Fryazino.NET Forum || Культура и наука || Солнечная энергия. Кремневые преобразователи. Расчет освещенности.
>> Привет, Гость! Войдите! : вход | поиск | правила | банлист
Автор
Солнечная энергия. Кремневые преобразователи. Расчет освещенности. (1) 1 для печати | RSS 2.0
Nickel
Участник
licq:2304
Вопрос к знатокам астрономии и физикам, в особенности к тем, кто знаком с поведением полупроводниковых материалов при воздействии на них солнечным излучением.
Во-первых, я был бы рад если бы кто-нибудь подсказал как расчитать освещенность небольшой поверхности Земли в зависимости от широты, времени года и времени суток. Неплохо было бы учесть рассеяние светового излучения атмосферой.
В Интернете я нашел таблицу со средним значением солнечного излучения в месяц, но хотелось бы узнать как это можно посчитать теоретически.
С астрономией у меня неважно, но задача вроде бы больше математически-геометрическая.
И еще очень нужно узнать о зависимости поглощения кремниевой пластиной солнечного излучения от угла падения на нее солнечных лучей.
____________________________________________________________
А вообще эти вопросы возникли в связи с расчетом фотоэлектрического преобразователя.
Нужно посчитать на сколько увеличится КПД такого пребразователя, если сделать его принимающую поверхность подвижной и соответственно ориентировать в области максимального излучения в данный момент.
Буду рад любой помощи и информации.
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
Возьмите расстояние от Земли до Солнца (пусть это - R). Вашу светимость Солнца для некоторой длины волны поделите на четыре пи R-квадрат. Получится плотность мощности, нормальной к Земной поверхности. Помножим на косинус угла наклона Солнца - получим освещенность для этой длины волны. Интегрируйте по длинам волн фотоприемника, умножив на его спектральную чувствительность. Учет рассеяния - полуэмпирические зависимости для данной широты и времени года - поищу в литературе. Надо еще учесть поглощение в атмосфере на интервале рабочих длин волн. Кремневая пластина поглощает все, что не отражает, отражение можно считать Френелевским (n-квадрат-1 поделить на n-квадрат плюс 1). Можно учесть коэф. экстинкции, я не знаю его величину для кремния. Показатель преломления кремния зависит от длины волны - около 3.5. Вопросы формулируйте конкретнее.
Сообщение изменено ych от 2006-09-25 21:26:15
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
цитата:
Помножим на косинус угла наклона Солнца - получим освещенность для этой длины волны.

Вот тут уже возникают проблемы. Как посчитать это самый угол, в зависимости от широты точки на земной поверхности. Какие параметры нужно знать для этого?
С атрономией у меня туговато.

цитата:
Учет рассеяния - полуэмпирические зависимости для данной широты и времени года - поищу в литературе.

Я сегодня мельком знакомился с этим вопросом. От температуры атмосферы зависит сильно рассеяние, а от широты почему?

цитата:
Надо еще учесть поглощение в атмосфере на интервале рабочих длин волн.

Вы упоминали спектральную чувствительность кремния - это что такое ? Максимальная длина волны, которую он поглощает?

цитата:
Кремневая пластина поглощает все, что не отражает, отражение можно считать Френелевским (n-квадрат-1 поделить на n-квадрат плюс 1). Показатель преломления кремния зависит от длины волны - около 3.5 - 4.

А можно по-подробней, что такое Френелевское отражение ?
___________________________________
цитата:
Вопросы формулируйте конкретнее.

Стоит задача сравнения эффективности фотоэлемента в неподвижном состоянии и при вращении его так, чтобы его кпд был как можно выше.
Повысить к.п.д. можно за счет концентратора солнечных лучей и за счет ориентации рабочей поверхности (кремневая пластина) под углом в 90 градусов к падающим лучам.
Соответственно нужно знать сколько реально света доходит от Солнца до пластины и под каким углом.


Сообщение изменено Nickel от 2006-09-25 21:27:59
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
To Nickel
цитата:
С атрономией

Ось вращения Земли наклонена относительно нормали к плоскости эклиптики на 23,5 градуса. Поэтому летом - лето, а зимой - зима. Эти градусы, векторно сложенные с широтой, дают отклонение от нормали в данной точке, а они (эти градусы) меняются день за днем от одного противостояния к другому (это надо пересчитывать день за днем).
цитата:
от широты почему?

