Если кто-то из вас задумывался о приобретении солнечных батарей, вы наверное задавались вопросом - какое количество солнечной энергии, можно получить. Сколько квадратных метров батарей нужно чтобы запитать холодильник с телевизором? А если еще и пылесос время от времени включать, и электрочайник? В общем, вопросов масса.
Итак, количество солнечной энергии которое поступает на землю при идеальных условиях, равно 1367 Ватт на квадратный метр. Есть даже такое понятие - солнечная постоянная. До земли доходит дай бог 1000-1100 ватт, и этот показатель может разнится в зависимости от угла установки солнечной батареи. Именно от этого числа мы и будем плясать дальше.
Разумеется самым лучшим вариантом будет солнечная панель с системой слежения за солнцем, но такая система громоздка, стоит дорого, и поэтому употребляется крайне редко. Самый лучший из доступных вариантов - это размещение батарей под оптимальным углом к солнцу, в наших широтах, этот угол равен сорока градусам. Разумеется количество солнечной энергии которое доходит до земли, зависит не только от угла установки батарей, но и от географического положения, прозрачности атмосферы и многих других факторов, так что точный расчет, несколько затрудняется. Чтобы вам не приходилось возиться с калькулятором, ниже представлена таблица, в которой уже рассчитано количество солнечной энергии которое вы можете получить. Разумеется рассчитывать показатель для каждого города было бы слишком хлопотно, поэтому расчет проводился только по четырем городам России, но этого будет достаточно чтобы примерно определить сколько солнечной энергии вы можете получить.
Количество солнечной энергии получаемое в разных городах России
Город:Астрахань: 1371 1593 2200
Владивосток: 1289 - при горизонтальной установке, 1681 - при установке под углом 40 градусов, 2146 - при наличии системы слежения за солнцем.
Москва: 1020 - при горизонтальной установке, 1173 - при установке под углом 40 градусов, 1514 - при наличии системы слежения за солнцем.
Сочи: 1365 - при горизонтальной установке, 1571 - при установке под углом 40 градусов, 2129 - при наличии системы слежения за солнцем.
Эти цифры, показывают сколько киловатт-часов энергии, можно получить с одного квадратного метра солнечных панелей, в год. К примеру, если у вас маленькая панель площадью в один квадрат, в Москве, при этом батарея установлена под углом 40 градусов, то каждый световой день, вы будете получать:
1173/365=3,2 киловатта. Казалось бы здорово, одновременно может работать микроволновка, чайник и пылесос, однако не все так радужно. КПД солнечных панелей, далеко не стопроцентен. На данный момент, недорогие солнечные панели, которые чаще всего используются, имеют КПД в скромные 14-18 процентов. Есть более сложные многокомпонентные солнечные элементы, КПД которых достигает 40 процентов, но они слишком дороги для массового использования. Поэтому в расчетах будем иметь ввиду обычные солнечные элементы.
Итак, количество солнечный энергии с одного квадратного метра батарей, составит 3,2*0,16=0,5 киловатта в час. В принципе, тоже неплохо. Пол киловатта это телевизор и холодильник, ну и ноутбук до кучи. Десять квадратных метров солнечных батарей, в принципе, смогут обеспечить электричеством небольшой дом, но если все так здорово, то почему солнечные батареи не лепят везде и всюду?
Как сохранить полученное количество солнечной энергии?
На самом деле, электричество в течении дня не особо нужно, если это конечно обычный жилой дом, а не производство. Электричество нужно вечером, то есть тогда, когда солнечные батареи перестают его вырабатывать. Получается что днем, электричество производится, но оно нам не нужно, а вот вечером, то количество солнечной энергии которое произвели батареи, было бы кстати, но где его держать?Аккумуляторы. Вот главная проблема солнечной энергии. На данный момент аккумуляторы стоят намного дороже чем солнечные панели, а продолжительность их жизни крайне низка. Около тысячи циклов заряд/разряд, и батарея приходит в негодность. Это примерно два-три года работы. Потом аккумуляторы требуется сменить.
Как вариант, можно сохранить энергию по-другому: В течении светового дня, солнечные панели питают электронасос, который закачивает воду из колодца в резервуар, расположенный на водонапорной вышке. Вечером, как только выработка электричества падает, и количество солнечной энергии вырабатываемое батареями ниже чем нужно, подключается водяной генератор.
Вода запасенная днем, течет вниз, и вращает турбину, соединенную с генератором, то есть работает как обычная гидроэлектростанция. Этот вариант кажется очень перспективным, но не пригоден из-за крайней дороговизны - все таки придется соорудить огромную емкость на многие тонны или даже многие тысячи тонн (в зависимости от мощности генератора) воды. В общем, пока для частных пользователей это слишком дорого. Про амбициозную идею - построить солнечные электростанции по все земле, и передавать энергию из мест где сейчас день, в те части планеты где сейчас ночь, даже не рассматриваю. Слишком уж велики потери при передаче.
Итоги:
Солнечная энергия пока не может конкурировать с традиционным электростанциями по причине того, что электричество, которое они вырабатывают очень трудно сохранить. На данный момент солнечные батареи помогут лишь сэкономить электричество днем. Полностью переходить на самообеспечение электричеством, имеет смысл только в отдаленных от цивилизации областях, где просто нет возможности протянуть линию электропередач.4.1.1. Оценка валового энергетического ресурса (потенциала) солнечной энергии
Анализ факторов, влияющих на величину валового энергетического ресурса солнечной энергии. Энергия солнечной радиации, падающая на Землю, в 10000 раз превышает количество энергии, вырабатываемой человечеством. На мировом коммерческом рынке покупается и продается около 85∙10 3 млрд. кВт·ч энергии в год. Крайне сложно оценить, сколько некоммерческой энергии потребляет человечество. Некоторые эксперты считают, что некоммерческая составляющая близка к 20% от всей используемой энергии.
Потребление электроэнергии по России в целом в 2015 году составило 1,036∙10 3 млрд. кВт ч. Российская Федерация обладает огромным валовым ресурсом использования солнечной энергии. Энергия суммарного годового солнечного излучения, попадающего на горизонтальную поверхность территории нашей страны составляет около 20,743∙10 6 млрд. кВт∙час/год, что превышает потребность в энергии примерно в 20000 раз.
Облучение земной поверхности солнечной радиацией, оказывающей световое, тепловое и бактерицидное воздействие, называют инсоляцией .
Инсоляция измеряется количеством энергии солнечного излучения, падающей на единицу горизонтальной поверхности в единицу времени.
Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м 2 - солнечная постоянная.
Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря - 1020 Вт/м 2 . Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики. Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.
Суммарное солнечное излучение в атмосфере Земли складывается из прямого и рассеянного излучений . Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от:
– географической широты местности,
– местного климата и времени года,
– плотности, влажности и степени загрязнения атмосферного воздуха,
– годового и суточного движения Земли,
– характера земной поверхности,
– от угла наклона поверхности, на которую попадает излучение, по отношению к Солнцу.
