Концентратори сонячного випромінювання.. 26

1.3 Принципи голографії..................................... 36

1.4 Сонце, як джерело невичерпної та екологічно чистої

енергії................................................. 46

2 Голографічний концентратор сонячного

випромінювання.......................................... 53

3 Розрахунково-вимірювальна частина.................. 59

3.1 Розрахунок райдужної голограми........................... 59

3.2 Визначення вкладу голографічного концентратора

в загальний генерований струм............................. 64

4 Охорона праці та безпека у надзвичайній ситуації..... 69

4.1 Основні законодавчі та нормативно-правові

документи з охорони праці в Україні........................ 69

4.2 Коротка характеристика, описання об’єкта

дипломного проектування.................................. 74

4.3 Аналiз умов працi, виявлення небезпечних і шкідливих

виробничих факторiв при монтажі сонячної батареї............ 76

4.4 Розробка органiзацiйних заходiв з охорони праці

та вибір колективних та індивідуальних засобів захисту

при висотних роботах.................................... 78

4.5 Методи захисту в електричних установках.................. 80

4.6 Розрахунок блискавкозахисту............................. 83

4.7 Охорона праці та безпека у надзвичайній ситуації

природного характеру..................................... 89

5 Економічна частина...................................... 95

5.1 Опис проекту, мета його розробки, технічні та

наукові особливості..................................... 95

5.2 Розрахунок інвестицій на створення і монтаж

порівнюваних сонячних батарей........................... 98

5.3 Визначення економічної, соціальної, соціально-

економічної, ефективності і доцільності створення

установки............................................... 101

ВИСНОВКИ................................................... 105

Література.................................................. 107

ВСТУП

У другій половині ХХ століття перед людством повстала глобальна проблема – це забруднення навколишнього середовища продуктами згоряння органічного палива. Навіть якщо розглядати окремо кожну галузь цієї проблеми, то картина буде складатися жахлива. Наприклад, тільки викид в навколишнє середовище шкідливих речовин автомобілями привів до того, що вже всі великі міста світу загрузли в смозі. До цього ще необхідно додати продукти згоряння палива на теплових електростанціях, затоплення величезних територій гідроелектростанціями і постійна небезпека в районах АЕС. Але у цієї проблеми є і друга сторона медалі: всі джерела енергії, що зараз активно використовуються є вичерпаними ресурсами. Тобто через кілька десятків років при таких темпах споживання вугілля, нафти і газу населення Землі загрузне в енергетичній кризі.

Альтернативні та відновлювані джерела енергії, такі як енергія вітру та сонячного світла, гідро-і геотермальна енергія, у всьому світі привертають дедалі більше уваги. Зростаючий інтерес до них викликаний екологічними міркуваннями, з одного боку, і обмеженістю традиційних земних ресурсів – з іншого. Особливе місце серед альтернативних і поновлюваних джерел енергії займають фотоелектричні перетворювачі сонячної енергії, вивчення яких перетворилося в окремий науковий напрям - фотовольтаїку.

Адже сонячні промені приносять приблизно по 1 кіловату потужності на кожен квадратний метр земної поверхні. Незважаючи на такий високий потенціал, внесок поновлюваних джерел енергії в сумарне енерговиробництво практично всіх країн невеликий через високу вартість сонячних елементів. І це до недавнього часу закривало їм шлях в області, де без них можна обійтися. Але часи змінюються, і економічно передові держави у своїх національних програмах вже стимулюють масове застосування сонячних батарей. Сонячні панелі подешевшали і стали серйозним джерелом енергії. У минулому році у всьому світі сумарна потужність сонячних електростанцій перевищила 20 гігават! І цей показник з початку нинішнього століття подвоюється кожні три роки. Але, на жаль, не в країнах СНД.

Сировиною для виробництва більшості типів сонячних батарей є кремній, як стверджують вчені – другий за поширеністю елемент на нашій планеті. На кремній припадає більше чверті загальної маси земної кори. Чому ж тоді сонячні елементи на основі кремнію такі дорогі?

Справа в тому, що в більшості випадків ця речовина зустрічається у вигляді окису – SiO₂, а ось добути чистий сіліціум з цього з'єднання складно, навіть проблематично. Тут мають місце вартісні фактори, особливості технологій. Цікаво зазначити, що собівартість чистого «сонячного» кремнію дорівнює собівартості урану для АЕС, от тільки запасів кремнію на нашій планеті в 100 000 разів більше.

Найбільш ефективними і поширеними для широкого споживання є монокристалічні кремнієві елементи. Для виготовлення таких елементів кремній очищається, плавиться і кристалізується в злитках, від яких відрізають тонкі шари. Зовні монокристалічні елементи виглядають як однотонна поверхня темно-синього або майже чорного кольору. Крізь кремній проходить сітка з металевих електродів. Ефективність такого елемента становить від 16 до 19% в стандартних умовах тестування.

Об'єднанавши фотоелектричні перетворювачі (фотоелементи) – напівпровідникові пристрої, що прямо перетворюють сонячну енергію в постійний електричний струм, отримуємо сонячну батарею. Сонячні батареї мають свої переваги:

1. Загальнодоступність і невичерпність джерела.

2. Теоретично, повна безпека для навколишнього середовища.

Але також є і недоліки:

1. Залежність від погоди і часу доби.

2. Як наслідок необхідність акумуляції енергії.

3. Висока вартість конструкції.

4. Необхідність постійного очищення відбиваючої поверхні від пилу.

5. Нагрівання атмосфери над електростанцією.

6. Велика займана площа.

Сонячна енергія може стати головним джерелом електроенергії як через численні екологічних, так і економічних переваг і доведенною надійності вже через кілька років.

1 Аналітичний огляд

1.1 Типи сонячних електростанцій.

Сонячна енергетика - це галузь науки і техніки, що розробляє наукові основи, методи і технічні засоби використання енергії сонячного випромінювання на Землі і в космосі для отримання електричної, теплової або інших видів енергії і визначальна області і масштаби ефективного використання енергії Сонця в економіці країни.

Сонячна електростанція – інженерна споруда, що служить для перетворення сонячної радіації в електричну енергію. Способи перетворення сонячної радіації різні і залежать від конструкції електростанції.

Отримання електроенергії від сонця давно застосовується у всьому світі. Головним завданням учених на даний момент є необхідність так удосконалити наявні технології, щоб якомога більше збільшити їх ККД.

Сонячна енергія вельми універсальна з точки зору можливостей її використання людиною для своїх потреб сонячне випромінювання може бути відносно легко перетворено в теплову, механічну і електричну енергію, а також використана в хімічних і біологічних процесах. Сонячні електроустановки (СЕУ) працюють в системах опалення та охолодження житлових, громадських та промислових будівель, в технологічних процесах протікають при будь-яких температурах (від дуже низьких до ультрависоких). Самі технологічні процеси перетворення і використання сонячного випромінювання за своєю технологічної складності можуть бути дуже різними. Самі СЕУ можуть бути за своїми габаритами також різними: від мікромініатюрних джерел живлення мікрокалькуляторів і ручних годинників до величезних технічних конструкцій в баштових СЕС висотою 100 м і вагою в сотні тонн.

У залежності від технологічних схем СЕУ можуть істотно відрізнятися один від одного - від найпростіших нагрівальних плоских поверхонь до найскладніших систем управління для стеження за Сонцем з метою отримання максимального приходу сонячного випромінювання на перетворювач.

Перший вид сонячних установок відрізняються тим, що вони не виробляють електричну енергію, а використовується саме тепло. Це сонячні колектори (СК). Так називаються технічні пристрої, призначені для уловлювання сонячної радіації, перетворення її в теплоту і передачу цієї теплоти проміжному теплоносію, що подається в тепловикористовуючу технологічну або енергетичну установку.

