Soarele, cu otemperatură de 6000°C la suprafață, este supus în mod constant unor reacții defuziune nucleară în interior și emite cantități enorme de energie în spațiulcosmic sub formă de radiații. Care sunt caracteristicile radiației solare,similar cu radiația corpului negru, aproximativ 50% din energia radiațieisolare se află în spectrul vizibil (lungime de undă de la 0,4 la 0,76 microni),7% în spectrul ultraviolet (lungime de undă < 0,4 microni), 43% în spectrul infraroșu (lungime de undă > 0,76 microni), iar energia maximă se află la o lungime de undă de 0,475 microni. Deoarece lungimea de undă a radiației solare este mult mai mică decât lungimea de undă a radiației terestre și atmosferice (aproximativ 3 până la 120 de microni), aceasta se numește, de obicei, și radiație solară pentru radiația cu unde scurte și radiație terestră și atmosferică pentru radiația cu unde lungi. Energia solară, cunoscută și sub denumirea de căldură provenită din radiația solară, este o sursă globală de energie externă la pământ și poate fi împărțită în linii mari în următoarele componente: radiația solară directă, radiația difuzată din cer, radiația reflectată de la suprafața pământului, radiația terestră cu unde lungi și radiația atmosferică cu unde lungi.
Radiația solarădirectă
Radiația solarăla limita superioară a atmosferei, din cauza moleculelor atmosferice și aaerosolilor atmosferici, a norilor și a altor efecte de absorbție, împrăștiere,reflexie și altele, și prezintă un grad diferit de slăbire. În general,deoarece atmosfera are o anumită selectivitate pentru diferite lungimi de undăale radiației solare, iar banda de absorbție este, în general, situată în regiuneamai puțin energetică de la cele două capete ale spectrului radiației solare, astfel încât atmosfera, prin efectul de absorbție asupra radiației solare directe cauzate de slăbire, nu este prea mare. În schimb, efectul de împrăștiere al atmosferei asupra radiației solare este o cauză majoră a slăbirii energiei radiației solare. Acțiunea selectivă a atmosferei asupra undelor electromagnetice este cea care dă naștere așa-numitei "ferestre atmosferice". Energia radiației solare directe care ajunge la sol poate fi calculată cu ajutorul ecuațiilor de transport al radiației atmosferice pe baza unghiurilor de altitudine solară și a datelor meteorologice.
Radiația solarădispersată
În fiecarecomponentă spectrală a radiației solare, energia sa este dispersată în toatedirecțiile de către moleculele de aer și aerosolii din atmosferă, adicăradiație împrăștiată. Este diferită de absorbția energiei radiației de cătremediu, deoarece nu este posibil ca fiecare masă din atmosferă să transformeaceastă energie de radiație în propria "energie internă", ci doar săschimbe direcția radiației. Radiația împrăștiată este strâns legată de mărimea maselor din atmosferă, de unde și distincția dintre împrăștierea moleculară și cea cu granulație grosieră. Energia și direcția de împrăștiere sunt, de asemenea, strâns legate de tipul de împrăștiere.
Radiația solarătotală
Suma radiațieisolare directe și a radiației împrăștiate în condiții de cer albastrureprezintă radiația solară totală.
De exemplu,activitatea solară și modificările distanței dintre Soare și Pământ determinămodificări ale energiei radiației solare la limitele superioare ale atmosfereiterestre. Se estimează că, la fiecare trei zile, Soarele radiază energie cătrePământ, care este echivalentă cu suma energiei tuturor combustibililor fosilide pe Pământ. Distribuția radiației solare este influențată de o varietate defactori, cum ar fi latitudinea, altitudinea, condițiile meteorologice și orele de soare, și trebuie luată în considerare. În general, radiația solară scade de la latitudini mai mici la latitudini mai mari. La altitudini mari, acoperirea de nori este subțire și atmosfera slăbește slab radiația solară, ceea ce duce la o radiație solară puternică, în timp ce la altitudini joase se întâmplă exact invers. În zilele însorite, când sunt puțini nori, atmosfera are un efect de slăbire asupra radiației solare, iar radiația solară este puternică. În aceeași zonă, cu cât este mai mult soare, cu atât mai multă radiație solară este primită. Există trei moduri în care oamenii pot utiliza energia solară: conversia fototermică, conversia fotovoltaică și conversia fotochimică.
1. Conversiafototermică
Conversiafototermică înseamnă să se bazeze pe diverși colectori pentru a colecta energiasolară și să utilizeze energia termică colectată pentru servicii umane.
Cea mairăspândită aplicație timpurie a energiei solare a fost încălzirea apei, iarastăzi există milioane de instalații solare de încălzire a apei în întreagalume. Sistemele de încălzire solară a apei sunt formate din trei componenteprincipale: colectoare, dispozitive de stocare și conducte de circulație.
