Met een oppervlaktetemperatuur van 6000°C ondergaat de zon binnenin voortdurend kernfusiereacties en zendt zij enorme hoeveelheden energie in de kosmische ruimte uit in de vorm van straling. Wat zijn de kenmerken van zonnestraling? Ongeveer 50% van de energie van zonnestraling bevindt zich in het zichtbare spectrale gebied (golflengte 0,4 tot 0,76 micron), 7% in het ultraviolette spectrale gebied (golflengte < 0,4 micron), 43% in het infrarode spectrale gebied (golflengte > 0,76 micron) en de maximale energie bevindt zich bij een golflengte van 0,475 micron. Aangezien de golflengte van zonnestraling veel kleiner is dan de golflengte van aard- en atmosferische straling (ongeveer 3 tot 120 micron), wordt deze straling gewoonlijk ook zonnestraling voor kortgolvige straling en grond- en atmosferische straling voor langgolvige straling genoemd. Zonne-energie, ook bekend als warmte van zonnestraling, is een wereldwijde energiebron buiten de aarde en kan grofweg worden onderverdeeld in de volgende componenten: directe zonnestraling, verstrooide straling vanuit de lucht, gereflecteerde straling vanaf het oppervlak, langgolvige straling vanaf de grond en langgolvige straling vanuit de atmosfeer.
Directe zonnestraling
De zonnestraling aan de bovengrens van de atmosfeer vertoont verschillende gradaties van verzwakking door absorptie, verstrooiing en reflectie door atmosferische moleculen en atmosferische aërosolen, wolken, enz. Omdat de atmosfeer selectief is voor verschillende golflengten van de zonnestraling en de absorptiebanden zich over het algemeen bevinden in de minder energierijke gebieden aan de uiteinden van het spectrum van de zonnestraling, is de verzwakking van de directe zonnestraling die door de atmosfeer door absorptie wordt veroorzaakt, in het algemeen niet al te groot. Het verstrooiingseffect van de atmosfeer op de zonnestraling is daarentegen een belangrijke oorzaak van de verzwakking van de energie van de zonnestraling. De selectieve werking van de atmosfeer op elektromagnetische golven is de oorzaak van het zogenaamde "atmosferische venster". De energie van directe zonnestraling die de grond bereikt, kan worden berekend met atmosferische stralingstransportvergelijkingen op basis van zonnehoogtehoeken en meteorologische gegevens.
Verspreide zonnestraling
In elke spectrale component van de zonnestraling wordt de energie ervan in alle richtingen verspreid door luchtmoleculen en aërosolen in de atmosfeer, d.w.z. verstrooide straling. Het is verschillend van de absorptie van stralingsenergie door het medium, het is niet mogelijk voor elke massa in de atmosfeer om deze stralingsenergie om te zetten in zijn eigen "interne energie", maar alleen om de richting van de straling te veranderen. De verstrooide straling hangt nauw samen met de grootte van de massa's in de atmosfeer, vandaar het onderscheid tussen moleculaire verstrooiing en verstrooiing met een grove korrel. De energie en de richting van de verstrooiing hangen ook nauw samen met het soort verstrooiing.
Totale zonnestraling
De som van de waarden van de directe en de verstrooide zonnestraling bij blauwe hemel is de totale zonnestraling.
Zonneactiviteit en veranderingen in de afstanden tussen zon en aarde veroorzaken onder andere veranderingen in de energie die door de zon wordt uitgestraald in de bovenste grenzen van de atmosfeer van de aarde. Men schat dat de energie die elke drie dagen door de zon naar de aarde wordt gestraald gelijk is aan de som van de energie van alle fossiele brandstoffen op aarde. De verdeling van de zonnestraling wordt beïnvloed door een aantal factoren, zoals breedtegraad, hoogte, weersomstandigheden en aantal uren zonneschijn, en daarmee moet rekening worden gehouden. In het algemeen neemt de zonnestraling af van lagere naar hogere breedtegraden. Op grote hoogten is de bewolking dun en de atmosfeer verzwakt de zonnestraling zwak, wat resulteert in een sterke zonnestraling, terwijl op lage hoogten het omgekeerde het geval is. Op zonnige dagen, wanneer er weinig wolken zijn, heeft de atmosfeer een verzwakkend effect op de zonnestraling en is de zonnestraling sterk. In hetzelfde gebied geldt: hoe langer de zonuren, hoe meer zonnestraling er binnenkomt. Er zijn drie manieren waarop de mens zonne-energie gebruikt: fotothermische, fotovoltaïsche en fotochemische omzetting.
Fotothermische omzetting
Fotothermische omzetting is het verzamelen van zonne-energie door verschillende collectoren en het gebruik van de verzamelde thermische energie voor menselijke consumptie.
De eerste en meest verspreide toepassing van zonne-energie was de verwarming van water, en vandaag de dag zijn er wereldwijd miljoenen zonne-energie warmwaterinstallaties. zonne-energie warmwatersystemen bestaan uit drie hoofdonderdelen: collectoren, opslagtoestellen en circulatieleidingen.