Розрізняють два типи сонячних колекторів – плоскі і фокусуючі. У плоских колекторах солсонячна енергія поглинається без концентрації, а в фокусуючих – з концентрацією, тобто з збільшенням щільності надходячого потоку радіації. Найбільш поширеним типом колекторів у низькотемпературних геліоустановки є плоский колектор сонячної енергії (КСЕ). Його робота заснована на принципі «гарячого ящика» або парника. Сонячна енергія переноситься головним чином світловими і в меншій мірі інфрачервоними променями. Світлові промені досить добре проходять через верхню скляну (або з полімерної плівки) панель колектора і поглинаються на поверхнею, виконаною з високотеплопровідного матеріалу, що має високий коефіцієнт поглинання. Трубки з рухомим в них теплоносієм мають надійний тепловий контакт з цією поверхнею. Сукупність плоскої променепоглинальної поверхні і труб (каналів) для теплоносія утворює єдиний конструктивний елемент - абсорбер сонячної радіації. Для кращого поглинання сонячної енергії верхня поверхня абсорбера забарвлюється в чорний колір або має спеціальне поглинаюче покриття. Нагріваючись, абсорбер випромінює тепло на внутрішні поверхні колектора.

Тобто в основному це нагрівальні низькотемпературні установки, що використовуються для автономного гарячого водопостачання житлових і виробничих об'єктів. Ці пристрої сьогодні представляють собою найбільш поширений тип сонячних перетворювачів. Робота пристрою здійснюється при температурі від ста до двохсот градусів.

Другий вид – це сонячні електростанції, бувають двох видів:

1. Термодинамічні – перетворюють сонячну енергію в теплову, а потім в електричну; потужність термодинамічних сонячних електростанцій вище, ніж потужність фотоелектричних станцій. До їх числа можна віднести геліоелектростанції (ГЕЕС). Це сонячні установки, які використовують висококонцентроване сонячне випромінювання в якості енергії для приведення в дію теплових та інших машин (парових, газотурбінних, термоелектричних та ін) Сфери практичного застосування даних досить різні. Це і опалення приміщень, і вироблення електроенергії, і опріснення морської води.

У пристрої термодинамічних сонячних електростанцій використовують теплообмінні елементи із селективним світлопоглинаючим покриттям. Вони здатні поглинати до 97% потрапляючого на них сонячного світла. Ці елементи навіть за рахунок звичайного сонячного освітлення можуть нагріватися до 200°С і більше. За допомогою них воду перетворюють на пар в звичайних парових котлах, що дозволяє отримати ефективний термодинамічний цикл в паровій турбіні. ККД сонячної паротурбінної установки може досягати 20%. [1]

На основі цього ефекту була розроблена конструкція аеростатної сонячної електростанції. Джерелом енергії в ній є балон аеростата, заповнений водяною парою. Зовнішня частина балона пропускає сонячні промені, а внутрішня покрита селективним світлопоглинальним покриттям, і дозволяє нагрівати вміст балона до 150-180°С. Отриманий всередині пар буде мати температуру 130-150°С, а тиск таке ж як атмосферний. Розпорошуючи воду всередині балона з перегрітою парою, отримують генерацію пари.

Пара з балона відводиться в парову турбіну допомогою гнучкого паропроводу, а на виході з турбіни перетворюється в конденсаторі у воду. З нього воду за допомогою насоса подають назад в балон. За рахунок пара накопиченого за день, така електростанція може працювати і вночі. Протягом доби потужність турбогенератора можна регулювати відповідно до потреб.

Головною проблемою є спосіб розміщення сонячних аеростатних електростанцій. Такі електростанції можна розміщувати над землею, над морем чи в горах. У кожному випадку є свої плюси і мінуси.

2. Фотоелектричні – безпосередньо перетворюють сонячну енергію в електроенергію за допомогою фотоелектричного перетворювача. Фотоелектричні перетворювачі (ФЕП) – це напівпровідникові пристрої, що прямо перетворюють сонячну енергію в електрику. Певне число об'єднаних між собою ФЕП називаються сонячною батареєю. Перетворення енергії за допомогою ФЕП засновано на фотовольтаїчному ефекті, який виникає в неоднорідних напівпровідникових структурах при впливі на них сонячного випромінювання. Фактично є мережеві фотоелектричні системи, що виробляють електроенергію для передачі по "зеленому" тарифу в централізовану мережу, яка служить накопичувачем і розподільником електроенергії. Виробництво електроенергії за допомогою сонячних електростанцій добре узгоджується з концепцією розподіленого виробництва енергії. [2]

У сонячних фотоелектричних установках використовується явище фотоефект, що полягає в можливості прямого перетворення сонячного випромінювання в електрику в деяких матеріалах, званих напівпровідниками, відкритими в 1887 р Герцем і детально дослідженими в 1888 р Столетовим.

Суть фотоефекту полягає в тому, що фотони світла, як основа сонячного випромінювання, можуть вибивати електрони або з поверхні тіл (зовнішній фотоефект) або тільки з кристалічної решітки всередині напівпровідника (внутрішній фотоефект), а також у виникненні під дією світла, падаючого на границі пари метал-напівпровідник деякої ЕРС, що викликає появу або зміну струму в зовнішньому ланцюзі, що з'єднує зазначену пару (фотоефект, замикаючого шару або вентильний фотоефект).

Та найбільш поширені сьогодні у світі та перспективні пристрої на напівпровідникових переходах званих фотоелементами або сонячними елементами (СЕ). У СЕ під дією падаючого випромінювання відбувається просторовий перерозподіл зарядів і виникає ЕРС. Сьогодні переважна більшість СЕ представляють собою кремнієві напівпровідникові діоди вперше створені в 1954 р.

Сонячні фотоелектричні системи прості в експлуатації і не мають рухомих механізмів, проте самі фотоелементи містять складні напівпровідникові пристрої, аналогічні використовуваним для виробництва інтегральних схем. В основі дії фотоелементів лежить фізичний принцип, при якому електричний струм виникає під впливом світла між двома напівпровідниками з різними електричними властивостями, що знаходяться в контакті один з одним. Сукупність таких елементів утворює фотоелектричну панель, або модуль. Фотоелектричні модулі, завдяки своїм електричним властивостям, виробляють постійний, а не змінний струм. Він використовується в багатьох простих пристроях, що живляться від батарей. Змінний же струм, навпаки, змінює свій напрямок через регулярні проміжки часу. Саме цей тип електрики поставляють енерговиробники, він використовується для більшості сучасних приладів та електронних пристроїв. У найпростіших системах постійний струм фотоелектричних модулів використовується безпосередньо. Там же, де потрібен змінний струм, до системи необхідно додати інвертор, який перетворює постійний струм у змінний.

Майже всі напівпровідникові прилади, у тому числі і кремнієві фотоперетворювачі, являють собою систему з двох напівпровідників з провідностями р - чи n -типу, що знаходяться в тісному контакті один з одним. Перехідна зона (границя) між областями з протилежними типами провідності розташовується усередині напівпровідникового матеріалу і називається електронно-дірковим або р-n -переходом

Завдяки тому, що по одну сторону від p-n -переходу в надлишку знаходяться вільні електрони (n -область), а по інший - дірки (р -область), кожен тип цих вільних носіїв струму буде мати тенденцію дифундувати в ту частину напівпровідникового матеріалу, де є їх нестача (теплова самодифузія). Таким чином, дірки будуть прагнути дифундувати з р -області в п -область напівпровідника, а електрони з п -області - в р -область.