Атмосфера поглощает часть солнечной энергии. Чем больше длина пути солнечных лучей в атмосфере, тем меньше прямой солнечной энергии доходит до поверхности земли. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади. На Земле это происходит в районе экватора в зоне тропиков. По мере удаления от этой зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей растет и уменьшается угол их падения на земную поверхность. В результате:
увеличиваются потери энергии в атмосферном воздухе,
солнечное излучение распределяется на большую территорию,
уменьшая количество прямой энергии, попадающей на единицу площади, и
увеличивая долю рассеянного излучения.
Кроме того, от широты местности зависит и продолжительность дня в разные времена года, что также определяет величину солнечной радиации, поступающей на поверхность земли. Важным фактором, определяющим потенциала солнечной энергии, является продолжительность солнечного излучения в течение года (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Продолжительность солнечного сияния на территории России, час/год
Для высокоширотных территорий, где значительная часть зимнего времени приходится на полярную ночь, различие в поступлении радиации летом и зимой может быть достаточно велико. Так за Полярным кругом продолжительность солнечного сияния изменяется от 0 часов в декабре до 200 – 300 часов в июне и июле при годовой продолжительности около 1200 – 1600 часов. На севере страны количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, в зимнее время отличается от среднегодового значения менее чем на 0,8 кВт·ч/(м 2 ×день), в летнее время - более чем на 4 кВт·ч /м 2 . Если в зимние месяцы уровни солнечной радиации в северных и южных регионах России сильно отличаются, то летние показатели инсоляции на этих территориях за счет длительного светового дня в северных широтах оказываются вполне соизмеримыми. Однако из-за более низкой годовой продолжительности солнечного сияния приполярные территории уступают по суммарной солнечной радиации районам средней полосы и юга соответственно в 1,3 и 1,7 раза.
Климатические условия в конкретной местности определяют продолжительность и уровень облачности в регионе, влажность и плотность воздуха. Облака - основное атмосферное явление, уменьшающее количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. На их формирование оказывает влияние такие особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться.
Характер земной поверхности и рельефа местности сказывается и на ее отражательной способности. Способность поверхности отражать радиацию называетсяальбедо (от латинского - белизна). Установлено, что альбедо земной поверхности изменяется в весьма широких пределах. Так, альбедо чистого снега равно 85-90 %, песка – 30-35%, чернозема – 5-14%, листьев зеленых – 20-25%, листьев желтых – 33-39%, водной поверхности при высоте Солнца 90 0 – 2%, водной поверхности при высоте Солнца 20 0 – 78 %. Отраженная радиация увеличивает составляющую рассеянного излучения.
Антропогенные и природные загрязнения атмосферы также могут ограничивать количество солнечной радиации, которое может попасть на земную поверхность. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают возможность использования солнечной энергии, увеличивая рассеивание и поглощение солнечной радиации. Эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.
Количество солнечной энергии, падающей на принимающую ее поверхность, изменяется и при изменении положения Солнца в течение суток в разные месяцы года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения солнечных лучей через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит, больше достигает поверхности. Кроме того, отклонение угла падения солнечных лучей на принимающую поверхность от 90 о приводит к снижению количества попадающей на единицу площади энергии – эффект проекции. Влияние этого эффекта на уровень инсоляции можно увидеть на рисунке 4.2.
 |
Рис. 4.2. Влияние изменения угла падения солнечных лучей на величину
инсоляции – эффект проекции
Один поток солнечной энергии шириной в 1 км падает на землю под углом 90 °, а другой той же ширины - под углом 30 °. Оба потока несут одинаковое количество энергии. В этом случае косой солнечный луч распространяет свою энергию на площадь в два раза большую, чем луч, перпендикулярный к принимающей поверхности, а, следовательно, на единицу площади в единицу времени будет поступать вдвое меньше энергии.
Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию(поглощенная радиация), нагревается и сама излучает тепло в атмосферу(отраженная радиация). Нижние слои атмосферы в значительной мерс задерживают земное излучение. Поглощенная земной поверхностью радиация расходуется на нагрев почвы, воздуха, воды.
Та часть суммарной радиации, которая остается после отражения и теплового излучения земной поверхности, называется радиационным балансом. Радиационный баланс земной поверхности меняется в течение суток и по сезонам года.
Источники информации для оценки величины валового ресурса (потенциала) солнечной энергии. Информационной основой для оценки величины этого валового ресурса (потенциала) солнечной энергии являются данные измерений солнечной радиации в различных регионах страны с последующим делением территории региона на зоны с относительно однородным значением уровня инсоляции. Для этих целей необходимы данные, сформированные с использованием результатов актинометрических наблюдений, т.е. данные об интенсивности прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, о радиационном балансе и характере отражения излучения от земной поверхности (альбедо).
Учитывая резкое сокращение числа метеостанций, ведущих наземные актинометрические наблюдения на территории России, в 2014 году для оценки валового потенциала (ресурса) солнечной энергии использовалась информация о распределении ресурсов энергии солнца базы данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE) . Эта база формировалась на основе спутниковых измерений радиационного баланса земной поверхности, проводившихся в рамках программы World Climate Research Program’s International Satellite and Cloud Climatology Program (ISCCP) с июля 1983 года по июнь 2005 года. По их результатам с учетом характера отражения излучения от земной поверхности, состояния облачности, загрязнения атмосферы аэрозолями и других факторов рассчитаны значения месячных сумм солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, для сетки 1º×1º, покрывающей весь земной шар, включая и территорию Российской Федерации.
Расчет общей радиации, падающей на наклонную поверхность, с заданным углом ориентации. При оценке потенциала необходимо иметь возможность определять величину общей радиации, попадающей в определенное время на наклонную поверхность, ориентированную по отношению к поверхности земли под интересующим нас углом .
Прежде, чем приступить к описанию методики расчета общей радиации, следует ввести основные понятия, связанные оценкой солнечной радиации.
Рассмотрение будет производиться в горизонтальной системе координат. В этой системе начало координат помещается в точке нахождения наблюдателя на поверхности земли. В качестве основной плоскости выступает горизонтальная плоскость - плоскость математического горизонта . Одной координатой в этой системе является либо высота солнца α , либо его зенитное расстояние z . Другой координатой является азимут а.
Математи́ческий горизо́нт - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии в точке нахождения наблюдателя.
Математический горизонт не совпадает с видимым горизонтом вследствие неровности поверхности Земли, различной высотой точек наблюдения, а также искривления лучей света в атмосфере.
Зенитный угол Солнца z - это угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной плоскости в точке наблюдения А.
Угол высоты Солнца α - это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Сумма α+z равна 90°.
Азимут Солнца а - это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг.
Азимут поверхности а п измеряется как угол между нормалью к рассматриваемой поверхности и направлением на юг.
Угол склонение Солнца - это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение Солнца в течение года непрерывно изменяется - от -23°27" в день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27" в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).