Het gebruik van zonne-energie voor de verwarming van de winter wordt al vele jaren in vele koude streken toegepast. De meeste zonne-energie-verwarmingssystemen zijn warmwatersystemen, maar er zijn ook voorbeelden van warmeluchtsystemen. zonne-energie-verwarmingssystemen bestaan uit een zonne-energiecollector, een warmteopslagunit, een hulpenergiesysteem en een binnenverwarmingsventilatorsysteem. energiesysteem en een ventilatorsysteem voor de binnenverwarming. De zonnestralingswarmte wordt opgeslagen in een werkvloeistof in de collector en vervolgens aan de ruimte geleverd.
Meer dan een miljoen actieve zonne-energie verwarmingssystemen en meer dan 250.000 passieve zonne-energie woningen die steunen op de natuurlijke stroom van warme en koude lucht zijn gebouwd in de VS.
Fotovoltaïsche omzetting
Fotovoltaïsche omzetting is de omzetting van zonne-energie in elektriciteit. Zonne-energie wordt momenteel op twee manieren gebruikt om elektriciteit op te wekken: ten eerste door thermische opwekking, waarbij zonne-energie eerst in warmte wordt omgezet door een warmteconcentrator en vervolgens door een turbine in elektriciteit wordt omgezet; en ten tweede door fotovoltaïsche opwekking, waarbij zonne-energie rechtstreeks in elektriciteit wordt omgezet door gebruik te maken van het fotovoltaïsche effect van zonne-energiecellen.
Hoe werken zonne-energiecellen: zonne-energiecellen zijn apparaten die op licht reageren en lichtenergie omzetten in elektriciteit. Er zijn veel verschillende materialen die fotovoltaïsche effecten kunnen produceren, zoals: monokristallijn silicium, polykristallijn silicium, amorf silicium, galliumarsenide en indiumkoper-selenide. P-type kristallijn silicium wordt gedoteerd met fosfor om N-type silicium te verkrijgen, waardoor een P-N junctie wordt gevormd. Wanneer licht op het oppervlak van de zonne-energiecel schijnt, worden sommige fotonen door het siliciummateriaal geabsorbeerd; de energie van de fotonen wordt overgebracht op de siliciumatomen, waardoor de elektronen oversteken en vrije elektronen worden die zich aan weerszijden van de P-N junctie clusteren om een potentiaalverschil te vormen, en wanneer het externe circuit wordt ingeschakeld, zal onder invloed van deze spanning een stroom door het externe circuit vloeien om een bepaald uitgangsvermogen te produceren. De essentie van dit proces is: het proces van omzetting van fotonenergie in elektrische energie, de basis van de omzetting van zonnecellenergie is het fotovoltaïsch effect van de junctie. Wanneer licht op de pn-overgang schijnt, wordt een elektron-gat-paar gegenereerd. De dragers die nabij de overgang in de halfgeleider worden gegenereerd, worden niet samengevoegd en bereiken de ruimte-laadregio, en worden aangetrokken door het ingebouwde elektrische veld, elektronen stromen naar de n-regio en gaten stromen naar de p-regio, wat resulteert in een overschot aan elektronen in de n-regio en een overschot aan gaten in de p-regio. Zij vormen een foto-gegenereerd elektrisch veld in de nabijheid van de pn-overgang in de tegengestelde richting van de potentiaalbarrière. Naast het gedeeltelijk compenseren van het effect van het potentiële elektrische veld, maakt het door de foto opgewekte elektrische veld ook het p-gebied positief geladen en het N-gebied negatief geladen, en wordt een elektrisch potentieel opgewekt in de dunne laag tussen het N-gebied en het P-gebied, hetgeen het door de foto opgewekte volt-effect is. Op dit punt, als de externe stroomkring kortgesloten is, vloeit er een fotostroom in de externe stroomkring evenredig met de energie van het invallende licht; deze stroom wordt de kortsluitstroom genoemd. Anderzijds, als de PN-junctie aan beide uiteinden open is, is het Fermi-energieniveau van de N-regio hoger dan dat van de P-regio als gevolg van de stroom van elektronen en gaten naar respectievelijk de N- en de P-regio, en wordt er een potentiaalverschil gegenereerd tussen deze twee Fermi-energieniveaus. Deze waarde kan worden gemeten en wordt de open-circuit spanning genoemd. Aangezien de junctie zich op dit punt in voorwaartse bias bevindt, zijn de bovengenoemde kortsluitfotostroom en de voorwaartse stroom van de diode gelijk en kan hieruit de waarde van het potentiaalverschil worden bepaald. Momenteel zijn zonne-energiecellen nog relatief duur en is er een aanzienlijke oppervlakte nodig om de cel te plaatsen om voldoende vermogen te verkrijgen.
In 1953 werd 's werelds eerste silicium zonne-energiecel ontwikkeld in de Bell Laboratories in de VS met een omzettingsefficiëntie van 0,5%, en in 1994 was de omzettingsefficiëntie van de zonne-energiecel verhoogd tot 17%.
Fotochemische omzetting
Fotochemische omzetting is de omzetting van zonne-energie in chemische energie en vervolgens in andere energie zoals elektriciteit. Wij weten dat planten afhankelijk zijn van chlorofyl om lichtenergie om te zetten in chemische energie voor hun eigen groei en voortplanting, en als het mysterie van de fotochemische omzetting kan worden onthuld, kan kunstmatig chlorofyl worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Momenteel wordt de fotochemische omzetting van zonne-energie actief onderzocht en verkend.s