При попаданні сонячного випромінювання на СЕ в шарах відбувається просторова поява неосновних носіїв зарядів, зі знаками, протилежними основним носіям в n- і р – областях (відповідно зі знаком "+" і "-"). Під впливом отриманого електростатичного притягання вільні основні носії зарядів обох знаків дифундують через границю дотику областей і утворюють поблизу неї p-n гетероперехід з деякою напруженістю електричного поля Ek, з контактною різницею потенціалів Uk. [3]

Головним елементом фотоелектричних станцій є сонячні батареї. Вони складаються з тонких плівок кремнію або інших напівпровідникових матеріалів і можуть перетворювати сонячну енергію в постійний електричний струм.

Сонячна батарея (модуль, панель) являє собою фотоелектричний генератор постійного струму, принцип дії якого, як указано вище, заснований на фізичній властивості напівпровідників: фотони світла вибивають електрони із зовнішньої орбіти атомів напівпровідника, створюючи при цьому достатню кількість вільних електронів для виникнення електричного струму. При замиканні ланцюга виникає електричний струм. Для отримання необхідної кількості потужності зазвичай одного або двох елементів недостатньо. Тому їх об'єднують в панелі, де з'єднують паралельно або послідовно для отримання необхідних параметрів по струму і напрузі. При збільшенні числа панелей збільшується і вироблена потужність. Ефективність перетворення сонячної енергії в електрику залежить не тільки від площі батареї, але і від інтенсивності сонячного світла і кута падіння променів, а значить ККД батареї визначається її місцем розташування (географічною широтою), погодою, порою року і доби. [1]

Згенерована електроенергія зазвичай акумулюється. Коли акумулятор для зарядки під'єднується до сонячної панелі, зазвичай в ланцюг необхідно включати контролер для попередження перезаряду. Ця схема використовує паралельний спосіб підключення. При цьому способі сонячна панель завжди підключена до акумулятора через послідовний діод. Коли сонячна панель заряджає акумулятор до бажаного максимального напруження, схема паралельно сонячній панелі підключає навантажувальний резистор, щоб поглинати надлишкову потужність з сонячної панелі.

Функція корисної потужності, що віддається сонячною батареєю в навантаження, залежить від виробленої напруги, яка в свою чергу залежить від інсоляції - тобто від інтенсивності сонячного світла і температури самої батареї. Робота на кривій залежності струм/напруга де-небудь ще крім точки максимальної одержуваної потужності, призводить до зниження ефективності роботи і втрати доступної енергії. Отже, контроль точки максимальної потужності є необхідною функцією в передових системах управління джерелами сонячної енергії, так як це може збільшити практичну ефективність часто на 30% і більше.

В даний момент на ринку переважають три основних види сонячних батарей: монокристалічні, тонкоплівкові (аморфні) та полікристалічні сонячні панелі.

Монокристалічні батареї відносяться до найбільш популярного виду сонячних батарей серед покупців. Батареї такого типу складаються з силіконових осередків, причому цих осередків дуже багато. Силіконові осередки при попаданні на їх поверхню сонячних променів перетворять їх в електроенергію за рахунок фотоелектричного ефекту. Оптимальна кількість осередків в монокристалічних батареях – 36. Це позитивно позначається на виробленні електричної енергії. Батареї цього типу відрізняються компактним розміром і легкістю. Дані панелі можуть трохи згинатися. Така властивість використовується для монтажу установок на нерівних поверхнях, на яких складно досягти правильного кута нахилу.

Установки з монокристалів мають міцний і надійний склопластиковий корпус. Він не пропускає вологу всередину установки, може бути використаний на кораблях під час довгострокових плавань. В той же час сонячні батареї не мають рухомих елементів, що робить їх більш надійними і довговічними. Ці батареї можна застосовувати для зарядки акумуляторів, забезпечення живлення бортового обладнання на кораблях далекого плавання, електроживлення насосів для саду, освітлення присадибних ділянок, живлення засобів зв'язку, сигналізації і т.д. Для даного виду сонячних батарей максимальна потужність досягається при ясному небі, середній температурі повітря 25°С і напрямку панелей прямо на сонце. Навіть невелика хмарність сильно знижує потужність установки (на 70%), а сильна хмарність практично блокує її роботу (на 90%). Діапазон робочих температур для одержання оптимальної потужності коливається від 15 до 25°С. У наших широтах кількість сонячної енергії змінюється залежно від сезону.

Основний матеріал – вкрай чистий кремній, з якого виготовлені монокристалічні сонячні панелі, добре освоєний в області виробництва напівпровідників. Кремнієвий монокристал зростає з «насіння», яке повільно витягується з кремнієвого розплаву. Стрижні, отримані таким шляхом, ріжуться на частини товщиною від 0,2 до 0,4 мм Потім ці диски піддаються ряду виробничих операцій, таких як:обточування, шліфування і очищення; накладення захисних покриттів; металізація; антирефлексіонне покриття.

Тонкоплівкові батареї – найбільш дешевий варіант з усіх видів сонячних батарей. Цей фактор відображається на попиті даного виду у споживачів. Вони відкривають безмежні можливості для бажаючих вкласти свої кошти в виробництво електроенергії. Особливості даних панелей дозволяють встановлювати їх в будь-яке зручне клієнтові місце (дах, стіна будівлі, земельна ділянка). Для цих батарей, на відміну від попереднього виду, не потрібні прямі сонячні промені. За потужністю вони набагато зручніші, ніж інші типи батарей, тому що втрати потужності при похмурій погоді складають від 10 до 15%. Тонка плівка, якою покрита поверхня, для нашої місцевості є набагато більш зручним матеріалом, ніж монокристали, так як вона відмінно працює і в умовах запиленості. Єдиним мінусом цих установок є потреба у великій площі, найчастіше в 2,5 рази більше ніж для попереднього виду. В основному їх не застосовують для побутових потреб, а використовують для великих систем електропостачання.

Аморфний кремній виходить за допомогою «техніки випарної фази», коли тонка плівка кремнію осідає на несучий матеріал і захищається покриттям. Ця технологія має ряд недоліків і переваг:

· процес виробництва сонячних панелей на основі аморфного кремнію відносно простий і недорогий;

· можливе виробництво елементів великої площі;

· низьке енергоспоживання.

Однак:

· ефективність перетворення значно нижче, ніж у кристалічних елементах;

· елементи схильні до процесу деградації.

Ще однією альтернативою монокристалічним панелям є полікристалічні сонячні батареї. Для цього виду сонячних батарей застосовується більш вигідний за вартістю полікристалічний кремній яскраво синього кольору. Такі батареї застосовують для освітлення парків, дворів, вулиць, шосе, для електропостачання приватних будинків і дач, лікарень, шкіл, кафе, засобів зв'язку, обладнання для охорони здоров'я, для електропостачання нафтопроводів і газопроводів, для зарядки акумуляторів побутової техніки (мобільних телефонів, ноутбуків і т.д.)

Полікристалічний кремній розвивається, коли кремнієвий розплав охолоджується повільно і знаходиться під контролем. При виробництві полікристалічних панелей операція витягування опускається, воно менш енергоємне і значно дешевше. Проте всередині кристала полікристалічного кремнію є області, відокремлені зернистими границями, що викликають меншу ефективність елементів.

Модулі сонячних батарей конструктивно реалізуються у вигляді монолітного ламінату спаяних монокристалічних елементів.

Каркасна сонячна батарея виконана у вигляді панелі, укладеної в каркас з алюмінієвого профілю. Панель являє собою фотоелектричний генератор, що складається зі скляної плити з заламінованими на ній елементами. До внутрішньої сторони корпусу модуля прикріплений діодний блок, під кришкою якого розміщені електричні контакти, призначені для підключення модуля.