Местное истинное солнечное время – это время, определяемое в месте нахождения наблюдателя видимым положением Солнца на небесной сфере. 12 часов по местному солнечному времени соответствует времени, когда Солнце находится в зените (выше всего на небе).
Местное время обычно отличается от местного солнечного времени из-за наличия эксцентриситета земной орбиты, использования людьми временных зон и искусственных временных смещений для экономии энергии.
Небесный экватор – это большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира (ось вращения земли) и совпадает с плоскостью земного экватора.
Небесный экватор делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное полушарие, с вершиной в северном полюсе мира, и южное полушарие, с вершиной в южном полюсе мира.
Небесный меридиан - большой круг небесной сферы, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира (ось вращения земли).
Часовой угол - угловое расстояние, измеренное вдоль небесного экватора на запад от небесного меридиана (той его части, которую солнце пересекает в момент верхней кульминации) до часового круга, проходящего через избранную точку на небесной сфере.
Часовой угол является результатом перевода местного солнечного времени в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Так как Земля поворачивается на 15 0 за один час (360 о /24 часа), то за каждый час после полудня Солнце проходит 15 0 . Утром угол солнца отрицательный, вечером - положительный.
В качестве исходной информации для расчета общей радиации используется значения следующих показателей, полученных путем статистической обработки данных наблюдений:
– среднемесячное количество общей солнечной радиации, падающей на горизонтальную площадку в течение суток, ;
– среднемесячное количество рассеянной (диффузной) солнечной радиации, падающей на горизонтальную площадку в течение суток, ;
– альбедо поверхности земли - среднемесячное отношение количества солнечной радиации, отраженной поверхностью земли, к количеству общей солнечной радиации, падающей на поверхность земли (т.е. доля радиации отраженной поверхностью земли), доля.
Все дальнейшие расчеты проводятся для «среднего дня месяца», т.е. дня, у которого угол склонения Солнца наиболее близок к среднемесячному углу .
Солнечная радиация на горизонтальную поверхность . С использованием этой информации производится расчет значений общей ( и рассеянной () солнечных радиаций, падающих на горизонтальную поверхность за t -й час наблюдения:
И – коэффициенты перехода от суточных радиаций к часовым - определяются следующим образом:
– часовой угол в t -й расчетный час суток, град.;
– часовой угол захода солнца (заката), град.
Часовой угол солнца рассчитывается с использованием соотношения
– время солнечного полдня, информацию о котором можно найти в Базе Данных NASA, час.
Часовой угол захода солнца оценивается как
– широта, град.;
– угол склонения солнца, град.
Угол склонения Солнца определяют по следующей формуле
– день года (от 1 до 365).
Солнечная радиация на произвольно-ориентированную наклонную поверхность. Расчет часовых значений общей солнечной радиации , падающей на ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность, производится следующим образом
– угол падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность в t -й час, град.;
– зенитный угол Солнца в t -й час, град.;
– угол наклона поверхности к горизонту, град.;
Зенитный угол Солнца
Угол падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность:
– азимутальный угол Солнца в t -й час суток, град.;
– азимут наклонной поверхности, град.
Расчет угла падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность можно произвести и с использованием следующих соотношений:
Рассмотренные выше соотношения могут быть использованы для оценки энергетического потенциала солнца с дифференциацией на часовые (или трехчасовые) интервалы суток.
Валовый электроэнергетический ресурс (потенциал) солнечной энергии. Для оценки валового электроэнергетического ресурса энергии солнца на территории нашей страны использовались среднемесячные дневные значения суммарной солнечной радиации, падающей на 1 м 2 горизонтальной плоскости (кВт·ч/(м 2 ∙день)). На основе этой информации с дифференциацией по субъектам федерации оценено среднее количество солнечной радиации в млн. кВт∙ч, попадающей на 1 квадратный километр территории в течение года (или в кВт∙ч /(м 2 ∙год)) рис. 4.3.
Рис. 4.3. Распределение годовых ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации с детализацией по субъектам федерации
На карте каждому субъекту федерации поставлен в соответствие его код.
Список субъектов федерации с указанием их кодов с дифференциацией по федеральным округам России представлен ниже. С учетом специфики оценки энергетического потенциала ВИЭ города Москва и Санкт-Петербург объедены с Московской и Ленинградской областями соответственно с присвоением объединенной территории кода области. Субъекты федерации с большой протяженности с Севера на Юг могут быть разделены на части: Север, Центр, Юг.
1. Центральный ФО : (31) Белгородская область, (32) Брянская область, (33) Владимирская область, (36) Воронежская область, (37) Ивановская область, (40) Калужская область, (44) Костромская область, (46) Курская область, (48) Липецкая область, (50) Московская область и Москва, (57) Орловская область, (62) Рязанская область, (67) Смоленская область, (68) Тамбовская область, (69) Тверская область, (71) Тульская область, (76) Ярославская область.
2. Северо-Западный ФО: (10) Республика Карелия, (11) Республика Коми, (29) Архангельская область, (35) Вологодская область, (39) Калининградская область, (47) Ленинградская область и Санкт-Петербург, (51) Мурманская область, (53) Новгородская область, (60) Псковская область, (83) Ненецкий АОк.
3. Южный ФО: (1) Республика Адыгея, (8) Республика Калмыкия, (23) Краснодарский край, (30) Астраханская область, (34) Волгоградская область, (61) Ростовская область, (91) Республика Крым и Севастополь.
4. Северо-Кавказский ФО: (5) Республика Дагестан, (6) Республики Ингушетия, (7) Республика Кабардино-Балкария, (9) Республика Карачаево-Черкесия, (15) Республика Северная Осетия-Алания, (20) Чеченская республика, (26) Ставропольский край.
5. Приволжский ФО: (2) Республика Башкортостан, (12) Республика Марий Эл, (13) Республика Мордовия, (16) Республика Татарстан, (18) Республика Удмуртия, (21) Республика Чувашия, (43) Кировская область, (52) Нижегородская область, (56) Оренбургская область, (58) Пензенская область, (59) Пермский край, (63) Самарская область, (64) Саратовская область, (73) Ульяновская область.
6. Уральский ФО: (45) Курганская область, (66) Свердловская область, (72) Тюменская область, (74) Челябинская область, (86) Ханты-Мансийский Аок-Югра, (89) Ямало-Ненецкий АОк.
7. Сибирский ФО : (3) Республика Бурятия, (4) Республика Алтай, (17) Республика Тыва, (19) Республика Хакасия, (22) Алтайский край, (24) Красноярский край (24-1. Север, 24-2. Центр, 24-3. Юг), (38) Иркутская область (38-1. Север, 38-2. Юг), (42) Кемеровская область, (54) Новосибирская область, (55) Омская область, (70) Томская область, (75) Забайкальский край.
