Come Raccogliere l'energia Solare

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Come Raccogliere l'energia Solare

Come Raccogliere l'energia SolareIl sole, con una temperatura superficiale di 6000°C, è costantemente sottoposto a reazioni di fusione nucleare al suo interno ed emette enormi quantità di energia nello spazio cosmico sotto forma di radiazioni. Quali sono le caratteristiche della radiazione solare, simile alla radiazione del corpo nero, circa il 50% dell'energia della radiazione solare è nello spettro visibile (lunghezza d'onda da 0,4 a 0,76 micron), il 7% nello spettro ultravioletto (lunghezza d'onda < 0,4 micron), il 43% nello spettro infrarosso (lunghezza d'onda > 0,76 micron) e la massima energia è ad una lunghezza d'onda di 0,475 micron. Poiché la lunghezza d'onda della radiazione solare è molto più piccola della lunghezza d'onda della radiazione terrestre e atmosferica (circa 3 a 120 micron), di solito è anche chiamata radiazione solare per la radiazione ad onde corte, chiamata radiazione terrestre e atmosferica per la radiazione ad onde lunghe. L'energia solare, nota anche come calore da radiazione solare, è una fonte di energia globale esterna alla terra e può essere ampiamente suddivisa nei seguenti componenti: radiazione solare diretta, radiazione diffusa dal cielo, radiazione riflessa dalla superficie terrestre, radiazione terrestre a onde lunghe e radiazione atmosferica a onde lunghe.

Radiazione solare diretta

La radiazione solare al limite superiore dell'atmosfera, a causa di molecole atmosferiche e aerosol atmosferici, nuvole e altri effetti di assorbimento, scattering, riflessione e altri, e presenta un diverso grado di indebolimento. In generale, perché l'atmosfera ha una certa selettività per diverse lunghezze d'onda della radiazione solare, e la banda di assorbimento è generalmente situata nella regione meno energetica alle due estremità dello spettro della radiazione solare, quindi l'atmosfera attraverso l'effetto di assorbimento sulla radiazione solare diretta causato dall'indebolimento non è troppo grande. Al contrario, l'effetto di dispersione dell'atmosfera sulla radiazione solare è una delle cause principali dell'indebolimento dell'energia della radiazione solare. L'azione selettiva dell'atmosfera sulle onde elettromagnetiche è ciò che dà origine alla cosiddetta "finestra atmosferica". L'energia della radiazione solare diretta che raggiunge il suolo può essere calcolata dalle equazioni di trasporto della radiazione atmosferica basate sugli angoli di altitudine solare e sui dati meteorologici.

Radiazione solare diffusa

In ogni componente spettrale della radiazione solare, la sua energia viene dispersa in tutte le direzioni dalle molecole d'aria e dagli aerosol nell'atmosfera, cioè la radiazione diffusa. È diverso dall'assorbimento di energia di radiazione da parte del mezzo, non è possibile per ogni massa dell'atmosfera convertire questa energia di radiazione nella propria "energia interna", ma solo cambiare la direzione della radiazione. La radiazione diffusa è strettamente legata alla dimensione delle masse nell'atmosfera, da cui la distinzione tra diffusione molecolare e diffusione a grana grossa. L'energia e la direzione della diffusione sono anche strettamente legate al tipo di diffusione.

Radiazione solare totale

La somma della radiazione solare diretta e della radiazione diffusa in condizioni di cielo blu è la radiazione solare totale.

L'attività solare e i cambiamenti nella distanza solare-terrestre, per esempio, causano cambiamenti nell'energia della radiazione solare ai confini superiori dell'atmosfera terrestre. Si stima che ogni tre giorni il Sole irradi energia alla Terra, che è equivalente alla somma dell'energia di tutti i combustibili fossili sulla Terra. La distribuzione della radiazione solare è influenzata da una varietà di fattori, come la latitudine, l'altitudine, le condizioni meteorologiche e le ore di sole, e deve essere presa in considerazione. In generale, la radiazione solare diminuisce dalle latitudini più basse a quelle più alte. Alle alte quote, la copertura nuvolosa è sottile e l'atmosfera indebolisce debolmente la radiazione solare, con conseguente forte radiazione solare, mentre alle basse quote è vero il contrario. Nei giorni di sole, quando ci sono poche nuvole, l'atmosfera ha un effetto di indebolimento sulla radiazione solare e la radiazione solare è forte. Nella stessa zona, più lunga è l'insolazione, maggiore è la radiazione solare ricevuta. Ci sono tre modi in cui l'uomo può utilizzare l'energia solare: conversione fototermica, conversione fotovoltaica e conversione fotochimica.

1. Conversione fototermica 

La conversione fototermica significa fare affidamento su vari collettori per raccogliere l'energia solare e utilizzare l'energia termica raccolta per i servizi umani. 

La prima applicazione più diffusa dell'energia solare fu il riscaldamento dell'acqua, e oggi ci sono milioni di installazioni di riscaldamento dell'acqua solare in tutto il mondo. I sistemi di riscaldamento solare dell'acqua consistono di tre componenti principali: collettori, dispositivi di stoccaggio e tubi di circolazione.

