كيفية حساب كمية الطاقة الشمسية في المنطقة. ما مقدار الطاقة التي توفرها البطارية الشمسية؟

تختلف شدة ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض باختلاف الوقت من اليوم والسنة والموقع والظروف الجوية. يُطلق على إجمالي كمية الطاقة المحسوبة يوميًا أو سنويًا اسم التشعيع (أو "الإشعاع الشمسي الوارد") ويظهر مدى قوة الإشعاع الشمسي. يتم قياس الإشعاع بوحدة W*h/m² يوميًا، أو في فترات أخرى.

وتسمى شدة الإشعاع الشمسي في الفضاء الحر على مسافة تساوي متوسط ​​المسافة بين الأرض والشمس بالثابت الشمسي. قيمتها 1353 واط/م². عند مروره عبر الغلاف الجوي، يتضاءل ضوء الشمس بشكل رئيسي بسبب امتصاص الأشعة تحت الحمراء بواسطة بخار الماء، والأشعة فوق البنفسجية بواسطة الأوزون، وتناثر الإشعاع بواسطة جزيئات الغبار والهباء الجوي. يُطلق على مؤشر التأثير الجوي على شدة الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض اسم "الكتلة الهوائية" (AM). يتم تعريف AM على أنه قاطع الزاوية بين الشمس وسمت.

ويبين الشكل 1 التوزيع الطيفي لكثافة الإشعاع الشمسي في ظل ظروف مختلفة. يتوافق المنحنى العلوي (AM0) مع الطيف الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض (على سبيل المثال، على متن مركبة فضائية)، أي. عند كتلة هوائية صفر. ويتم تقريبه من خلال توزيع شدة الإشعاع لجسم أسود بالكامل عند درجة حرارة 5800 كلفن. يوضح المنحنيان AM1 وAM2 التوزيع الطيفي للإشعاع الشمسي على سطح الأرض عندما تكون الشمس في ذروتها وبزاوية بين القطبين. الشمس وذروة 60 درجة على التوالي. وفي هذه الحالة، يبلغ إجمالي طاقة الإشعاع حوالي 925 و691 واط/م2 على التوالي. يتطابق متوسط ​​شدة الإشعاع على الأرض تقريبًا مع شدة الإشعاع عند AM = 1.5 (الشمس بزاوية 45 درجة مع الأفق).

وبالقرب من سطح الأرض، يمكننا أن نأخذ متوسط ​​قيمة شدة الإشعاع الشمسي بـ 635 واط/م². وفي يوم مشمس شديد الوضوح، تتراوح هذه القيمة من 950 وات/م2 إلى 1220 وات/م2. متوسط ​​القيمة حوالي 1000 واط/م². مثال: إجمالي شدة الإشعاع في زيوريخ (47°30′N، 400 متر فوق مستوى سطح البحر) على سطح متعامد مع الإشعاع: 1 مايو 12:00 1080 وات/م²؛ 21 ديسمبر 12:00 930 وات/م².

لتبسيط حساب وصول الطاقة الشمسية، عادة ما يتم التعبير عنها بساعات سطوع الشمس بكثافة 1000 واط/م2. أولئك. ساعة واحدة تقابل وصول الإشعاع الشمسي بمقدار 1000 واط*ساعة/م². ويتوافق هذا تقريبًا مع الفترة التي تشرق فيها الشمس في الصيف في منتصف يوم مشمس خالٍ من الغيوم على سطح متعامد مع أشعة الشمس.

مثال
تشرق الشمس الساطعة بقوة 1000 وات/م2 على سطح متعامد مع أشعة الشمس. في ساعة واحدة، تنخفض 1 كيلووات ساعة من الطاقة لكل 1 متر مربع (الطاقة تساوي الطاقة مضروبة في الزمن). وبالمثل، فإن متوسط ​​وصول الإشعاع الشمسي بمقدار 5 كيلووات ساعة/م2 خلال النهار يتوافق مع 5 ساعات ذروة لأشعة الشمس يوميًا. لا تخلط بين ساعات الذروة وساعات النهار الفعلية. تشرق الشمس خلال النهار بكثافات مختلفة، لكنها في المجمل تعطي نفس كمية الطاقة كما لو أنها أشرقت لمدة 5 ساعات بأقصى شدة. وهي ساعات ذروة سطوع الشمس التي تستخدم في حسابات تركيبات الطاقة الشمسية.