8. Дальневосточный ФО: (14) Республика Саха (Якутия) (14-1. Север, 14-2. Центр, 14-3. Юг), (25) Приморский край, (27) Хабаровский край, (27-1. Север, 27-2. Юг), (28) Амурская область, (41) Камчатский край, (49) Магаданская область, (65) Сахалинская область, (79) Еврейская АО, (87) Чукотский АОк.
Бытующее мнение о том, что Россия, расположенная преимущественно в средних и высоких широтах, не располагает значительными ресурсами солнечной энергии для ее эффективного энергетического использования, не соответствует действительности. На изображенной ниже карте (рис.4.4) приведено среднегодовое распределение ресурсов энергии солнечной радиации по территории России, поступающей в среднем за день на 1 площадки южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту (для каждой географической точки это свой угол, при котором суммарное за год поступление энергии солнечной радиации на единичную площадку максимально).
Рис.4.4. Распределение годовых среднедневных поступлений солнечной
радиации по территории России, кВт×час/(м 2 ×день) (оптимально
ориентированная поверхность южной ориентации)
Рассмотрение представленной карты показывает, что в сегодняшних границах России наиболее "солнечными" являются не районы Северного Кавказа, как предполагают многие, а регионы Приморья и юга Сибири (4,5-5 кВт×час/(м 2 ×день) и выше). Интересно, что известные черноморские курорты (Сочи и др.), по среднегодовому поступлению солнечной радиации (с точки зрения природного потенциала и ресурса солнечной инсоляции) относятся к той же зоне, что и большая часть Сибири, включая Якутию (4,0-4,5 кВт×час/(м 2 ×день)).
Для энергетически плохо обеспеченных районов с децентрализованным энергоснабжением важным является тот факт, что более 60 % территории страны, в том числе и многие северные регионы, характеризуются среднегодовым дневным поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт×час/(м 2 ×день), что не отличается от юга Германии, широко использующего солнечные установки.
Анализ карты свидетельствует, что в Российской Федерации наибольшая интенсивность инсоляции от 4,5 до 5,0 кВт×час/м 2 и более в день наблюдается в Приморье, на юге Сибири, на юге Республики Тыва и Республики Бурятия, и даже за Полярным Кругом в восточной части Северной Земли, а не в южных районах страны. По солнечному потенциалу, 4,0 - 4,5 кВт×час/(м 2 ×день), Краснодарский край, Ростовская область, южная часть Поволжья, большая часть Сибири (включая Якутию), южные районы Новосибирской, Иркутской областей, Бурятия, Тыва, Хакассия, Приморский и Хабаровский край, Амурская область, остров Сахалин, обширные территории от Красноярского края до Магадана, Северная Земля, северо-восток Ямало-Ненецкого АО относятся к той же зоне, что и Северный Кавказ с известными российскими черноморскими курортами. Для Нижнего Новгорода, Москвы, Санкт-Петербурга, Салехарда, восточной части Чукотки и Камчатки характерна средняя солнечная радиация от 2,5 до 3 кВт×час/м 2 в день. На остальной территории страны преобладает интенсивность инсоляции от 3 до 4 кВт×час/м 2 в день.
Наибольшую интенсивность поток энергии имеет в мае, июне и июле. В этот период в средней полосе России на 1 кв. метр поверхности приходится 5 кВт×час в день. Наименьшая интенсивность в декабре-январе, когда 1 кв. метр поверхности приходится 0,7 кВт×час в день.
Учитывая сложившуюся ситуацию, на карте Украины (рис. 4.3) можно проанализировать уровень солнечной радиации на территории Крыма.
Рис. 4.3. Распределение годовых поступлений солнечной радиации по
территории Украины, кВт×час/(м 2 ×год) (оптимально ориентированная
поверхность южной ориентации)
Валовый теплоэнергетический ресурс солнечной энергии. Валовой теплоэнергетический ресурс (потенциал) задает максимальное количество тепловой энергии, соответствующее энергии поступающего на территорию России солнечного излучения.
Информацией для оценки этого ресурса может служить инсоляция в мега- или килокалориях на единицу площади принимающей излучение поверхности в единицу времени.
Рисунок 4.4 дает представление о распределении суммарная солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории Российской Федерации в килокалориях на 1 см 2 в год.
Рис.4.4. Распределение годовых поступлений солнечной радиации по
территории России, ккал/(см 2 ×год)
Комплексное районирование территории России по потенциалу солнечной радиации можно увидеть на рисунке 4.6. Выделено 10 зон по приоритету потенциала использования. Очевидно, что наиболее благоприятными условиями для практического использования энергии солнца обладают южные районы европейской части, юг Забайкалья и Дальнего Востока.
Рис. 19. Районирование территории России по потенциалу солнечной
радиации (цифра в кружке – номер по приоритету потенциала)
Значения валовых энергетических потенциалов солнечной энергии с дифференциацией по федеральным округам Российской Федерации .
При оценке технического потенциала солнечной электроэнергетики были использованы показатели наиболее распространенных (90%) в то время фотоэлектрических элементов на кремниевой основе с КПД 15%. Рабочая площадь солнечных установок с учетом плотности размещения фотоэлементов в фотоэлектрических модулях принималась равной 0,1 % от площади однородной по уровню радиации территории рассматриваемого региона. Технический потенциал рассчитывался в тоннах условного топлива как произведение валового солнечного потенциала территории на долю площади, занимаемой фотоэлементами, и их КПД.
Определение технического теплоэнергетического потенциала региона ориентировано на технические возможности преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию на наиболее эффективных установках солнечного горячего водоснабжения. Оценка технического потенциала проводилась на основе данных о теплопроизводительности таких установок на каждом из участков с однородным уровнем инсоляции и принятых допущениях: о занимаемой солнечными коллекторами площади, равной 1 % от площади рассматриваемой территории, соотношении между площадями тепловых и электрических установок – 0,8 и 0,2 соответственно и КПД топливного устройства - 0,7. Перевод в тонны условного топлива осуществлялся с помощью коэффициента 0,34 т.у.т./ кВт×час.
Наиболее объективным из известных показателей, характеризующих возможность практического использования ресурсов солнечной энергетики, принято считать показатель ее экономического потенциала. Экономическая целесообразность и масштабы применения электрических и тепловых солнечных установок должны определяться исходя из их конкурентоспособности с традиционными источниками энергии. Отсутствие нужного количества необходимой и достоверной информации явилось причиной использования для оценки величины экономического потенциала упрощенных методов, ориентированных на мнения квалифицированных экспертов.
В соответствии с экспертными оценками, экономический потенциал солнечной электроэнергетики был принят равным 0,05% от годового потребления электрической энергии в рассматриваемом регионе (по данным Росстата) с переводом его в тонны условного топлива.
При известной интенсивности солнечной радиации общий энергетический потенциал солнечной радиации может быть исчислен в тоннах условного топлива, киловатт-часах, гигакалориях. Учитывая использование в солнечной энергетике фотоэлектрических элементов для получения электрической энергии и солнечных коллекторов для выработки тепла, общий технический и экономический потенциал в соответствии с рассмотренной выше методикой делят на электроэнергетический и теплоэнергетический (табл. 9).
