La température de surface du soleil atteint 6 000 , et des réactions de fusion nucléaire se déroulent en continu à l'intérieur du soleil, et une énorme énergie est émise dans l'espace sous forme de rayonnement. Quelles sont les caractéristiques du rayonnement solaire, similaire au rayonnement du corps noir, environ 50% de l'énergie du rayonnement solaire se trouve dans le spectre visible (longueur d'onde 0,4～0,76 microns), 7% dans le spectre ultraviolet (longueur d'onde <0,4 micron) et 43 % est dans le spectre infrarouge (longueur d'onde) > 0,76 micron), l'énergie maximale est à une longueur d'onde de 0,475 micron. Parce que la longueur d'onde du rayonnement solaire est beaucoup plus petite que la longueur d'onde du rayonnement terrestre et atmosphérique (environ 3 à 120 microns), elle est généralement appelée rayonnement solaire en tant que rayonnement à ondes courtes et rayonnement au sol et atmosphérique en tant que rayonnement à ondes longues. L'énergie solaire rayonnante, également connue sous le nom de chaleur du rayonnement solaire, est une source d'énergie globale en dehors de la terre. Elle peut être grossièrement divisée en les parties suivantes : rayonnement solaire direct, rayonnement diffusé dans le ciel, rayonnement réfléchi en surface, rayonnement terrestre à ondes longues et rayonnement atmosphérique à grandes ondes.
Le rayonnement solaire dans la limite supérieure de l'atmosphère est affaibli à des degrés divers en raison de l'absorption, de la diffusion et de la réflexion des molécules atmosphériques, des aérosols et des nuages dans l'atmosphère. En général, parce que l'atmosphère a une certaine sélectivité pour le rayonnement solaire de différentes longueurs d'onde et que la bande d'absorption est généralement située dans les régions avec moins d'énergie aux deux extrémités du spectre de rayonnement solaire, l'atmosphère affaiblit et affaiblit le rayonnement solaire direct par absorption. Pas si gros. Relativement parlant, l'effet de diffusion de l'atmosphère sur le rayonnement solaire est l'une des principales raisons de l'affaiblissement de l'énergie du rayonnement solaire. La soi-disant "fenêtre atmosphérique" est créée en raison de l'effet sélectif de l'atmosphère sur les ondes électromagnétiques. L'énergie du rayonnement solaire direct atteignant le sol peut être calculée à partir de l'équation de transmission du rayonnement atmosphérique basée sur l'angle d'altitude solaire et les données météorologiques.
Parmi les différentes composantes spectrales du rayonnement solaire, son énergie est dispersée dans toutes les directions par les molécules d'air et les aérosols dans l'atmosphère, c'est-à-dire le rayonnement diffusé. Elle est différente de l'absorption d'énergie rayonnante par le milieu : il est impossible pour chaque particule de l'atmosphère de convertir l'énergie rayonnante en sa propre « énergie interne », mais seulement de changer la direction du rayonnement. Le rayonnement diffusé est étroitement lié à la taille des particules dans l'atmosphère, il existe donc une diffusion moléculaire et une diffusion à gros grains. L'énergie et la direction de la diffusion sont également étroitement liées au type de diffusion.
La somme de la valeur du rayonnement solaire direct et de la valeur du rayonnement diffusé dans des conditions de ciel bleu est le rayonnement solaire total.
Les changements dans l'activité solaire et la distance entre le soleil et la terre provoqueront des changements dans l'énergie du rayonnement solaire de la limite supérieure de l'atmosphère terrestre. On estime que l'énergie rayonnée par le soleil vers la terre tous les trois jours est équivalente à la somme de l'énergie de tous les combustibles fossiles sur la terre. La répartition du rayonnement solaire est affectée par de nombreux facteurs, tels que la latitude, l'altitude, les conditions météorologiques et la durée d'ensoleillement, etc., qui doivent être pris en compte de manière globale. De manière générale, le rayonnement solaire diminue progressivement des basses latitudes vers les hautes latitudes. Les nuages sont minces dans les zones de haute altitude, l'effet affaiblissant de l'atmosphère sur le rayonnement solaire est faible et le rayonnement solaire est fort, l'inverse est vrai dans les zones de basse altitude. Il y a peu de nuages lors d'une journée ensoleillée, l'effet affaiblissant de l'atmosphère sur le rayonnement solaire est faible et le rayonnement solaire est fort. Dans la même zone, plus la durée d'ensoleillement est longue, plus elle reçoit de rayonnement solaire. Il existe trois façons pour les humains d'utiliser l'énergie solaire : la conversion photothermique, la conversion photoélectrique et la conversion photochimique.
La conversion lumière-chaleur consiste à collecter l'énergie solaire par divers collecteurs et à utiliser l'énergie thermique collectée au service de l'humanité.
L'application la plus répandue de l'énergie solaire au début était de chauffer l'eau, et il existe maintenant des millions de chauffe-eau solaires dans le monde. Le système de panneau solaire maison de l'eau comprend principalement trois parties : collecteur, dispositif de stockage et canalisation de circulation.