ويختلف وصول الإشعاع الشمسي على مدار اليوم ومن مكان إلى آخر، خاصة في المناطق الجبلية. ويتراوح معدل التشعيع في المتوسط ​​من 1000 كيلووات ساعة/م2 سنويًا في بلدان أوروبا الشمالية، إلى 2000-2500 كيلووات ساعة/م2 سنويًا في الصحاري. كما تؤدي الظروف الجوية وانحراف الشمس (الذي يعتمد على خط عرض المنطقة) إلى اختلافات في وصول الإشعاع الشمسي.

في روسيا، خلافا للاعتقاد السائد، هناك العديد من الأماكن التي يكون من المربح فيها تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء باستخدام. وفيما يلي خريطة لموارد الطاقة الشمسية في روسيا. كما ترون، في معظم أنحاء روسيا، يمكن استخدامه بنجاح في الوضع الموسمي، وفي المناطق التي بها أكثر من 2000 ساعة من أشعة الشمس سنويًا - على مدار السنة. وبطبيعة الحال، في فصل الشتاء، يتم تقليل إنتاج الطاقة من الألواح الشمسية بشكل كبير، ولكن لا تزال تكلفة الكهرباء من محطة الطاقة الشمسية أقل بكثير من مولد الديزل أو البنزين.

من المفيد بشكل خاص استخدامه في حالة عدم وجود شبكات كهربائية مركزية ويتم توفير الطاقة عن طريق مولدات الديزل. وهناك الكثير من هذه المناطق في روسيا.

علاوة على ذلك، حتى في حالة وجود شبكات، فإن استخدام الألواح الشمسية التي تعمل بالتوازي مع الشبكة يمكن أن يقلل بشكل كبير من تكاليف الطاقة. ومع الاتجاه الحالي نحو زيادة التعريفات الجمركية التي تفرضها احتكارات الطاقة الطبيعية في روسيا، فإن تركيب الألواح الشمسية أصبح استثماراً ذكياً.

4.1.1. تقييم إجمالي موارد الطاقة (الإمكانات) للطاقة الشمسية

تحليل العوامل المؤثرة على قيمة إجمالي موارد الطاقة من الطاقة الشمسية.إن طاقة الإشعاع الشمسي الساقط على الأرض أكبر بـ 10000 مرة من كمية الطاقة التي يولدها الإنسان. يتم شراء وبيع حوالي 85∙10 3 مليار كيلووات ساعة من الطاقة سنويًا في السوق التجارية العالمية. من الصعب للغاية تقدير مقدار الطاقة غير التجارية التي تستهلكها البشرية. ويقدر بعض الخبراء أن المكون غير التجاري يقترب من 20% من إجمالي الطاقة المستخدمة.

بلغ استهلاك الكهرباء في روسيا ككل 1.036∙10 3 مليار كيلووات ساعة في عام 2015. ويمتلك الاتحاد الروسي ثروة ضخمة الموارد الإجماليةاستخدام الطاقة الشمسية. تبلغ طاقة إجمالي الإشعاع الشمسي السنوي الساقط على السطح الأفقي لأراضي بلادنا حوالي 20.743∙10 6 مليار كيلووات ساعة/السنة، وهو ما يتجاوز الطلب على الطاقة بحوالي 20.000 مرة.

يسمى تشعيع سطح الأرض بالإشعاع الشمسي الذي له تأثيرات ضوئية وحرارة ومبيدة للجراثيم تشمس.

يتم قياس التشميس بكمية طاقة الإشعاع الشمسي الساقطة على وحدة السطح الأفقي لكل وحدة زمنية.

يقع تدفق الإشعاع الشمسي الذي يمر عبر مساحة 1 م2 عمودي على التدفقالإشعاع على مسافة وحدة فلكية واحدة من مركز الشمس (أي خارج الغلاف الجوي للأرض) يساوي 1367 واط/م2 - الثابت الشمسي.