Приветствую вас на сайте е-ветерок.ру , сегодня я хочу вам рассказывать о том сколько нужно солнечных батарей для дома или дачи, частного дома и пр. В этой статье не будет формул и сложных вычислений, я попробую донести всё простыми словами, понятными для любого человека. Статья обещает быть не маленькой, но я думаю вы не зря потратите своё время, оставляйте комментарии под статьёй.
Самое главное чтобы определится с количеством солнечных батарей надо понимать на что они способны, сколько энергии может дать одна солнечная панель, чтобы определить нужное количество. А также нужно понимать что кроме самих панелей понадобятся аккумуляторы, контроллер заряда, и преобразователь напряжения (инвертор).
Расчёт мощности солнечных батарей
Чтобы рассчитать необходимую мощность солнечных батарей нужно знать сколько энергии вы потребляете. Например если ваше потребление энергии составляет 100кВт*ч в месяц (показания можно посмотреть по счётчику электроэнергии), то соответственно вам нужно чтобы солнечные панели вырабатывали такое количество энергии.Сами солнечные батареи вырабатывают солнечную энергию только в светлое время суток. И выдают свою паспортную мощность только при наличие чистого неба и падении солнечных лучей под прямым углом. При падении солнца под углами мощность и выработка электроэнергии заметно падает, и чем острее угол падения солнечных лучей тем падение мощности больше. В пасмурную погоду мощность солнечных батарей падает в 15-20 раз, даже при лёгких облачках и дымке мощность солнечных батарей падает в 2-3 раза, и это всё надо учитывать.
При расчёте лучше брать рабочее время, при котором солнечные батареи работают почти на всю мощность, равным 7 часов, это с 9 утра до 4 часов вечера. Панели конечно летом будут работать от рассвета до заката, но утром и вечером выработка будет совсем небольшая, по объёму всего 20-30% от общей дневной выработки, а 70% энергии будет вырабатываться в интервале с 9 до 16 часов.
Таким образом массив панелей мощностью 1кВт (1000ватт) за летний солнечный день выдаст за период с 9-ти до 16-ти часов 7 кВт*ч электроэнергии, и 210кВт*ч в месяц. Плюс ещё 3кВт (30%) за утро и вечер, но пускай это будет запасом так-как возможна переменная облачность. И панели у нас установлены стационарно, и угол падения солнечных лучей изменяется, от этого естественно панели не будут выдавать свою мощность на 100%. Я думаю понятно что если массив панелей будет на 2кВт, то выработка энергии будет 420кВт*ч в месяц. А если будет одна панелька на 100 ватт, то в день она будет давать всего 700 ватт*ч энергии, а в месяц 21кВт.
Неплохо иметь 210кВт*ч в месяц с массива мощностью всего 1кВт, но здесь не всё так просто
Во-первых не бывает такого что все 30 дней в месяце солнечные, поэтому надо посмотреть архив погоды по региону и узнать сколько примерно пасмурных дней по месяцам. В итоге наверно 5-6 дней точно будут пасмурные, когда солнечные панели и половины электроэнергии не будут вырабатывать. Значит можно смело вычеркнуть 4 дня, и получится уже не 210кВт*ч, а 186кВт*ч
Так-же нужно понимать что весной и осенью световой день короче и облачных дней значительно больше, поэтому если вы хотите пользоваться солнечной энергией с марта по октябрь, то нужно увеличить массив солнечных батарей на 30-50% в зависимости от конкретного региона.
Но это ещё не всё , также есть серьёзные потери в аккумуляторах, и в преобразователей (инверторе), которые тоже надо учитывать, об этом далее.
Про зиму я пока говорить не буду так-как это время совсем плачевное по выработке электроэнергии, и тут когда неделями нет солнца, уже никакой массив солнечных батарей не поможет, и нужно будет или питаться от сети в такие периоды, или ставить бензогенератор. Хорошо помогает также установка ветрогенератора, зимой он становится основным источником выработки электроэнергии, но если конечно в вашем регионе ветренные зимы, и ветрогенератор достаточной мощности.
Расчёт ёмкости аккумуляторной батареи для солнечных панелей
Примерно так выглядит солнечная электростанция внутри дома
>
Ещё один пример установленных аккумуляторов и универсального контроллера для солнечных батарей
>
Самый минимальный запас ёмкости аккумуляторов , который просто необходим должен быть такой чтобы пережить тёмное время суток. Например если у вас с вечера и до утра потребляется 3кВт*ч энергии, то в аккумуляторах должен быть такой запас энергии.
Если аккумулятор 12 вольт 200 Ач, то энергии в нём поместиться 12*200=2400 ватт (2,4кВт). Но аккумуляторы нельзя разряжать на 100% . Специализированные АКБ можно разряжать максимум до 70%, если больше то они быстро деградируют. Если вы устанавливаете обычные автомобильные АКБ, то их можно разряжать максимум на 50%. По-этому, нужно ставить аккумуляторов в два раза больше чем требуется, иначе их придётся менять каждый год или даже раньше.
Оптимальный запас еъёмкости АКБ это суточный запас энергии в аккумуляторах. Например если у вас суточное потребление 10кВт*ч, то рабочая ёмкость АКБ должна быть именно такой. Тогда вы без проблем сможете переживать 1-2 пасмурных дня, без перебоев. При этом в обычные дни в течение суток аккумуляторы будут разряжаться всего на 20-30%, и это продлит их недолгую жизнь.
Ещё одна немаловажная делать это КПД свинцово-кислотных аккумуляторов, который равен примерно 80%. То-есть аккумулятор при полном заряде берёт на 20% больше энергии чем потом сможет отдать. КПД зависит от тока заряда и разряда, и чем больше токи заряда и разряда тем ниже КПД. Например если у вас аккумулятор на 200Ач, и вы через инвертор подключаете электрический чайник на 2кВт, то напряжение на АКБ резко упадёт, так-как ток разряда АКБ будет около 250Ампер, и КПД отдачи энергии упадёт до 40-50%. Также если заряжать АКБ большим током, то КПД будет резко снижаться.
Также инвертор (преобразователь энергии 12/24/48 в 220в) имеет КПД 70-80%.
Учитывая потери полученной от солнечных батарей энергии в аккумуляторах, и на преобразовании постоянного напряжения в переменное 220в, общие потери составят порядка 40%. Это значит что запас ёмкости аккумуляторов нужно увеличивать на 40%, и так-же увеличивать массив солнечных батарей на 40% , чтобы компенсировать эти потери.
