fotogenerado que es opuesto a la dirección de la barrera cerca de la unión pn. Además de compensar parcialmente el efecto del campo eléctrico de barrera, el campo eléctrico fotogenerado también hace que la zona p esté cargada positivamente y la zona N cargada negativamente. Se genera una fuerza electromotriz en la capa delgada entre la zona N y la zona P -zona, que es el efecto fotovoltaico. En este momento, si el circuito externo está en cortocircuito, una fotocorriente que es proporcional a la energía de la luz incidente fluye en el circuito externo. Esta corriente se llama corriente de cortocircuito. Por otro lado, si ambos extremos de la unión PN se abren, los Agujeros fluyen hacia la zona N y la zona P respectivamente, de modo que el nivel de Fermi de la zona N es más alto que el nivel de Fermi de la zona P, y se genera una diferencia de potencial entre los dos niveles de Fermi. Este valor se puede medir y se llama voltaje de circuito abierto. Dado que la unión está polarizada hacia adelante en este momento, la fotocorriente de cortocircuito mencionada anteriormente es igual a la corriente directa del diodo, y el valor de la diferencia de potencial se puede determinar a partir de esto. En la actualidad, el costo de las placas solares sigue siendo relativamente alto, para lograr la energía suficiente se requiere un área considerable para colocar los paneles solares.
En 1953, Bell Labs en los Estados Unidos desarrolló la primera celda solar de silicio del mundo con una eficiencia de conversión del 0,5%. En 1994, la eficiencia de conversión de los módulos solares fotovoltaicos había aumentado al 17%.
La conversión fotoquímica significa convertir la energía solar en energía química primero y luego en otra energía, como energía eléctrica. Sabemos que las plantas dependen de la clorofila para convertir la energía luminosa en energía química para lograr su propio crecimiento y reproducción. Si se puede revelar el misterio de la conversión fotoquímica, la clorofila artificial se puede utilizar para generar electricidad. Actualmente, se está explorando e investigando activamente la conversión fotoquímica solar.