Безкаркасні модулі представляють собою ламінат на алюмінії, кклотекстоліті, а також - без всякої підкладки. Сонячні елементи розташовані між двома шарами ламінуючої плівки ЕВА (етил-вініл-ацетат). Лицьова сторона захищена оптично прозорою плівкою, а тильна - або підкладкою (склотекстоліт, алюміній), або тієї ж плівкою без додаткових вимог до оптичних характеристик.

Одна з головних переваг панелей їх довговічність і витриваліть. Сонячні батареї зберігають працездатність:

• в діапазоні температур від -50˚С до +75˚С

• атмосферному тиску 84-106.7 кПа;

• відносній вологості до 100%;

• при інтенсивності дощу 5мм/хв;

• снігового або ожеледно-вітрового навантаження до 2000 Па.

Сонячна батарея являє собою, перш за все, закінчений фотоелектричний перетворювач, який був розглянутий вище, його технічні характеристики справедливі як для окремих елементів, так і для сонячних батарей. [4]

Фотоелектричні станції із сонячними елементами на основі кремнію, які перетворять в електричну енергію сонячне світло з ККД 12-15%, є однією з найбільш перспективних технологій сонячної енергетики. Основні проблеми використання сонячної енергії заключаються у високій вартості кристалічного кремнію, що являє собою основу сонячних енергетичних установок, а також у низькій ефективності сучасних сонячних батарей (СБ), обумовленої тим фактом, що з усього сонячного спектра тільки вузька частина використовується для перетворення в електроенергію.

Ці проблеми вирішуються по-різному. З метою зменшення розмірів використовуваних напівпровідникових панелей (отже, ціни СБ і ціни за ват виробленої електричної енергії), в таких установках зазвичай застосовуються лінзові, призмові або дзеркальні концентратори енергії, що дозволяють істотно зменшити площу кремнієвих панелей без зниження обсягів виробленої електричної енергії. Такі концентратори характеризуються концентруючою здатністю близько 100 (при цьому концентрується весь спектр, а не та його частина, яка бере участь в перетворенні енергії), вони громіздкі, важкі. Така конструкція СБ вимагає охолодження кремнієвих панелей, а також наявності механізму повороту панелі відповідно до руху сонця. При цьому їх використання істотно погіршує зовнішній вигляд дахів будинків, які використовують сонячні енергетичні установки.

Другий напрямок у підвищенні ефективності СБ – створення напівпровідникових матеріалів з розщепленими смугами поглинання і сонячних батарей на їх основі, що перетворюють в струм фотони відразу декількох частот. Ці, давно розпочаті роботи, ведуться до цих пір; є певні успіхи, але масового продукту на основі цієї технології поки немає.

Третій шлях підвищення ефективності СБ – це використання якоїсь системи або процесу, що перетворює всі фотони падаючого сонячного світла в фотони тільки однієї оптимальної частоти на яку розрахований фотоелектричний перетворювач. Процес, при якому два фотони низької енергії перетворювалися в один високоенергетичний фотон раніше демонструвався лише з лазерними променями високої щільності енергії в пучку. Процес перетворення здійснюється в розчині, в якому присутні два види специфічних молекул: так звані «антени» і «емітери». Дослідникам довелося багато попрацювати, щоб підібрати потрібні речовини для зелено-синього перетворення частоти. Очевидно, що можна підібрати речовини таким чином, щоб вони реагували на різні частоти падаючого світла, а випромінювали (причому всі) тільки одну частоту. Однак до створення СБ на такому принципі перетворення сонячного випромінювання далеко. Бак з рідким розчином не влаштовує розробників по конструктивним причинам, хоча вони стверджують, що такого ж ефекту перетворення сонячного світла можна добитися і в твердому розчині, додаючи підходящі антени і емітери в товщу прозорого полімеру. [1]

Абсолютно новий і оригінальний підхід в усуненні недоліків сонячних енергетичних установок запропонувала американська компанія Prism Solar Technologies, яка розробила і випробувала сонячну батарею з голографічним концентратором, вартість якої становить лише 25% від вартості традиційних сонячних енергетичних установок, що дозволяє їй успішно конкурувати з електричними генераторами на рідкому паливі.

Сонячні фотоелектричні модулі, висунуті на ринок компанією, відрізняються низькою вартістю одного вата вихідної потужності і цілим рядом технічних моментів.

Загалом, всі сонячні фотоелектричні установки можуть бути наступних основних типів:

- Автономні, які працюють без підключення до мережі, тобто сонячні модулі генерують електроенергію для освітлення, живлення електричною енергією об'єктів, розташованих на істотній відстані від центральних мереж. У цьому випадку, підключення до основної мережі досить проблематично і тягне за собою підвищені трудові і фінансові витрати. Для автономного типу сонячних установок є обов'язковим використання блоку ємнісних акумуляторних батарей, в яких буде накопичуватися згенерована електроенергія. Згодом вона буде витрачатися на власні потреби споживача. Дана система, в залежності від своєї конфігурації, здатна забезпечити споживача змінним або постійним струмом. Єдине, що варто врахувати, так це установку перетворювача напруги (інвертора) (12В/24В/48В-220В). Завдяки даним сонячним батареям можна забезпечити все навантаження досить великого заміського будинку

- Сполучені з мережею – в цьому випадку об'єкт підключений до мережі централізованого електропостачання. Надлишок електричної енергії продається компанії-власнику розподільних мереж за узгодженим тарифом.

Даний тип систем отримав масове поширення в найбільш розвинених країнах світу. Принцип такий: кожен бажаючий може придбати собі сонячні модулі, генерувати з їх допомогою електроенергію і продавати її в централізовану мережу. Особливо привабливим моментом у цьому напрямку є те, що держава купує екологічно чисту електроенергію в 3-4 рази вище, ніж за неї платять споживачі з центральної мережі. Тобто, це чудовий спосіб мати стабільний і необтяжливий дохід.

Програма, що одержала назву «зелені тарифи» стала особливо популярною в США та Японії. Люди, які всерйоз зацікавилися даним напрямком, вибудовують цілі поля з сонячних батарей. Для з'єднання з мережею використовують інвертор, що володіє функцією «закачування» отриманої електроенергії в мережу.

- Резервні системи, в яких фотоелектричні системи підключаються до мережі низької якості. І у випадку відключення мережі чи недостатньої якості мережевої напруги навантаження частково або повністю покривається сонячною системою.

Даний тип АСЕ придбав найбільш масове застосування. Вони актуальні на постійно функціонуючих об'єктах, таких як банківські сервери, сигналізації, охоронні системи, аеропорти, військові об'єкти і т.д. Звести ці системи можна тільки за наявності інвертора або безперебійного блоку живлення. В основі принципу роботи лежить автоматичне включення в роботу резервної системи в тому випадку, якщо знеструмлюється централізована мережа. У цьому випадку, у витрату йде електроенергія, що генерується сонячними батареями і запасена в акумуляторних блоках (АКБ), якої вам вистачить на досить тривалий період часу. Після відновлення централізованої енергоподачі, модулі будуть працювати на поповнення витраченої енергії з АКБ.

Існує кілька способів пасивного використання сонячної енергії в архітектурі. Використовуючи їх, можна створити безліч різних схем, тим самим отримуючи різноманітні проекти будівель. Пріоритетами при спорудженні будівлі з пасивним використанням сонячної енергії є: вдале розташування будинку; велика кількість вікон, звернених на південь (у Північній півкулі), щоб пропускати більше сонячного світла в зимовий час (і навпаки, невелика кількість вікон, звернених на схід чи захід, щоб обмежити надходження небажаного сонячного світла в літній час); правильний розрахунок теплового навантаження на внутрішні приміщення, щоб уникнути небажаних коливань температури і зберігати тепло в нічний час, добре ізольована конструкція будівлі.