Но и это ещё не все потери . Существует два типа контроллеров заряда аккумуляторов от солнечных батарей, и без них не обойтись. PWM(ШИМ) контроллеры более простые и дешёвые, они не могут трансформировать энергию, и потому солнечные панели не могут отдать а АКБ всю свою мощность, максимум 80% от паспортной мощности. А вот MPPT контроллеры отслеживают точку максимальной мощности и преобразуют энергию снижая напряжение и увеличивая ток зарядки, в итоге увеличивают отдачу солнечных батарей до 99%. Поэтому если вы ставите более дешёвый PWM контроллер, то увеличивайте массив солнечных батарей ещё на 20% .
Расчёт солнечных батарей для частного дома или дачи
Если вы не знаете ваше потребление и только планируете скажем запитать дачу от солнечных батарей, то потребление считается достаточно просто. Например у вас на даче будет работать холодильник, который по паспорту потребляет 370кВт*ч в год, значит в месяц он будет потреблять всего 30.8кВт *ч энергии, а в день 1.02кВт*ч. Также свет, например лампочки у вас энергосберегающие скажем по 12 ватт каждая, их 5 штук и светят они в среднем по 5 часов в сутки. Это значит что в сутки ваш свет будет потреблять 12*5*5=300 ватт*ч энергии, а за месяц "нагорит" 9кВт*ч. Также можно почитать потребление насоса, телевизора и всего другого что у вас есть, сложить всё и получится ваше суточное потребление энергии, а там умножить на месяц и получится некая примерная цифра.Например у вас получилось в месяц 70кВт*ч энергии, прибавляем 40% энергии, которая будет теряться в АКБ, инверторе и пр. Значит нам нужно чтобы солнечные панели вырабатывали примерно 100кВт*ч. Это значит 100:30:7=0,476кВт. Получается нужен массив батарей мощностью 0,5кВт. Но такого массива батарей будет хватать только летом, даже весной и осенью при пасмурных днях будут перебои с электричеством, поэтому надо увеличивать массив батарей в два раза.
В итоге вышеизложенного в вкратце расчёт количества солнечных батарей выглядит так:
Пример: Потребление частного дом 300кВт*ч в месяц , разделим на 30 дней = 7кВт, разделим 10кВт на 7 часов, получится 1,42кВт. Прибавим к этой цифре 40% потерь на АКБ и в инверторе, 1,42+0,568=1988ватт. В итоге для питания частного дома в летнее время нужен массив в 2кВт. Но чтобы даже весной и осенью получать достаточно энергии лучше увеличить массив на 50%, то-есть ещё плюс 1кВт. А зимой в продолжительные пасмурные периоды использовать или бензогенератор, или установить ветрогенератор мощностью не менее 2кВт. Более конкретно можно рассчитать основываясь на данных архива погоды по региону.
Стоимость солнечных батарей и аккумуляторов
>
Цены на солнечные батареи и оборудование сейчас достаточно разнятся, одна и также продукция может по цене в разы отличаться у разных продавцов, поэтому ищите дешевле, и у проверенных временем продавцов. Цены на солнечные батареи сейчас в среднем 70 рублей за ватт, то-есть массив батарей в 1кВт обойдётся примерно в 70т.руб, но чем больше партия тем больше скидки и дешевле доставка.
Качественные специализированные аккумуляторы стоят дорого, аккумулятор 12в 200Ач обойдётся в среднем в 15-20т.рублей. Я использую вот такие акб, про них написано в этой статье Аккумуляторы для солнечных батарей Автомобильные в два раза дешевле, но их надо ставить в два раза больше чтобы они прослужили хотябы лет пять. А так-же автомобильные АКБ нельзя ставить в жилых помещениях так-как они не герметичны. Специализированные при разряде не блолее 50% прослужат 6-10 лет, и они герметичные, ничего не выделяют. Можно купить и дешевле если брать крупную партию, обычно продавцы дают приличные скидки.
Остальное оборудование наверно индивидуально, инверторы бывают разные, и по мощности, и по форме синусоиды, и по цене. Так-же и контроллеры заряда могут быть как дорогие со всеми функциями, в том числе с о связью с ПК и удалённым доступом через интернет.
Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x10 20 кВт·ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 10 18) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 10 17) кВт·ч, достигает поверхности Земли.
Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение.
Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов:
· местного климата
· сезона года
· угла наклона поверхности по отношению к Солнцу.
ВРЕМЯ И МЕСТО
Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит больше достигает поверхности.
Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0,8 кВт·ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт·ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору.
Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе, Средней Азии и Канаде - приблизительно 1000 кВт·ч/м2; в Средиземноморье - приблизительно 1700 кВт·ч /м2; в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт·ч/м2.
Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости от времени года и географического положения (см. таблицу). Этот фактор необходимо учитывать при использовании солнечной энергии.
Количество солнечной радиации в Европе и странах Карибского бассейна, кВт·ч/м2 в день.
| Южная Европа | Центральная Европа | Северная Европа | Карибский регион | |
| Январь | 2,6 | 1,7 | 0,8 | 5,1 |
| Февраль | 3,9 | 3,2 | 1,5 | 5,6 |
| Март | 4,6 | 3,6 | 2,6 | 6,0 |
| Апрель | 5,9 | 4,7 | 3,4 | 6,2 |
| Май | 6,3 | 5,3 | 4,2 | 6,1 |
| Июнь | 6,9 | 5,9 | 5,0 | 5,9 |
| Июль | 7,5 | 6,0 | 4,4 | 6,0 |
| Август | 6,6 | 5,3 | 4,0 | 6,1 |
| Сентябрь | 5,5 | 4,4 | 3,3 | 5,7 |
| Октябрь | 4,5 | 3,3 | 2,1 | 5,3 |
| Ноябрь | 3,0 | 2,1 | 1,2 | 5,1 |
| Декабрь | 2,7 | 1,7 | 0,8 | 4,8 |
| ГОД | 5,0 | 3,9 | 2,8 | 5,7 |
ОБЛАКА
Количество солнечной радиации, достигающее поверхности Земли, зависит от различных атмосферных явлений и от положения Солнца как в течение дня, так и в течение года. Облака - основное атмосферное явление, определяющее количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. В любой точке Земли солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, уменьшается с увеличением облачности. Следовательно, страны с преобладающей облачной погодой получают меньше солнечной радиации, чем пустыни, где погода в основном безоблачная. На формирование облаков оказывает влияние наличие таких особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться. Например, горы могут получить меньше солнечного излучения, чем прилегающие предгорья и равнины. Ветры, дующие в сторону гор, вынуждают часть воздуха подниматься и, охлаждая влагу, находящуюся в воздухе, формируют облака. Количество солнечной радиации в прибрежных районах также может отличаться от показателей, зафиксированных в областях, расположенных внутри континента.
Количество солнечной энергии, поступающей в течение дня, в значительной степени зависит от местных атмосферных явлений. В полдень при ясном небе суммарное солнечное излучение, попадающее на горизонтальную поверхность, может достигнуть (например, в Центральной Европе) значения в 1000 Вт/м 2 (при очень благоприятных погодных условиях этот показатель может быть выше), в то время, как при очень облачной погоде - ниже 100 Вт/м 2 даже в полдень.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ
Антропогенные и природные явления также могут ограничивать количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают возможность использования солнечной энергии, увеличивая рассеивание и поглощение солнечной радиации. То есть, эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.