L'uso dell'energia solare per il riscaldamento invernale è stato utilizzato in molte regioni fredde per molti anni. Nelle regioni più fredde, dove le temperature invernali sono così basse che il riscaldamento interno è necessario, l'energia solare può essere utilizzata per risparmiare sul consumo di energia fossile. La maggior parte dei riscaldatori di casa solari utilizzano sistemi ad acqua calda, ma ci sono anche esempi di sistemi ad aria calda. Un sistema di riscaldamento solare consiste in un collettore solare, un accumulatore termico, un sistema di energia ausiliaria e un sistema di ventilatori per il riscaldamento interno. Il calore della radiazione solare è immagazzinato da un fluido di lavoro nel collettore e poi fornito alla stanza.

Più di un milione di sistemi di riscaldamento solare attivo e più di 250.000 case solari passive che si basano sul flusso naturale di aria calda e fredda sono state costruite negli Stati Uniti.

2. Conversione fotovoltaica 

La conversione fotovoltaica è la conversione dell'energia solare in elettricità. Attualmente, ci sono due modi in cui l'energia solare viene utilizzata per generare elettricità: uno è la generazione di energia termica, che significa che l'energia solare viene prima trasformata in energia termica utilizzando un concentratore, e poi l'energia termica viene trasformata in elettricità attraverso una turbina; il secondo è la generazione di energia fotovoltaica, che significa che l'effetto fotovoltaico delle cellule solari viene utilizzato per trasformare l'energia solare direttamente in elettricità,.

Il principio di funzionamento delle celle solari: le celle solari sono dispositivi che rispondono alla luce e possono convertire l'energia luminosa in elettricità. Ci sono molti tipi di materiali che possono produrre l'effetto fotovoltaico, come: silicio monocristallino, silicio policristallino, silicio amorfo, arseniuro di gallio, seleniuro di rame indio e così via. Il silicio cristallino di tipo P è drogato con fosforo per produrre silicio di tipo N, formando una giunzione P-N. Quando la luce colpisce la superficie della cella solare, alcuni dei fotoni vengono assorbiti dal materiale di silicio; l'energia dei fotoni viene trasferita agli atomi di silicio, causando la migrazione degli elettroni che diventano elettroni liberi per raggrupparsi su entrambi i lati della giunzione P-N per formare una differenza di potenziale, e quando il circuito viene acceso esternamente, una corrente scorrerà attraverso il circuito esterno per produrre una certa potenza di uscita sotto l'azione di questa tensione. L'essenza di questo processo è: il processo di conversione dell'energia fotonica in energia elettrica, la base della conversione dell'energia della cella solare è l'effetto fotovoltaico della giunzione. Quando la luce viene fatta passare sulla giunzione pn, si genera una coppia elettrone-foro. I portatori generati vicino alla giunzione all'interno del semiconduttore non sono composti e raggiungono la regione di carica spaziale, e sono attratti dal campo elettrico incorporato, gli elettroni fluiscono nella regione n e i buchi fluiscono nella regione p, risultando in un surplus di elettroni conservati nella regione n e un surplus di buchi nella regione p. Essi formano un campo elettrico fotogenerato nelle vicinanze della giunzione pn in direzione opposta alla barriera di potenziale. Oltre a compensare parzialmente l'effetto del campo elettrico potenziale, il campo elettrico fotogenerato rende anche la regione p caricata positivamente e la regione N caricata negativamente, e si genera un potenziale elettrico nello strato sottile tra la regione N e la regione P, che è l'effetto volt fotogenerato. A questo punto, se il circuito esterno è cortocircuitato, c'è una fotocorrente che scorre nel circuito esterno proporzionale all'energia della luce incidente, questa corrente è chiamata corrente di cortocircuito. D'altra parte, se la giunzione PN è aperta ad entrambe le estremità, il livello di energia di Fermi della regione N è superiore a quello della regione P a causa del flusso di elettroni e buchi nelle regioni N e P rispettivamente, e si genera una differenza di potenziale tra questi due livelli di energia di Fermi. Questo valore può essere misurato e viene chiamato tensione a circuito aperto. Poiché la giunzione è in polarizzazione in avanti in questo punto, la fotocorrente di cortocircuito di cui sopra e la corrente in avanti del diodo sono uguali e da questo il valore della differenza di potenziale può essere determinato. Attualmente, il costo delle celle solari è ancora alto, e una superficie considerevole è necessaria per posizionare le celle al fine di ottenere una potenza sufficiente. 

Nel 1953, gli Stati Uniti Bell Labs hanno sviluppato le prime celle solari al silicio del mondo, l'efficienza di conversione dello 0,5%, nel 1994 l'efficienza di conversione delle celle solari è aumentata al 17%.

3. Conversione fotochimica 

La conversione fotochimica significa che l'energia solare viene prima convertita in energia chimica, e poi convertita in altra energia come l'elettricità. Sappiamo che le piante si affidano alla clorofilla per convertire l'energia luminosa in energia chimica per realizzare la propria crescita e riproduzione, se possiamo svelare il mistero della conversione fotochimica, possiamo realizzare la generazione artificiale di energia clorofilliana. Attualmente, la conversione fotochimica solare è attivamente esplorata e ricercata.

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