Пасивне використання сонячного світла забезпечує приблизно 15% потреби обігріву приміщень в стандартному будівлі і є важливим джерелом енергозбереження. При проектуванні будівлі необхідно враховувати принципи пасивного сонячного будівництва для максимального використання сонячної енергії. Ці принципи можна застосовувати скрізь і практично без додаткових витрат.

1.2 Концентратори сонячного випромінювання.

Сонячна енергія на Землі характеризується розсіянням по площі, що вимагає значних площ для отримання необхідної потужності СЕС. З іншого боку, як було сказано ряд технологій у сонячній енергетиці вимагає отримання від сонячного випромінювання в СЕУ досить високих температур (до 500 – 2000˚С і вище). Те ж арал можна відзначити навіть у найпростіших СЕУ. Наприклад, в сонячних печах або сонячних плавильних установках. Нарешті, що стосується енергетичних особливостей СФЕУ, ефективність подібних СЕУ істотно залежить від інтенсивності сонячного випромінювання, що припадає на приймальний майданчик з фотоелементами.

Вирішення зазначених вище проблем та збільшення ККД установки в деякій мірі може бути реалізовано за рахунок застосування різних концентраторів сонячного випромінювання. В залежності від виду концентратора та інших особливостей конструкції сонячні електростанції (СЕС) поділяються на кілька типів.

Застосування концентраторів дозволяє не тільки підняти енергетичну ефективність сонячних фотоелектричних установок, але також поліпшити їх енерго-економічні та експлуатаційні показники за рахунок зменшення витрати дефіцитних матеріалів, зниження вартості, підвищення стійкості до дії зовнішніх чинників. При цьому, однак, виникає необхідність оптимального узгодження параметрів концентраторів і фотоперетворювачів, у зв'язку з чим підвищуються вимоги до точності розрахункових оцінок характеристик концентруючих систем.

Основні функціональні призначення концентруючих системи в загальному випадку – підвищення щільності потоку сонячного випромінювання до рівня, що забезпечує його ефективне і економічне перетворення в енергію необхідного виду. Інтегральним показником, що характеризує цю функцію системи, є середній коефіцієнт концентрації:

,

де Е_КСР – серднє значення щільності сконцентрованого променистого потоку на приймач;

Е_П – щільність сонячного випромінювання у площині, перпендикулярній напряму його розповсюдження.

Характерні для сонячних фотоелектричних установки (СФЕУ) значення К_С лежать в діапазоні від одиниць до сотень крат.

При концентрації сонячного випромінювання не тільки підвищується його щільність, але змінюється розподіл у просторі, а отже, і на променесприймаючих поверхнях елементів перетворювача.

Вимоги до розподілу щільності сконцентрованого випромінювання істотно залежать від типу перетворювача, особливостей організації робочих процесів в його елементах і його конструкції.

Системи концентрування сонячного випромінювання призначені в загальному випадку для підвищення щільності потоку променистої енергії при його одночасному просторовому і спектральному перерозподілі. За рівнем підвищення щільності сонячного випромінювання або ступеня його концентрування, що характерезується значенням К_С системи концентрування з певною умовністю можна розділити на слабоконцентруючі і сильноконцентруючі.

Додатковим класифікаційною ознакою тут може служити ступінь рівномірності розподілу щільності сконцентрованого випромінювання або локального коефіцієнта концентрації на приймач. За цією ознакою розрізняють системи, що забезпечують рівномірне і нерівномірне опромінення сонячного приймача.

З існуючих концентроторов сонячного випромінювання можна виділити наступні.

СЕС з параболоїдним концентратором (рисунок 1.1): на конструкції встановлюється параболічне дзеркало великої довжини, а в фокусі параболи встановлюється приймач випромінювання (фотоелемент або труба з рідиною, що нагрівається).

Рисунок 1.1 – Параболоїдний циліндричний концентратор.

Форма відбиваючої поверхні параболоїда утворюється обертанням параболи навколо осі симетрії або переміщенням її вздовж осі (циліндричний параболоїд).

Одне з властивостей параболи – збіжність всіх світлових променів, що падають паралельно головній оптичній осі (осі симетрії) в фокусі.

Опису розподілу щільності енергії в фокусі параболоїдних концентраторів присвячено багато робіт. Парабола відноситься до розряду високопотенційних концентраторів, концентрація випромінювання яких може перевищити 10⁴.

У сонячних електростанціях енергія сонця використовуєтьсядля вироблення електроенергії в промислових масштабах. Основний принцип роботи сонячних електростанцій укладений у використанні концентруючих параболічних систем і дзеркал, розміщених на великій площі і направляючих сонячне випромінювання на приймач. Сконцентрированное випромінювання потім перетвориться в теплову енергію при температурах 200-1000°C (залежно від системи). Як і на звичайній електростанції, ця теплова енергія перетворюється в електричну за допомогою пари або парових турбін, або використовується для інших промислових цілей, наприклад, для опріснення води, охолодження або, в найближчому майбутньому, для виробництва водню. Завдяки принципу концентрації енергії сонця сонячні електростанції чудово накопичують теплову енергію, отриману порівняно простим і дешевим шляхом, і здатні виробляти струм навіть у темний час доби.

СЕС баштового типу (рисунок 1.2). У центрі станції стоїть башта висотою від 18 до 24 метрів (залежно від потужності та деяких інших параметрів висота може бути більше або менше). По колу від башти на деякій відстані розташовуються геліостати. Геліостат – дзеркало площею в кілька квадратних метрів, закріплене на опорі і підключене до загальної системи позиціонування. Тобто, залежно від положення сонця, дзеркало буде змінювати свою орієнтацію в просторі. Основна і найбільш трудомістка задача – це позиціонування всіх дзеркал станції так, щоб в будь-який момент часу всі відбиті промені від них потрапили на приймач.

Рисунок 1.2 – СЭС баштового типу.

Температура таких систем може перевищувати 1000°С, що забезпечує більш високу ефективність, особливо при використанні газових турбін, що значно знижує вартість електроенергії.

СЕС тарілчастого типу (рисунок 1.3). Даний тип СЕС використовує принцип отримання електроенергії, схожий з таким у СЕС з циліндрично параболоїдними концентраторами, але є відмінності в конструкції самої станції. Станція складається з окремих модулів. Модуль складається з опори, на яку кріпиться ферменна конструкція приймача і відбивача. Приймач знаходиться на деякій відстані від відбивача, і в ньому концентруються відбиті промені сонця. Відбивач складається з дзеркал у формі тарілок (звідси назва), радіально розташованих на фермі. Діаметри цих дзеркал досягають 2 метрів, а кількість дзеркал – кількох десятків (в залежності від потужності модуля). Такі станції можуть складатися як з одного модуля (автономні), так і з кількох десятків (робота араллельно з мережею).

Рисунок 1.3 – СЭС тарільчатого виду.

СЕС цього типу в даний час дуже поширені, так як в загальному випадку СЕС складається з великого числа окремих модулів (фотобатарей) різної потужності і вихідних параметрів. Дані СЕС широко застосовуються для енергозабезпечення як малих, так і великих об’єктів (приватні котеджі, пансіонати, санаторії, промислові будівлі і т. д.). Встановлюватися фотобатареї можуть практично скрізь, починаючи від покрівлі і фасаду будівлі і закінчуючи спеціально виділеними територіями. Встановлені потужності теж коливаються в широкому діапазоні, починаючи від постачання окремих насосів, закінчуючи електропостачанням невеликого селища.