От широты меняется длина луча в атмосфере.
цитата:
спектральную чувствительность кремния - это что такое

Не кремния, а фотоэлемента, он же не весь спектр использует для своей работы.
цитата:
Френелевское отражение

Отражение для нормального падения, я прикинул - около 35 % для кремния. Коэф. экстинкции для кремния - около 1.
цитата:
Стоит задача сравнения эффективности

Тогда задача сводится к оценке среднего косинуса угла в течение года.
Сообщение изменено ych от 2006-09-25 23:05:13
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
Формулу Френеля я неверно набрал:
...............................(n-1)*(n-1)+k*k
.........................R = -----------------
...............................(n+1)*(n+1)+k*k
n - показатель преломления, k - коэф. экстинкции.
Сообщение изменено ych от 2006-09-25 22:25:29
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
ftp://192.168.84.24/library/Physics/Reference/Smithsonian Physical Tables
- физ. таблицы, в которых масса данных, полезных для Вашей задачи.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
Спасибо большое!
А чем открывается этот файл?
IP
alar
Участник
chaotic instance
Лучше поднимите солнечные батареи километров на 10, чтоб рефракцию не учитывать. И облака. С ними слишком заморочено.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To alar
цитата:
Лучше поднимите солнечные батареи километров на 10,

На Эверест что ли ?
цитата:
чтоб рефракцию не учитывать. И облака. С ними слишком заморочено.

А рефракция - это что такое ?
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
To Nickel
ftp://192.168.20.32/uploud/DJVU/
Здесь программы для просмотра djvu-файлов. Браузер - один из последних по версиям, а Solo - позволяет самому делать djvu-книги из сканированных страниц, вносить изменения - добавлять и удалять страницы. Но версия - некоммерческая, к тому же довольно устаревшая.
Сообщение изменено ych от 2006-09-27 18:47:38
IP
alar
Участник
chaotic instance
To Nickel
Рефракция - это искривление световых лучей в атмосфере. Чтоб её правильно обсчитать, одной формуля Френеля недостаточно - придётся учесть переменную плотность воздуха на разных высотах, и прочая, и прочая....
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To alar
цитата:
Рефракция - это искривление световых лучей в атмосфере. Чтоб её правильно обсчитать, одной формуля Френеля недостаточно - придётся учесть переменную плотность воздуха на разных высотах, и прочая, и прочая....

Короче это я уже понял. Да и вообще бредовое это занятие. Освещенность считать.
Осталось самая малость - завтра убедить в этом своего руководителя.
To ych
Спасибо! Сейчас поставлю!
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
To Nickel
цитата:
рефракция - это что такое ?

В переводе на русский язык - преломление света.
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
Проще, наверно, экспериментально проверить. Установить солнечную батарею, и вычислять энергию, которую с нее можно снять за некоторый период времени, а затем экстраполировать на нужное время.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
цитата:
Проще, наверно, экспериментально проверить. Установить солнечную батарею, и вычислять энергию, которую с нее можно снять за некоторый период времени, а затем экстраполировать на нужное время.

Завтра буду толкать эту теорию.
Вобщем-то освещенность это не главное в принципе.
Все таки неплохо было бы привести какой-то расчет на тему - На сколько солнечный модуль с поворотной платформой выгоднее неподвижного.
Первая составляющая - это потери энергии на кремневой пластине при наклонном падении солнечных лучей.
И второе - это уменьшение площади принимающей поверхности за счет все того же не перпендикулярного падения лучей.
Но я все никак не соображу: 1. Как посчитать этот угол прохождения Солнца. 2. Как он зависит от широты. 3. Как при этом учесть неравномерность солнечного излучения в зависимости от времени суток.

IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
To Nickel
цитата:
На сколько солнечный модуль с поворотной платформой выгоднее неподвижного.

Это - задача про средний косинус за год. Задачка простая. Интегрируем по одному дню, потом день за днем суммируем и делим на 365 дней.
цитата:
Как посчитать этот угол прохождения Солнца.