Utilizareaenergiei solare pentru încălzirea pe timp de iarnă este folosită de mulți aniîn multe regiuni reci. În regiunile mai reci, unde temperaturile de iarnă suntatât de scăzute încât este necesară încălzirea interioară, energia solară poatefi utilizată pentru a economisi consumul de energie fosilă. Cele mai multesisteme solare de încălzire a locuințelor folosesc sisteme de apă caldă, darexistă și exemple de sisteme de aer cald. Un sistem de încălzire solară este alcătuit dintr-un colector solar, o unitate de stocare termică, un sistem de energie auxiliară și un sistem de ventilație pentru încălzirea interioară. Căldura produsă de radiația solară este stocată de un fluid de lucru în colector și apoi furnizată în încăpere.
În SUA au fostconstruite peste un milion de sisteme de încălzire solară activă și peste250.000 de case solare pasive care se bazează pe fluxul natural de aer cald șirece.
2. Conversia fotovoltaică
Conversiafotovoltaică reprezintă transformarea energiei solare în energie electrică. Înprezent, există două moduri în care energia solară este utilizată pentru agenera electricitate: unul este generarea de energie termică, ceea ce înseamnăcă energia solară este mai întâi transformată în energie termică cu ajutorulunui concentrator, iar apoi energia termică este transformată în electricitateprin intermediul unei turbine; al doilea este generarea de energie fotovoltaică, ceea ce înseamnă că efectul fotovoltaic al celulelor solare este utilizat pentru a transforma energia solară direct în electricitate.
Principiul defuncționare al celulelor solare: celulele solare sunt dispozitive care răspundla lumină și pot transforma energia luminoasă în energie electrică. Există maimulte tipuri de materiale care pot produce efectul fotovoltaic, cum ar fi:siliciu monocristalin, siliciu policristalin, siliciu amorf, arseniură degaliu, seleniură de cupru și indiu și așa mai departe. Siliciul cristalin de tipP este dopat cu fosfor pentru a produce siliciu de tip N, formând o joncțiune P-N. Atunci când lumina lovește suprafața celulei solare, o parte din fotoni sunt absorbiți de materialul de siliciu; energia fotonilor este transferată atomilor de siliciu, ceea ce face ca electronii să migreze și să devină electroni liberi care se grupează pe ambele părți ale joncțiunii P-N pentru a forma o diferență de potențial, iar atunci când circuitul extern este pornit, un curent va trece prin circuitul extern pentru a produce o anumită putere de ieșire sub acțiunea acestei tensiuni. Esența acestui proces este: procesul de conversie a energiei fotonice în energie electrică, baza conversiei de energie a celulelor solare este efectul fotovoltaic al joncțiunii. Atunci când lumina este îndreptată asupra joncțiunii pn, se generează o pereche electron-găur. Purtătorii generați în apropierea joncțiunii din interiorul semiconductorului nu sunt compuși și ajung în regiunea de sarcină spațială și sunt atrași de câmpul electric încorporat, electronii curg în regiunea n și găurile curg în regiunea p, rezultând un surplus de electroni stocați în regiunea n și un surplus de găuri în regiunea p. Acestea formează un câmp electric fotogenerat în vecinătatea joncțiunii pn în direcția opusă barierei de potențial. Pe lângă compensarea parțială a efectului câmpului electric potențial, câmpul electric fotogenerat face ca regiunea P să fie încărcată pozitiv și regiunea N încărcată negativ, iar în stratul subțire dintre regiunea N și regiunea P se generează un potențial electric, ceea ce reprezintă efectul de volt fotogenerat. În acest moment, dacă circuitul extern este scurtcircuitat, în circuitul extern circulă un fotocurent proporțional cu energia luminii incidente, acest curent se numește curent de scurtcircuit. Pe de altă parte, dacă joncțiunea PN este deschisă la ambele capete, nivelul de energie Fermi al regiunii N este mai mare decât cel al regiunii P datorită fluxului de electroni și găuri în regiunile N și respectiv P și se generează o diferență de potențial între aceste două niveluri de energie Fermi. Această valoare poate fi măsurată și se numește tensiune de circuit deschis. Deoarece joncțiunea este în polarizare directă în acest punct, fotocurentul de scurtcircuit de mai sus și curentul direct al diodei sunt egale și din aceasta se poate determina valoarea diferenței de potențial. În prezent, costul celulelor solare este încă ridicat și este nevoie de o suprafață considerabilă pentru amplasarea celulelor pentru a obține o putere suficientă.
În 1953,Laboratoarele Bell din Statele Unite au dezvoltat primele celule solare dinsilicon din lume, cu o eficiență de conversie de 0,5%, iar în 1994 eficiența deconversie a celulelor solare a crescut la 17%.
3. Conversiafotochimică
Conversia fotochimicăînseamnă că energia solară este mai întâi transformată în energie chimică șiapoi în altă energie, cum ar fi energia electrică. Știm că plantele se bazeazăpe clorofilă pentru a converti energia luminoasă în energie chimică pentru a-șirealiza propria creștere și reproducere, dacă putem dezvălui misterulconversiei fotochimice, putem realiza generarea artificială de energieclorofiliană. În prezent, conversia fotochimică solară este în curs de explorare și cercetare activă.