Також існують, хоча і не набули широкого використання через свої габарити фокони та фокліни. Істотними відмінностями фоконів і фоклінів від інших типів відобиваючих і лінзових концентраторів є: 1) тривала робота в межах параметричного кута концентратора без стеження за положенням Сонця, 2) можливість використання деякої частини розсіяного випромінювання навколо сонячного диска. Цей фактор необхідно враховувати при виборі конкретного типу концентраторів для СФЕС, тому що сумарна вироблена енергія на концентраторах типу фоконів і фоклінів істотно збільшується в порівнянні, наприклад, з параболічними концентраторами, концентруючими тільки пряму сонячну радіацію. Освітленість СЕ в цих концентраторах за рахунок розсіювання навколосонячними зонами небосхилу може збільшитися порівняно з прямою сонячною радіацією на 10 – 15%.

Концентратори цього типу ефективно можуть бути використані також як вторинні відбивачі, що збільшують концентрацію світлового потоку від первинного дзеркала.

Паралельні ряди синхронно працюючих дзеркал, розташованих горизонтально або під кутом до горизонту, можна назвати лінійними жалюзійними геліостатами-концентраторами (ЛЖГ). Якщо дзеркала після відобивання зберігають паралельність сонячних променів, то вони працюють в режимі геліостата. Якщо відбиті промені створюють сходиться світловий потік, то система працює в режимі концентратора. При цьому один рух стеження здійснюється поворотом дзеркал навколо паралельних осей (стеження за висотою Сонця), інше – поворотом навколо вертикальної осі (стеження за часовим кутом).

У порівнянні з традиційними геліостатами ЛЖГ мають ряд відмінних особливостей:

- Можливість розміщення приймача випромінювання в площині, розташованої нижче рівня дзеркал;

- Можливість розміщення у відбитому потоці концентратора для отримання прийнятних значень опромінення приймача, при цьому вся система буде більш компактною, ніж при цілісному геліостататі;

- Значне зменшення вітрових навантажень, зменшення металоємності конструкції системи;

- Принципова можливість всю сонячну систему розмістити під прозорим захисним покриттям або системи «Закритого типу».

Але система стеження за переміщенням сонця має бути надточною, тому дана система концентратора також не набула широкого застосування

Крім відбиваючих систем також використовуються заломлюючі системи в якості концентраторів сонячного випромінювання. Заломлюючі системи (різного типу лінзи, призми) мають одну незаперечну перевагу перед відбиваючми концентраторами в тому, що приймач випромінювання винесений на тильну сторону приймаючої сонячне випромінювання поверхні, тобто не затіняється приймачем і його опорами. Але це дуже громіздкі, важкі і дорогі конструкції.

До лінзових концентраторів можуть бути віднесені наступні пристрої:

- Концентруючі лінзи Френеля, виконані у вигляді набору концентруючих заломлюючих елементів з прямими або кривими утворювачами робочих поверхонь;

- Лінійні (циліндричні) лінзи Френеля з заломлюючими елементами у вигляді трикутних призм;

- Дисперсійні лінзи Френеля, головним принципом роботи яких є розкладання світла в спектр, для чого підбирають фотоелектричні приймачі випромінювання з відповідною спектральною чутливістю.

- Голографічні лінзи Френеля.

Головною особливістю лінзових концентруючих систем є наявність хроматичної аберації. У лінзах з високою концентрацією хроматичні аберації зменшують ступінь концентрації, але при розрахунку геліотехнічних лінз з концентрацією близько 100 ними можна знехтувати. Для дисперсійних лінз дисперсію світла збільшують і строго контролюють.

Головні переваги лінз Френеля наступні:

1. Висока технологічність виготовлення лінз Френеля (пресовка, прокатка) та відносно низька вартість.

2. Високі конструктивні якості лінз як компактних, плоских об’єктів, що зручно монтуються на несучі конструкції з високим ступенем заповнення займаної площі.

3. Зручне для експлуатаційних цілей взаємне розташування приймача випромінювання на тильній стороні концентратора.

4. Можливість формування опромінення фокальної площині по необхідному закону, що досягається відповідною зміною профілю лінзи Френеля.

5. Менша, ніж для дзеркальних концентраторів, необхідна точність стеження.

Призматичні концентратори представляють в поперечному перерізі призму, що має передню приймаючу грань, задню грань з відбиваючим покриттям, розташовану під кутом α до передньої грані, і поверхня виходу концентрованого випромінювання. Працює концентратор наступним чином: випромінювання падає на передню грань під кутом α, заломлюється, відбивається від задньої грані і приходить на передню грань під кутом r_з> r_m де r_m – кут повного внутрішнього відбиття для матеріалу призми з коефіцієнтом заломлення n.

Також була запропонавана схема нагріву теплоносія за рахунок світла, що надходить по джгутам світловодів від кульових лінз. Ця схема приваблива тим, що світлопроводи підводять сонячне випромінювання безпосередньо на труби з теплоносієм, встановлені в захисному і теплоізольованому кожусі. Схема вимагає занадто багато світловодів, оскільки кульові лінзи малі за розмірами і при цьому необхідний досить трудомісткий механізм стеження за положенням фокусів кульових лінз. Ця схема може бути перетворена в більш просту схему для реалізації з лінзами Френеля. [5]

Концентратори можуть забезпечувати не тільки інтрегральний, а й спектральний перерозподіл сонячного випромінювання в просторі при нанесенні на їх поверхні відповідним чином підібраних оптичних покриттів. У даному випадку мова йде про так звані селективні і диспергуючі концентратори, перші з яких забезпечують вибіркову (селективну) концентрацію випромінювання, що відноситься до одного або декількох ділянок сонячного спетра, а другі концентрують весь падаючий на них потік сонячного випромінювання, але одночасно розкладають (диспергують) його на спектральні складові. Вимоги до характеристик розподілу сконцентрованого випромінювання в цьому випадку залежать від спектральної чутливості використовуваних перетворювачів сонячної енергії. Такі концетратори безсумнівно перспективні для застосування в СФЕУ внаслідок сильно вираженої селективності напівпровднікових фотоелементів по відношенню до сонячного випромінювання.

Відомий концентратор сонячного випромінювання, що складається з первинного параболоциліндричного відбивача, софокусних з ним вторинного параболічного відбивача і набору трикутних заломлюючих призм, що розкладають сонячне випромінювання в спектр. Сонячне випромінювання після відбиття від вторинного концентратора потрапляє у вигляді псевдопаралельного потоку на трикутні призми, де розкладається в спектр. Сонячні елементи (СЕ) різнорідної спектральної чутливості встановлюються у відповідних частинах спектра, що підвищує ККД перетворення енергії сонячного випромінювання за рахунок узгодження спектральної чутливості СЕ з випромінюванням в спектрі. Недоліком відомого рішення є громіздкість і складність конструкції концентратора, що складається з двох відбиваючих поверхонь і заломлюючих призм, причому набір призм не призводить до додаткової концентрації світла.

Є ще один спосіб концентрації сонячного випромінювання, який зустрічається в технічній літературі з 80-их років минулого сторіччя, як голографічні концентратори з використанням принципів призмоконів і голографічні концентратори типу «кіноформ», що по своїй суті являли собою більш компактні призми і лінзи, що концентрують світловий потік завдяки не оптичним властивостям матеріалу (скла чи металу складної форми), а оптичним властивостям варіації світлочутливого шару фазової голограми (дифракційної решітки).