وبسبب امتصاص الغلاف الجوي للأرض، يبلغ الحد الأقصى لتدفق الإشعاع الشمسي عند مستوى سطح البحر 1020 واط/م2. ومع ذلك، ينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أن متوسط ​​القيمة اليومية لتدفق الإشعاع الشمسي عبر منطقة واحدة أقل بثلاث مرات على الأقل (بسبب تغير النهار والليل والتغيرات في زاوية الشمس فوق الأفق). في فصل الشتاء في خطوط العرض المعتدلة، تكون هذه القيمة أقل مرتين. هذه الكمية من الطاقة لكل وحدة مساحة تحدد قدرات الطاقة الشمسية. تتضاءل أيضًا آفاق إنتاج الطاقة الشمسية بسبب التعتيم العالمي، وهو انخفاض من صنع الإنسان في الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض.

يتكون إجمالي الإشعاع الشمسي الموجود في الغلاف الجوي للأرض من الإشعاع المباشر والمتناثر . تعتمد كمية الطاقة المتساقطة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية على:

- خط العرض الجغرافي للمنطقة،

- المناخ المحلي والوقت من السنة،

- الكثافة والرطوبة ودرجة تلوث الهواء،

- الحركة السنوية واليومية للأرض،

- طبيعة سطح الأرض،

- على زاوية ميل السطح الذي يسقط عليه الإشعاع بالنسبة للشمس.

يمتص الغلاف الجوي بعضاً من الطاقة الشمسية. كلما زاد مسار الأشعة الشمسية في الغلاف الجوي، قل وصول الطاقة الشمسية المباشرة إلى سطح الأرض. عندما تكون الشمس في ذروتها (زاوية سقوط الأشعة 90 درجة)، تضرب أشعتها الأرض عبر أقصر مسار وتطلق طاقتها بشكل مكثف إلى منطقة صغيرة. على الأرض، يحدث هذا بالقرب من خط الاستواء في المناطق الاستوائية. وكلما ابتعدت عن هذه المنطقة نحو الجنوب أو الشمال، يزداد طول مسار أشعة الشمس وتقل زاوية سقوطها على سطح الأرض. نتيجة ل:

زيادة فقدان الطاقة في الهواء الجوي ،

يتم توزيع الإشعاع الشمسي على مساحة كبيرة،

تقليل كمية الطاقة المباشرة المتساقطة لكل وحدة مساحة، و

زيادة حصة الإشعاعات المتناثرة.

بالإضافة إلى ذلك، يعتمد طول اليوم في أوقات مختلفة من السنة على خط عرض المنطقة، والذي يحدد أيضًا كمية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض. أحد العوامل المهمة التي تحدد إمكانات الطاقة الشمسية هو مدة الإشعاع الشمسي على مدار العام (الشكل 4.1).

أرز. 4.1. مدة سطوع الشمس في روسيا، ساعة/سنة

بالنسبة للمناطق ذات خطوط العرض العليا، حيث يقع جزء كبير من وقت الشتاء في الليل القطبي، يمكن أن يكون الفرق في مدخلات الإشعاع في الصيف والشتاء كبيرًا جدًا. وهكذا، خارج الدائرة القطبية الشمالية، تتراوح مدة سطوع الشمس من 0 ساعة في ديسمبر إلى 200 - 300 ساعة في يونيو ويوليو، مع مدة سنوية تبلغ حوالي 1200 - 1600 ساعة. في شمال البلاد، تختلف كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض في الشتاء عن المتوسط ​​السنوي بأقل من 0.8 كيلووات ساعة/(م2 × يوم)، وفي الصيف - بأكثر من 4 كيلووات ساعة/م2. إذا كانت مستويات الإشعاع الشمسي في المناطق الشمالية والجنوبية من روسيا مختلفة تمامًا في أشهر الشتاء، فإن مؤشرات التشميس الصيفي في هذه المناطق بسبب ساعات النهار الطويلة في خطوط العرض الشمالية تكون قابلة للمقارنة تمامًا. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض مدة سطوع الشمس السنوية، فإن المناطق المحيطة بالقطب تكون أقل في إجمالي الإشعاع الشمسي من مناطق المنطقة الوسطى والجنوب بمقدار 1.3 و1.7 مرة على التوالي.

الظروف المناخية في منطقة معينة تحدد مدة ومستوى الغطاء السحابي في المنطقة والرطوبة وكثافة الهواء. الغيوم هي ظاهرة جوية كبرى تقلل من كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض. ويتأثر تكوينها بخصائص التضاريس المحلية مثل الجبال والبحار والمحيطات، فضلاً عن البحيرات الكبيرة. ولذلك فإن كمية الإشعاع الشمسي الواردة في هذه المناطق والمناطق المحيطة بها قد تختلف.