ПОТЕНЦИАЛ
Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.
В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.
Количество солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, во много раз превышает ее расход даже в таких странах как США, где энергопотребление огромно. Если бы только 1% территории страны был использован для установки солнечного оборудования (фотоэлектрические батареи или солнечные системы для горячего водоснабжения), работающего с КПД 10%, то США были бы полностью обеспечены энергией. То же самое можно сказать и в отношении всех других развитых стран. Однако, в определенном смысле, это нереально - во-первых, из-за высокой стоимости фотоэлектрических систем, во-вторых, невозможно охватить такие большие территории солнечным оборудованием, не нанося вред экосистеме. Но сам принцип является верным. Можно охватить ту же самую территорию, рассредоточив установки на крышах зданий, на домах, по обочинам, на заранее определенных участках земли и т.д. К тому же, во многих странах уже более 1% земли отведено под добычу, преобразование, производство и транспортировку энергии. И, поскольку большая часть этой энергии является не возобновляемой в масштабе существования человечества, этот вид производства энергии намного более вреден для окружающей среды, чем солнечные системы.
Почти вся энергия на Землю, приходит от Солнца. Если бы не оно, Земля была бы холодной и безжизненной. Растения растут, потому что получают необходимую энергию. Солнце ответственно за ветер, и даже ископаемое топливо это энергия нашей звезды, запасенная миллионы лет назад. Но сколько энергии на самом деле, приходит от него?
Как вы, наверное, знаете, в его ядре, температура и давление настолько высоки, что атомы водорода сливаются в атомы гелия.
Излучение Солнца
В результате этой реакции синтеза, звезда производит 386 миллиардов мегаватт. Большая часть излучается в пространство. Вот почему мы видим звезды, которые удалены на десятки и сотни световых лет от Земли. Мощность излучения Солнца равна 1,366 киловатт на квадратный метр. Около 89000 тераватт проходит через атмосферу и достигает поверхности Земли. Получается его энергия на Земле составляет около 89000 тераватт! Просто для сравнения, общее потребление каждого человека составляет 15 тераватт.
Так что Солнце дает в 5900 раз больше энергии, чем люди в настоящее время производят. Нам просто нужно научится использовать ее.
Наиболее эффективный способ использовать излучение нашей звезды это фотоэлементы. Как таковое, это преобразование фотонов в электричество. Но энергия создает ветер, который заставляет работать генераторы. Солнце помогает расти культурам, которые мы используем для производства биотоплива. И, как мы уже говорили, ископаемые виды топлива, такие как нефть и уголь это концентрированное солнечное излучение, собранное растениями в течение миллионов лет.
Мощность излучения Солнца и использование энергии на Земле
Мощность излучения Солнца равна 1,366 киловатт на квадратный метр. Получается его энергия на Земле составляет около 89000 тераватт
Солнце:
НАШ САМЫЙ КРУПНЫЙ И САМЫЙ ЩЕДРЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Солнце – первопричина всей жизни на Земле и наш важнейший поставщик энергии. Оно – невероятный сгусток энергии. Энергия, излучаемая с поверхности Солнца и попадающая на земной шар, примерно в 10.000 раз превышает сегодняшнюю мировую потребность в энергии. Однако используемая доля исходящей от Солнца энергии сейчас еще очень мала.
Максимальная мощность солнечного излучения составляет 1.000 ватт на один квадратный метр земной поверхности:
Ясное синее небо
Общая мощность излучения или так называемая глобальная радиация представляет собой сумму прямого и рассеянного излучения. Важно различать эти виды излучения, т.к. современные солнечные установки рассчитаны на различное излучение. Так, например, термические солнечные установки, предназначенные для подогрева воды, используют как прямое, так и рассеянное излучение солнца. Они преобразуют энергию излучения в тепло даже при облачной погоде.
На графике
показаны годовые колебания усредненного общего излучения в г. Карлсруэ, Германия
КАК СОЛНЕЧНЫЕ ЛУЧИ ПРЕВРАЩАЮТСЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК: ИНФОРМАЦИЯ О СИСТЕМЕ «ФОТОВОЛЬТАИК»
«Фотовольтаик » – специальный термин, обозначающий непосредственное преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью так называемых солнечных батарей (фотогальванической установки) . В настоящее время они изготавливаются почти исключительно из кремния – материала, получаемого из кварцевого песка, имеющегося почти в неограниченном количестве.
Солнечные батареи изготавливаются из разного кремния:
Если солнце светит в условиях тумана, облачности или же находится низко над горизонтом, то оно светит «вполсилы», а это значит, что и солнечная батарея работает лишь вполовину своей производительности. Наибольшего КПД фотогальваническая установка достигает при перпендикулярном облучении. Установка с жестким креплением должна быть расположена по возможности под углом в 30 о и направлена на юг.
ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ: ПОДСОЕДИНЕННЫЕ К СЕТИ ИЛИ НЕ ЗАВИСЯЩИЕ ОТ НЕЕ
Фотогальванические установки, отдающие ток в общую энергосеть
, подсоединены к ней через инвертор, который преобразует производимый солнечными батареями постоянный ток в переменный и подает его в сеть
Номинальная мощность фотогальванических установок указывается в ваттах пик. Подсоединенная к сети установка с номинальной мощностью в 1 киловатт пик имеет площадь примерно 10 квадратных метров и стоит, считая и монтаж, около 10.000 Евро. Такая установка может произвести примерно 900 киловатт-часов электроэнергии в год. Для сравнения – одна семья из 3 человек ежегодно потребляет в среднем 3.000 киловатт-часов энергии.
Автономные фотогальванические установки работают в так называемом «островном режиме», т.е. они не подсоединены к общественной энергосети. Для работы в мало солнечное время и ночью для них необходимы подзаряжаемый аккумулятор для накопления энергии. Величина солнечного генератора зависит от режима потребления тока и емкости аккумулятора, причем это должен быть обязательно специальный солнечный аккумулятор. Использование автономных установок имеет смысл только в тех случаях, когда подключение к общей сети невозможно или если стоимость такого подключения намного превосходит стоимость самой установки.
ОСОБЕННО ЦЕЛЕСООБРАЗНО: НАГРЕВАНИЕ ВОДЫ СОЛНЕЧНЫМИ КОЛЛЕКТОРАМИ
С помощью солнечных термоустановок солнечную энергию в наших широтах можно эффективно использовать для подогрева воды и в помощь отопительной системе. Хорошие коллекторы и правильно подобранная по размеру установка могут покрыть до 25 % годового потребления тепла за счет солнечной энергии и к тому же уберечь окружающую среду и сэкономить энергоресурсы.