На основі даної технології недавно був втілений в життя концентратор на основі райдужної голограми (дифракційної решітки). З її допомогою можна створити селективний геліоконцентратор для виділення і концентрування заданої області спектра сонячного випромінювання.

Зазначені голографічні концентратори є голограмні циліндричні лінзи, нанесені на плоскі скляні підкладки. При цьому голограммна структура одночасно виконує функцію пристрою введення випромінювання в своєрідний планарний хвилевід, функції якого виконує підкладка голограми. Фокусування сонячного випромінювання в пристрої здійснюється в товщі скляній підкладки голограми при багаторазових перевідбиттів світла від її поверхонь.

Отже можна зробити висновок, що при застосуванні концентраторів підвищуются вимоги до точності орієнтації установок на Сонце, ускладнюються їх конструкція та експлуатація, виникає необхідність у спеціальних заходах для інтенсифікації відводу тепла від СЕ, щоб не допустити підвищення їх робочої температури до рівня, що приводить до істотного зниження ККД. Все це в свою чергу призводить до збільшення маси та вартості СФЕУ, ускладнює досягнення необхідного рівня надійності установок і т. п.

Голограмний концентратор володіє спектралною селективністю, компактними розмірами, що дає можливість відмовитися від систем тепловідведення і стеження за переміщенням Сонця, адже голограмна дифракційна решітка віконуе свої функції в досить широкому діапазоні кутів падіння випромінювання.

1.3 Принципи голографії.

Фотографія - це процес, який включає в себе головним чином формування зображення об'єкта (як двох-, так і тривимірного) і проекція цього зображення на світлочутливу поверхню. Кожна точка предмета перетворюється на відповідну точку зображення, і ми тут маємо справу тільки з розподілом яскравості, чи енергетичної освітленості, зображення.

Голографія, хоч і представляє собою також фотографічний процес, істотно відрізняється від останнього. В її завдання входить реєстрація не тільки розподілу енергетичної освітленості зображення, а й повного хвильового поля в площині запису, яка в загальному випадку навіть не є площиною зображення. Запис повного хвильового поля означає реєстрацію як фази, так і амплітуди. Амплітуду (або її квадрат, пропорційний освітленості) записати неважко; це можна зробити за допомогою будь-якого фотоматеріалу. Але не існує жодного детектора, який міг би виміряти різниці фаз між різними складовими поля. Інформацію ж про об'єкт несе не тільки амплітудна, а й фазова структура поля, і, щоб цілком записати хвильове поле, необхідно зареєструвати обидві структури.

Слово "голографія" походить від грецьких слів "холос" - повний і "графо" - пишу і являє собою принцип отримання об'ємних зображень предметів за допомогою випромінювання лазера. Голограма фіксує не саме зображення предмета, а структуру відбитої від нього світлової хвилі (її амплітуду і фазу). Для отримання голограми необхідно, щоб на фотографічну платівку одночасно потрапили два когерентних світлових пучка: предметний, відбитий знімок об'єкта, і опорний - приходить безпосередньо від лазера. Світло обох пучків інтерферує, створюючи на платівці чергування дуже маленьких темних і світлих ділянок - картину інтерференції.

На експонованої таким чином і проявленої платівці відсутнє яке-небудь зображення, проте його в зашифрованому вигляді містить система інтерференційних смуг і точок, і якщо голограму просвітити, як діапозитив, лазерним світлом тієї ж частоти, що була використана при записі, виникне тривимірне відновлене зображення знятого предмета, що немов висить у просторі. Міняючи точку спостереження, можна зазирнути за предмети на першому плані і побачити деталі, раніше приховані від погляду. Світло, проходячи крізь систему смуг і точок голограми, завдяки дифракції, відтворює хвильовий фронт, що йшов від знятого предмета.

Голографію винайшов (і придумав назву) англійський фізик Денніс Габор в 1947, досліджуючи закони побудови зображень в оптиці і працюючи над вдосконаленням електронного мікроскопа. Він дійшов висновку, що зареєструвати повне зображення предмета можна без об'єктива, використовуючи тільки пучок когерентного монохроматичного світла. Габор у винайденій ним голографії вирішив основну проблему. Він використовував опорну хвилю, яка перетворює різниці фаз в різниці інтенсивностей. Таким чином, фаза виявляється закодованою величиною, яку можна записати на фотоплівці. По суті хвильова картина друкується на голограмі так, що хвильове поле в точності можна відновити в будь-який наступний момент часу, висвітлюючи голограму відповідним пучком світла. Цей пучок, проходячи через голограму, набуває фазові і амплітудні модуляційні характеристики вихідного хвильового поля. Виходить так, ніби вихідна хвиля захоплюється фотопластинкою, а потім знову вивільняється. При цьому відновлена хвиля поширюється таким чином, що якщо б її початкове поширення не припинялося. Спостерігач, що знаходиться на шляху хвилі, не відрізнить її від початкової. Він буде бачити зображуваний предмет точно таким, яким би його побачив, перебуваючи поруч з ним, з усіма оптичними особливостями, які спостерігаються в дійсності, в повному обсязі в тривимірному просторі і з усіма паралаксами, що мають місце в реальному житті. Це вражаюче зображення дійсності призвело до того, що голографія завоювала величезну популярність не тільки у вчених, але й у широкої публіки. [6]

Перша голограма була виготовлена ще до винайдення висококогерентного джерела випромінювання – лазера. Хоча сьогодні термін «голографія» має визначення – це інтерференційний метод реєстрації світлових хвиль, що дифрагували на об'єкті, освітленому когерентним світлом. При цьому дифраговані хвилі повинні проінтерферувати з погодженою з ними по фазі опорною хвилею. Якщо хвилі володіють достатнім ступенем когерентності, то розподіл різниці їх фаз в просторі залишається постійним протягом часу, необхідного для реєстрації голограми. Отже, виникає стаціонарна інтерференційна картина з певним розподілом інтенсивності. Поле, відповідне цій картині, носить назву голографічного поля. Відображення цієї картини на якому-небудь носії, наприклад, на фотографічній платівці, називається голограмою. Голограма містить інформацію і про фазу і про амплітуду дифрагованих на об'єкті хвиль, завдяки чому забезпечується можливість їх точного відновлення при освітленні голограми відновлювальною хвилею, подібної до опорної хвилі, що використовувалася при записі голограми. Збереження відтворюваної інформації про фазу є унікальною особливістю методу голографії.[7]

Фізичні принципи голографії - це загальні принципи вчення про хвильові процеси, вчення про інтерференцію і дифракцію хвиль. Вони беруть свій початок від Гюйгенса, а потім, ще в позаминулому столітті, отримують блискучий розвиток у Френеля і математичне завершення у Кірхгофа.

Інтерференція світла - перерозподіл інтенсивності світла в результаті накладення (суперпозиції) кількох когерентних світлових хвиль. Це явище супроводжується чергуюванням в просторі максимумів і мінімумів інтенсивності. Її розподіл називається інтерференційної картиною.

Дифракція хвиль - явище, яке проявляє себе як відхилення від законів геометричної оптики при поширенні хвиль. Вона являє собою універсальне хвильове явище і характеризується одними і тими ж законами при спостереженні хвильових полів різної природи.

Дифракція нерозривно пов'язана з явищем інтерференції. Більше того, саме явище дифракції часто трактують як випадок інтерференції обмежених у просторі хвиль (інтерференція вторинних хвиль). Загальною властивістю всіх ефектів дифракції є залежність ступеня її прояви від співвідношення між довжиною хвилі і характерним розміром неоднорідностей середовища, або неоднорідностей структури самої хвилі. Найбільш помітно вони проявляються при розмірах неоднорідностей, порівнянних з довжиною хвилі. При розмірах неоднорідностей, істотно перевищують довжину хвилі (на 3-4 порядки і більше), явищем дифракції, як правило, можна знехтувати. В останньому випадку поширення хвиль з високим ступенем точності описується законами геометричної оптики. З іншого боку, якщо розмір неоднорідностей середовища значно менше довжини хвилі, то в такому випадку дифракції проявляє себе у вигляді ефекту розсіювання хвиль.