22 июня от широты надо отнять 23 градуса, 22 декабря прибавить, изменение угла считаем линейным. Каждый день угол меняется от 90 градусов до этой величины в полдень.
Основная проблема - погодные условия. Год на год не похожи.
Сообщение изменено ych от 2006-09-27 19:32:43
IP
АТ
Участник
Мастер Пресекающий Ненужные Темы
licq:2618
To Nickel
цитата:
Но я все никак не соображу: 1. Как посчитать этот угол прохождения Солнца. 2. Как он зависит от широты. 3. Как при этом учесть неравномерность солнечного излучения в зависимости от времени суток.
А нагнали-то, нагнали... Учёные...
А считать-то надо ЭКВИВАЛЕНТНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ солнечной батареи для случая, когда она ориентирована на Солнце, и для случая, когда она неподвижно закреплена горизонтально (для экватора) или вертикально (для высоких широт).
И считается всё это элементарно: по углу падения солнечных лучей на батарею, представляющую из себя плоскость. Зависимость везде косинуидальная, за исключением малых углов падения, меньше критического угла, когда неподвижная батарея не работает.
Ибо все остальные величины, включая рефракцию, поглощение в атмосфере, искажения спектра за счёт атмосферы и т.п. - АБСОЛЮТНО ОДИНАКОВЫ.
IP
АТ
Участник
Мастер Пресекающий Ненужные Темы
licq:2618
To ych
цитата:
Основная проблема - погодные условия. Год на год не похожи.
А это вообще роли не играет. Погодные условия одинаковы и для неподвижной, и для подвижной батареи.
Человеку всего-навсего нужно определить, На сколько солнечный модуль с поворотной платформой выгоднее неподвижного, то-есть относительною эффективность непрерывной ориентации батареи на Солнце по сравнению с неподвижно закреплённой батареей в той же точке Земли.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To АТ
цитата:
А нагнали-то, нагнали... Учёные...
А считать-то надо ЭКВИВАЛЕНТНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ солнечной батареи для случая, когда она ориентирована на Солнце, и для случая, когда она неподвижно закреплена горизонтально (для экватора) или вертикально (для высоких широт).
И считается всё это элементарно: по углу падения солнечных лучей на батарею, представляющую из себя плоскость. Зависимость везде косинуидальная, за исключением малых углов падения, меньше критического угла, когда неподвижная батарея не работает.
Ибо все остальные величины, включая рефракцию, поглощение в атмосфере, искажения спектра за счёт атмосферы и т.п. - АБСОЛЮТНО ОДИНАКОВЫ.


Какой вы хитрый.
Но от широты зависит количество энергии излучаемой на поверхность солнечной батареи, в течение суток распределение все той же энергии тоже неравномерно.
И еще все это зависит от времени года. Летом эффективность одна, зимой другая.

IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
To АТ
Если задача лишь в том, чтобы сравнить 2 ориентации солнечных батарей, то конечно.
цитата:
задача сводится к оценке среднего косинуса угла в течение года

А если надо узнать при этом, где у нас аэродромы, то это иной случай.
IP
АТ
Участник
Мастер Пресекающий Ненужные Темы
licq:2618
To Nickel
цитата:
Но от широты зависит количество энергии излучаемой на поверхность солнечной батареи, в течение суток распределение все той же энергии тоже неравномерно.
И еще все это зависит от времени года. Летом эффективность одна, зимой другая.
Да плевать вам на это всё. Сравниваемые батареи находятся В ОДНОЙ ТОЧКЕ. Поэтому все широтные, погодные и прочие факторы для них ЭКВИВАЛЕНТНЫ. Отличается только УГОЛ ПАДЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ. У одной батареи он оптимален только в один момент времени на протяжении ГОДА, у другой - оптимален всё время.
Вот и весь расчёт.
Сообщение изменено АТ от 2006-09-27 20:34:39
IP
АТ
Участник
Мастер Пресекающий Ненужные Темы
licq:2618
Кстати, для начала придётся в общем виде решить задачу - какой же именно угол оптимален для данной широты в случае неподвижной батареи. Но это достаточно просто - по азимуту батарея должна быть ориентирована строго на юг (на экваторе - в зенит), а вот угол места вычислить сложнее - по идее он должен быть чуть выше середины крайних положений Солнца над горизонтом.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To АТ
цитата:
Да плевать вам на это всё. Сравниваемые батареи находятся В ОДНОЙ ТОЧКЕ. Поэтому все широтные, погодные и прочие факторы для них ЭКВИВАЛЕНТНЫ. Отличается только УГОЛ ПАДЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ. У одной батареи он оптимален только в один момент времени на протяжении ПОЛУГОДА, у другой - оптимален всё время.
Вот и весь расчёт.