Для подогрева воды солнечное тепло улавливается плоскими коллекторами или коллекторами с вакуумными трубками . Между солнечными коллекторами и отдельным накопителем горячей воды в доме циркулирует жидкость с антифризом, нагреваемая лучами солнца. Это тепло затем отдается воде через теплообменник. В пасмурные дни вода для бытовых нужд нагревается от отопительного котла.
Для подогрева воды достаточно 1,3 кв. м площади коллектора в расчете на одного человека. Эксперты подсчитали, что объем водонакопителя при температуре воды 50 о должен составлять 80 литров на человека, но не менее 300 литров.
КОМБИНИРОВАННЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ ГРЕЮТ ВОДУ И РАЗГРУЖАЮТ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ
Количество солнечных установок, которые только нагревают бытовую воду, уже довольно велико. Комбинированные же солнечные установки, которые и воду для бытовых нужд греют, и участвуют в отоплении – это новое, еще более прогрессивное и эффективное решение. Весной и осенью такие установки могут сделать заметный вклад в отопление помещений и разгрузить систему отопления. Для домов на одну – две семьи хорошо проявили себя на практике комбинированные установки с поверхностью коллектора от 8 до 15 кв. м и с комбинированным накопителем – для нагрева бытовой воды и для создания запаса воды на отопление – емкостью от 500 до 1000 литров.
Возобновляемые источники энергии - Солнце-ЗАО Технологический парк Могилев
Солнце: НАШ САМЫЙ КРУПНЫЙ И САМЫЙ ЩЕДРЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ Солнце – первопричина всей жизни на Земле и наш важнейший поставщик энергии. Оно – невероятный сгусток энергии. Энергия,
Мощность солнечного излучения на квадратный метр
С олнце составляет 99,98% всей энергии нашей планеты (остальная энергия – геотермальная). Солнце состоит из водорода (71%), гелия (27%) и твердой материи (2%). Температура вблизи ядра приблизительно 16 000 000 градусов, а на его поверхности-фотосфере – около 5770 К. Мощность энергии, излучаемой Солнцем, составляет
63 МВт с каждого квадратного метра его поверхности, всего около 3,72 х 10 20 МВт.
Единицей измерения потока солнечной энергии в системе СИ является ватт на квадратный метр (Вт/м 2). При среднем расстоянии от Земли до Солнца – 150 000 000 км – плотность энергии солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, составляет в среднем 1,367 КВт/м 2 . Эта величина называется солнечной постоянной. Различные процессы внутри Солнца и на его поверхности (солнечные пятна и вспышки) приводят к флуктуациям этой величины, но они не превышают 0,1%.
Расстояние от Земли до Солнца изменяется из-за эллиптичности его орбиты Земли, поэтому солнечное излучение в верхней границе атмосферы на 6,6% больше 4 января (когда Земля ближе всего к Солнцу, в перигелии), чем 4 июля (когда Земля наиболее удалена от Солнца, в афелии). Эти даты не совпадают с датами зимнего и летнего солнцестояния потому, что ось вращения Земли наклонена к плоскости эклиптики на 23,5 о.
Из-за большого расстояния между Солнцем и Землей солнечное излучение, которое достигает верхней границы атмосферы, падает в виде почти параллельных лучей. Это излучение включает в себя ультрафиолетовое излучение (УФ), видимый свет и ближнее инфракрасное излучение (БИК). Максимальная интенсивность излучения приходится на диапазон видимого спектра – излучение с длиной волны от 400 до 800 нм. Интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучения, приходящего от Солнца, очень мала, однако, когда Земля нагревается под действием солнечного излучения, она излучает ближнее и дальнее ИК излучение, которое, в свою очередь, поглощается и отражается газами, частицами и облаками в атмосфере.
При прохождении через атмосферу часть солнечного излучения достигает поверхности Земли, а часть рассеивается молекулами газов, аэрозольными частицами, каплями воды и кристаллами льда. Молекулы газов и аэрозоли отвечают за большую часть поглощения излучения. Рассеивание солнечного излучения на каплях воды и кристаллах льда происходит во всем спектральном диапазоне. Молекулы же в основном рассеивают излучение коротких длин волн, а аэрозоли – более длинных.
Рис. 2. Участки спектра излучения. Синим цветом обозначено длинноволновое УФ-излучение, желтым – средневолновое УФ-излучение, белым – видимый свет, кремовым – ближнее инфракрасное излучение и розовым – дальнее инфракрасное излучение. Синяя линия показывает солнечное излучение на земной поверхности, черная – чувствительность человеческого глаза, зеленая – спектральную чувствительность типичного фотоэлемента, красная – чувствительность пиранометра со стеклянным куполом и розовая – чувствительность пиргеометра. Для сравнения все приведено к условному максимуму 1,0.
Эти процессы в значительной степени влияют на спектр излучения, которое достигает земной поверхности. Когда Солнце находится прямо над головой, оптическая масса атмосферы является минимальной и по определению имеет для этой местности атмосферную массу, равную 1,0. Когда Солнце опускается к горизонту, оптическая масс атмосферы увеличивается приблизительно в 11 раз и ее влияние на поглощение и рассеивание солнечного излучения становится значительно больше.
Некоторые из этих процессов легко наблюдать. Молекулы атмосферы намного сильнее рассеивают короткие иволны, чем более длинные – рэлеевское рассеивание. Поэтому, когда Солнце находится высоко, небо выглядит синим. Когда же Солнце находится вблизи горизонта, короткие волны, проходя через толстый слой атмосферы, испытывают полное рассеивание, и небо по утрам и вечерам выглядит красным.
В безоблачный день поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности в местный полдень, обычно находится в интервале от 700 до 1300 Вт/м 2 в зависимости от широты, долготы, высоты над уровнем моря и времени года.
Наблюдения за солнечным излучением на земной поверхности ведут в двух диапазонах длин волн: коротковолновом излучении с длиной волны от 300 до 4000 нм и длинноволновом – от 4500 нм (4,5 мкм) до 40 мкм. Коротковолновое излучение включает ультрафиолетовое, видимое, и ближнее, инфракрасное излучение.
Часть солнечного излучения, которая достигает земной поверхности, отражается от нее, а другая часть поглощается. Снег и лед имеют высокую отражательную способность (альбедо), темные и/или неровные поверхности – более низкую. Часть излучения, которая поглощается земной поверхносьтю, излучается обратно в атмосферу в ближнем (инфракрасном) диапазоне. Углекислый газ (СО 2), метан (СН 4) и водяной пар (Н 2 О) в атмосфере способны поглощать это излучение, нагревая, в свою очередь, земную атмосферу. Это – так называемый “парниковый эффект”. В целом же существует равновесие: Земля получает столько же солнечного излучения, сколько излучает обратно в Космос. Иначе Земля нагревалась бы или остывала.
Метеорологическое оборудование МТР-5 фирмы АТТЕХ, актинометрические датчики фирмы Kipp & Zonen
НПО АТТЕХ предлагает метеорологическое оборудование – температурные профилемеры МТР-5 (МТП-5), актинометрические датчики Kipp & Zonen