Спочатку явище дифракції трактувалося як оминання хвилею перешкоди, тобто проникнення хвилі в область геометричної тіні. З точки зору сучасної науки визначення дифракції як огибания світлом перешкоди визнається недостатнім (занадто вузьким) і не цілком адекватним. Так, з дифракцією пов'язують вельми широке коло явищ, що виникають при поширенні хвиль (у разі обліку їх просторового обмеження) в неоднорідних середовищах.

У сучасній техніці застосовується багато різновидів дифракційних решіток, що відрізняються ода від одної частотою і профілем штрихів, розмірами заштрихованої площі, формою поверхні, призначенням і т.д.

У спектральних приладах найбільшого поширення набули відбиваючі дифракційні решітки. Довгий час дифракційні решітки виготовлялися на ділильних машинах. Штрихи мали вигляд канавок, нарізаних на металевому шарі, що покриває діелектричну поверхню, на скляній чи металевій пластинці. Профіль штриха визначався профілем алмазного різця і мав східчасту форму, забезпечуючи концентрацію відбитого випромінювання в заданій спектральної області.

Пізніше був запропонований голограмний метод виготовлення дифракційних решіток, заснований на реєстрації інтерференційної картини від двох когерентних джерел, що дозволило створити решітки з новими цінними властивостями. Цей спосіб отримання дифракційних решіток знаходить все більш широке застосування. Він дозволяє зменшити собівартість виготовлення дифракційних решіток і поліпшити їх оптичні характеристики. При розробці спектрального обладнання вимоги до розмірів, коефіцієнту відбиття та рівнем розсіяного світла дифракційних решіток постійно зростають.

В загальному кожну голограму можна представити як дифракційну решітку. Для світлового пучка, що просвічує записану на фотографічній пластинці голограму, остання являє собою деякий двовимірний екран з нерівномірним розподілом прозорості. У загальному випадку прозорість цього екрану буде функцією двох координат x і y на площині голограми, тобто D = D (x, y).

Хвильове поле за голограмою є результат дифракції просвічує її плоскої хвилі на фотографічній платівці з неоднорідним розподілом прозорості D = D (x, y). Тому природно розглянути голограму як деяку своєрідну дифракційну решітку, що поміщається на шляху світлового пучка, відновлюючого зображення об'єкта спостереження.

У хвильовій оптиці докладно розглядається дифракція світла на періодичних структурах, з яких найпростішої є плоска, одномірна амплітудна дифракційна решітка. Ця найпростіша дифракційна решітка являтся надалі тим основним елементом, з яких будуються двовимірні і тривимірні амплітудні дифракційні решітки. Пояснення роботи цих більш складних решіток базується на розвитку уявлення про ті явища, які мають місце на одновимірній решітці. Одновимірна дифракційна решітка може бути отримана як голограма плоскої хвилі, интерферуючою з плоскою опорною хвилею.

З фазною голограмою все ще простіше, адже фазна голограма має структуру послідовної зміни товщини світлочутливого шару, що нагадує нарізну дифракційну решітку.

Існує багато видів голограм. Голограми класифікуються залежно від:

- Властивості світлочутливого середовища, в якій здійснюється запис

- Взаємного розташування голограми, об'єкту і опорного джерела

- Довжини хвилі випромінювання при записі та відновленні голограми

- Фізичної природи хвильового поля, записуваного на голограмі

- Призначення голограми

Відмітна особливість образотворчих голограм - реалістичність відтворюваних ними тривимірних зображень, які часто важко відрізнити від реальних об'єктів. Ця особливість обумовлена тим, що при спеціальному освітленні голограма не тільки передає обсяг предметів з великим діапазоном яскравості, високим контрастом і чіткістю, але також дає можливість чітко спостерігати точну зміна відблисків і тіней у разі зміни кута спостереження при розгляданні цих предметів.

Для наглядності розуміння того, як записується голограма розглянемо найпростіші приклади створення відбиваючої та пропускаючої голограми.

Відбиваюча голограма створюється за допомогою пучка світла лазера 1, що проходить через майже прозору фотопластинку 2, висвітлює об'єкт 4 і падає на фотопластинку з протилежного боку. Таким чином, фотопластинка висвітлюється двома пучками світла: об'єктним, відбитим від об'єкта, і опорним, що йде безпосередньо від лазера (рисунок 1,4 а)).

Образотворчі голограми виготовляють і пропускаючими, особливо при практичній реалізації голографічного кінематографа і тривимірних дисплеїв. У цьому випадку використовується наступна схема (малюнок 1,4 б)) коли опорний і об'єктний пучки падають на фотопластинку з одного боку. При цьому пучок світла лазера 1 після світлоділильної пластинки 5 йде по двох каналах. За допомогою дзеркала 6 і розширювальної лінзи 3 формується опорний пучок, що падає на фотопластинку 2. Розширювальна лінза 3 формує пучок, що висвітлює об'єкт 4. Відбитий від об'єкта пучок падає на фотопластинку з того ж боку, що і опорний.

Рисунок 1.4 – Схема запису голограм: а) відбиваючої, б) пропускаючої.

Іноді буває необхідно отримати копію голограми або розмножити її. Копії можуть бути необхідними для архівних або комерційних цілей, для наукових досліджень (коли об'єкт має занадто короткий час життя). Є два основних типи копіювання - контактна або майже контактне і копіювання при відновленні.

Голографічні (або голограмні) оптичні елементи (ГОЕ) представляють собою голограми, на яких записані хвильові фронти спеціальної форми. Голографічні оптичні елементи можна сконструювати для перетворення будь-якого вхідного хвильового фронту в будь-який інший вихідний фронт незалежно від параметрів матеріалу підкладки, наприклад від кривизни або показника заломлення. З їх допомогою можлива корекція аберації оптичних систем, в такому випадку ГОЕ виступають як складові елементи складних оптичних приладів. ГОЕ використовують і як самостійні оптичні елементи в якості лінз, дзеркал, дифракційних решіток, мультиплікаторів і ін

Найбільш поширений вид ГОЕ - саме голографічні дифракційні решітки, що представляють собою зареєстровану на світлочутливому матеріалі картину інтерференції двох світлових пучків. Параметри голографічних решіток можна змінювати в широкому діапазоні за допомогою схеми запису і форми поверхні, на якій реєструється решітка.

Так, при виготовленні голографічної решітки їй можна надавати будь-які фокусуючі властивості, наприклад, отримувати плоскі голограми, аналогічні по своїй дії увігнутої решітки, але позбавлені астигматизму останньої. Голографічний метод дозволяє формувати дифракційні решітки з будь-яким розподілом ефективності за дифракційних порядків. Для цієї мети може бути використана оптична схема просторової фільтрації.

Перевага голографічного методу ще й у тому, що решітки можуть бути виготовлені вельми великих розмірів (до 600 × 400 мм). Дифракційні решітки перевершують звичайні, нарізані механічним способом, за такими параметрами, як максимальна просторова частота і розміри, відношення сигнал / шум, можливість корекції аберації, виключення дефектів та ін.

При використанні голограмних дифракційних решіток в спектральних приладах пред'являються високі вимоги до коефіцієнта відбивання. Величина і розподіл інтенсивності світла по спектру решітки зале