цитата:
Кстати, для начала придётся в общем виде решить задачу - какой же именно угол оптимален для данной широты в случае неподвижной батареи. Но это достаточно просто - по азимуту батарея должна быть ориентирована строго на юг (на экваторе - в зенит), а вот угол места вычислить сложнее - по идее он должен быть чуть выше середины крайних положений Солнца над горизонтом.

Я тут сижу сейчас соображаю в эту тему. (Астрономия для меня темный лес.)
Никак не пойму как посчитать этот злополучный угол.
Радиус сечения Земли на широте фи : R*sin(фи)
Тогда по моим представлениям тангенс угла видимости Солнца : R*sin(фи)/S
где S - расстояние до Солнца.



IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
цитата:
22 июня от широты надо отнять 23 градуса, 22 декабря прибавить, изменение угла считаем линейным. Каждый день угол меняется от 90 градусов до этой величины в полдень.

Вообще не пойму как это получилось.
Не понимаю геометрии и физики процесса.
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
To АТ
цитата:
по азимуту батарея должна быть ориентирована строго на юг

Малая поправка возможна, если облачность различна утром и вечером в течение длительных сезонов года.
Угол места для стационарной установки должен быть направлен на плоскость эклиптики, то есть определится широтой. Опять-таки - возможна малая поправка.
IP
АТ
Участник
Мастер Пресекающий Ненужные Темы
licq:2618
To ych
цитата:
Малая поправка возможна, если облачность различна утром и вечером в течение длительных сезонов года.
Угол места для стационарной установки должен быть направлен на плоскость эклиптики, то есть определится широтой. Опять-таки - возможна малая поправка.
Для подобных ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЁТОВ облачностью можно пренебречь, Землю считать круглой, влияние атмосферы - линейным, т.е. пропорциональным толщине атмосферы на пути солнечного луча. Даже при таких допущениях препод будет визжать от щастья, что у студента таки есть голова.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
цитата:
Формулу Френеля я неверно набрал:
...............................(n-1)*(n-1)+k*k
.........................R = -----------------
...............................(n+1)*(n+1)+k*k
n - показатель преломления, k - коэф. экстинкции.

Кстати эта формула для малых углов падения. И только для перпендикулярной составляющей отражения.
К - в этой формуле это коэффициент поглощения, а не экстинкции. Хотя они связаны простым соотношением.

____________________________________________
Подскажите, пожалуйста, по-подробней как все-таки найти меньшее и большее значение угла падения лучей на пластину в зависимости от широты. (пределы интегрирования грубо говоря)
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
To Nickel
цитата:
эта формула для малых углов падения

Для любых углов падения формулы написать легко - для s и p - поляризаций, а потом сложить.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
Целый день не могу найти коэффициент преломления и экстинкции для кремния.
В таблицах я как понял Index of Refraction - это коэффициент преломления, но для кремния не нашел.
Может быть у вас есть под рукой эти данные?
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
To Nickel
Показатель преломления (я уже приводил эти цифры) для кремния около 3,45, коэф. экстинкции около 1,0. Это дает 33,66 % для коэф. отражения. Точные данные зависят от длины волны - я поищу.
Сообщение изменено ych от 2006-09-30 18:56:49
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
Нашел некоторые данные для аморфного кремния, полученного электронно-лучевым напылением, для температуры подложки 250 С. Было бы градусов 600 С, пленки были бы поликристаллическими. Коэф. экстинкции k около 1 для видимой области и быстро падает в ИК примерно до 0,05, а показатель преломления падал от 4 с небольшим до 3,5. К тому же еще вопрос - из какого кремния изготовлены Ваши солнечные батареи, может аморфный кремний.
Пересчет для поляризаций (s - single - перпендикулярной плоскости падения и p - parallel -параллельной плоскости падения) - сводится к пересчету эффективных показателей преломления для каждой поляризации:
R = сумма R(i), где: i = s,p, n(s) = n*cos(phi), n(p) = n/cos(phi)
phi - угол падения, при phi = 0 (падение по нормали - cos 0 = 1) - получается формула Френеля, указанная ранее.
Сообщение изменено ych от 2006-10-01 09:39:53
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
цитата:
R = сумма R(i), где: i = s,p, n(s) = n*cos(phi), n(p) = n/cos(phi)
phi - угол падения, при phi = 0 (падение по нормали - cos 0 = 1) - получается формула Френеля, указанная ранее.