L'utilisation de l'énergie solaire pour le chauffage en hiver est utilisée depuis de nombreuses années dans de nombreuses régions froides. Parce que la température dans la zone glaciale est très basse en hiver, il doit y avoir du matériel de chauffage à l'intérieur.Si vous voulez économiser la consommation d'énergie fossile, vous pouvez essayer d'utiliser l'énergie solaire. La plupart des serres solaires utilisent des systèmes à eau chaude, et il existe des exemples d'utilisation de systèmes à air chaud. Le système de chauffage solaire est composé d'un capteur solaire, d'un dispositif de stockage thermique, d'un système d'énergie auxiliaire et d'un système de ventilateur de chauffage intérieur. La chaleur rayonnante solaire est stockée par le fluide de travail dans le capteur, puis chauffe la pièce.
À l'heure actuelle, les États-Unis ont construit plus d'un million de systèmes de chauffage solaire actifs et plus de 250 000 systeme energie solaire maison passives et centrale solaire photovoltaïque qui reposent sur le flux naturel d'air froid et chaud.
La conversion photoélectrique est la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Actuellement, l'énergie solaire est utilisée pour la production d'électricité de deux manières : la première est la production d'énergie thermique, qui consiste d'abord à utiliser un collecteur de chaleur pour convertir l'énergie solaire en énergie thermique, puis à utiliser une turbine à vapeur pour convertir l'énergie thermique en énergie électrique ; l'autre est la production d'énergie photovoltaïque, qui utilise l'effet photoélectrique des panneaux solaires.Convertir l'énergie solaire directement en électricité.
Le principe de fonctionnement de la cellule solaire : Le panneau solaire est un appareil qui réagit à la lumière et peut convertir l'énergie lumineuse en électricité. Il existe de nombreux types de matériaux pouvant produire un effet photovoltaïque, tels que : le silicium monocristallin, le silicium polycristallin, le silicium amorphe, l'arséniure de gallium, l'indium, le cuivre, le sélénium, etc. Leurs principes de production d'électricité sont fondamentalement les mêmes, en prenant les cristaux comme exemple pour décrire le processus de production d'électricité photovoltaïque. Le silicium cristallin de type P peut être dopé au phosphore pour obtenir du silicium de type N, formant une jonction P-N. Lorsque la lumière irradie la surface de la cellule solaire, une partie des photons est absorbée par le matériau silicium ; l'énergie des photons est transférée aux atomes de silicium, provoquant une transition des électrons, devenant des électrons libres, se rassemblant des deux côtés de la jonction PN pour former une différence de potentiel.Lorsque le circuit est allumé, sous l'action de cette tension, un courant traversera le circuit externe pour produire une certaine puissance de sortie. L'essence de ce processus est : le processus de conversion de l'énergie des photons en énergie électrique.La base de la conversion de l'énergie des cellules solaires est l'effet photovoltaïque de la jonction. Lorsque la lumière irradie la jonction pn, une paire électron-trou est générée. Les porteurs générés près de la jonction interne du semi-conducteur atteignent la région de charge d'espace sans être recombinés. Attirés par le champ électrique intégré, les électrons circulent dans la région n et les trous s'écoulent dans le p En conséquence, il y a des électrons en excès dans la zone n et des trous en excès dans la zone p. Ils forment un champ électrique photogénéré qui est opposé à la direction de la barrière près de la jonction pn. En plus de compenser partiellement l'effet du champ électrique barrière, le champ électrique photogénéré rend également la zone p chargée positivement et la zone N négativement chargée. Une force électromotrice est générée dans la couche mince entre la zone N et la P -zone, qui est l'effet photovoltaïque. A ce moment, si le circuit externe est court-circuité, un photocourant proportionnel à l'énergie lumineuse incidente circule dans le circuit externe.Ce courant est appelé courant de court-circuit.En revanche, si les deux extrémités de la jonction PN sont ouverts, les trous s'écoulent respectivement dans la zone N et la zone P, de sorte que le niveau de Fermi de la zone N est supérieur au niveau de Fermi de la zone P, et une différence de potentiel est générée entre les deux niveaux de Fermi. Cette valeur peut être mesurée et est appelée tension en circuit ouvert. Étant donné que la jonction est polarisée en direct à ce moment, le photocourant de court-circuit mentionné ci-dessus est égal au courant direct de la diode, et la valeur de la différence de potentiel peut être déterminée à partir de cela. À l'heure actuelle, le coût des cellules solaires est encore relativement élevé.Pour obtenir une puissance suffisante, une surface considérable est nécessaire pour placer des panneaux solaires.
En 1953, Bell Labs aux États-Unis a développé la première cellule solaire au silicium au monde avec un rendement de conversion de 0,5%.En 1994, le rendement de conversion des modules solaires photovoltaïques était passé à 17%.
La conversion photochimique consiste à convertir d'abord l'énergie solaire en énergie chimique, puis en une autre énergie telle que l'énergie électrique. Nous savons que les plantes dépendent de la chlorophylle pour convertir l'énergie lumineuse en énergie chimique afin de réaliser leur propre croissance et reproduction. Si le mystère de la conversion photochimique peut être révélé, la chlorophylle artificielle peut être utilisée pour produire de l'électricité. Actuellement, la conversion photochimique module solaire (PV module solaire )est activement explorée et étudiée.