Я построил график зависимости коэффицента отражения от угла падения для действительного показателя преломления, т.е. без учета коэффициента поглощения.
А с коэффициентом поглощения сложнее - нужно с комплексными числами возиться.
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
To Nickel
Вывод формул Френеля можно найти тут: ftp://192.168.20.32/uploud/Quack/
В одном файле (Fresnel.pdf) - вывод коэф отражения для s - и p - поляризаций, в другом (Drude.pdf - в Приложениях) - вывод коэф. отражения при нормальном падении.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
Я уже в книжке это нашел.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
Мне бы вывод зависимости угла падения солнечных лучей от широты!
Вот это я бы с удовольствием почитал.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
Вы бы не могли дать мне ссылку на источник откуда вы взяли коэффициент экстинкции? На видимый диапазон приходится приблизительно половина энергии излучения Солнца - чему равен коэффициент экстинкции для кремния, освещаемого солнечным светом?
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
To Nickel
Для энергий фотонов от 0,5 до 2 эВ для пленок аморфного кремния коэф. экстинкции - здесь:
ftp://192.168.20.32/uploud/Quack/Mashin A.pdf
Выше 2 эВ надо поискать.
Сообщение изменено ych от 2006-10-03 18:09:54
IP
ych
Участник
vanitas vanitatum
licq:3461
Коэффициент отражения для c-Si и a-Si:H для более широкого диапазона длин волн - здесь:
ftp://192.168.20.32/uploud/Quack/aSiH.pdf (см. Рис. 8)
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
Н-да... чувствую, придется копаться в библиотеке, искать справочники по полупроводникам.
Зависимость коэффициента преломления рассмотрена для длин волн от 0,4 до 1 мкм. Коэффициент экстинкции там найден для малых длин волн.
Я так понимаю, чтобы найти средний коэффициент отражения, нужно посчитать следющее.
Интеграл от произведения n(длины волны)*S(длины волны)*d(длины волны).
Поделить на.
Интеграл от произведения. S(длины волны)*d(длины волны).
Тоже самое и для коэффициента экстинкции.
IP
МПАК
Участник
Астрономия
licq:3887
To Nickel
Информацией о поглощении атмосферой света в зависимости от угла падения обеспечу. Напишите в ласю (сначала нужна авторизация).
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To МПАК
Спасибо. Написал в ласю.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
To ych
To МПАК
Я тут построил зависимость коэффициента отражения от угла падения лучей при постоянном n=3,4 и k =1. Крайне любопытная картинка получилась.
От 0 до 16 градусов коэффициент отражения медленно убывает от значения 0,331 до значения 0,292. Потом от 16 до 19 резко возрастает до 0.47.
Потом скачкообразно возвращается к значению 0,29.
От 19 до 60 градусов коэффициент отражения нелинейно растет до значения 0,64, потом от 60 градусов до 87 нелинейно убывает до значения 0,51. И потом от 88 до 90 градусов возрастает след значениями: 0,57(87 гр) , 0,7(89гр) и 1(90гр.)

Так должно быть ?
Или я график построил неправильно?
Сообщение изменено Nickel от 2006-10-04 18:19:18
IP
Nickel
Участник
licq:2304
Интересует распределение солнечной энергии на поверхности Земли. От чего оно зависит, каким образом можно вычислить.
И еще оптические свойства атмосферы. Пропускание, рассеяние и поглощение атмосферой солнечной энергии.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
Кто-нибудь располагает информацией об облаках ? Какие они бывают и как пропускают солнечную энергию?
IP
2918
Новичок
Облака пропускают очень плохо. Даже тоненькие имеют оптическую плотность около 4. А в наших краях, да еще зимой... А если нужна квалифицированная помощь - ради бога - на физический факультет МГУ, на физтех или любой другой Вуз к специалистам. Поделятся с большим удовольствием, еще и книжек хороших присоветуют.
IP
Nickel
Участник
licq:2304
С расчетом эффективности я более менее разобрался.
Теперь встал другой вопрос.
Двигатели или установки, работающие от Солнца. Никогда не сталкивался с этой темой, буду рад любой помощи.
Как я понимаю принцип действия этих механизмов основан на тепловом расширении жидкости или газа при нагревании от Солнца.
Интересует более подробная информация или хотя бы направление дальнейших поисков.


IP
Страницы(1): 1

Хотите создавать темы и отправлять сообщения? Выполните Вход или Зарегистрируйтесь!




Напишите нам

µƒorum © fryazino.net