كما تؤثر طبيعة سطح الأرض وتضاريسها على انعكاسيتها. تسمى قدرة السطح على عكس الإشعاع البياض (من اللاتينية - البياض). لقد ثبت أن بياض سطح الأرض يختلف على نطاق واسع جدًا. وبالتالي، فإن بياض الثلج النقي هو 85-90٪، والرمال - 30-35٪، تشيرنوزيم - 5-14٪، الأوراق الخضراء - 20-25٪، الأوراق الصفراء - 33-39٪، سطح الماء على ارتفاع شمسي 90 0 – 2%، سطح الماء على ارتفاع شمسي 20 0 – 78%. يزيد الإشعاع المنعكس من عنصر الإشعاع المتناثر.

كما يمكن لتلوث الهواء الطبيعي أو من صنع الإنسان أن يحد من كمية الإشعاع الشمسي الذي يمكن أن يصل إلى سطح الأرض. يؤدي الضباب الدخاني في المناطق الحضرية، والدخان الناتج عن حرائق الغابات، والرماد المحمول جواً الناتج عن النشاط البركاني إلى تقليل القدرة على تسخير الطاقة الشمسية عن طريق زيادة تشتت وامتصاص الإشعاع الشمسي. ولهذه العوامل تأثير أكبر على الإشعاع الشمسي المباشر منه على الإشعاع الشمسي الإجمالي. مع تلوث الهواء الشديد، على سبيل المثال، مع الضباب الدخاني، يتم تقليل الإشعاع المباشر بنسبة 40٪، والإشعاع الإجمالي بنسبة 15-25٪ فقط. ويمكن للثوران البركاني القوي أن يقلل، على مساحة كبيرة من سطح الأرض، الإشعاع الشمسي المباشر بنسبة 20%، والإشعاع الكلي بنسبة 10% لمدة تتراوح من 6 أشهر إلى سنتين. ومع انخفاض كمية الرماد البركاني في الغلاف الجوي، يضعف التأثير، ولكن التعافي الكامل قد يستغرق عدة سنوات.

كما تتغير كمية الطاقة الشمسية المتساقطة على السطح الذي يستقبلها عندما يتغير موقع الشمس خلال النهار في أشهر مختلفة من السنة. عادة، تتلقى الأرض المزيد من الإشعاع الشمسي في منتصف النهار مقارنة بالصباح الباكر أو في وقت متأخر من المساء. عند الظهر تكون الشمس مرتفعة فوق الأفق، ويقل طول مسار الأشعة الشمسية عبر الغلاف الجوي للأرض. وبالتالي، يتم تشتيت وامتصاص كمية أقل من الإشعاع الشمسي، مما يعني وصول المزيد إلى السطح. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي انحراف زاوية سقوط ضوء الشمس على سطح الاستقبال من 90 درجة إلى انخفاض في كمية الطاقة الساقطة لكل وحدة مساحة - تأثير الإسقاط. يمكن رؤية تأثير هذا التأثير على مستوى التشميس في الشكل 4.2.

أرز. 4.2. تأثير التغيرات في زاوية سقوط الأشعة الشمسية على القيمة

التشمس – تأثير الإسقاط

يضرب تيار من الطاقة الشمسية عرضه كيلومتر واحد الأرض بزاوية 90 درجة، ويضرب تيار آخر بنفس العرض الأرض بزاوية 30 درجة. يحمل كلا التيارين نفس الكمية من الطاقة. في هذه الحالة، ينشر شعاع شمسي مائل طاقته على مساحة تبلغ ضعف حجم الشعاع المتعامد مع السطح المستقبل، وبالتالي، سيتم استقبال نصف كمية الطاقة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية.

سطح الأرض يمتص الإشعاع الشمسي (الإشعاع الممتص)،يسخن ويشع الحرارة في الغلاف الجوي (الإشعاع المنعكس).الطبقات السفلية من الغلاف الجوي تحجب الإشعاع الأرضي إلى حد كبير. يتم إنفاق الإشعاع الذي يمتصه سطح الأرض على تسخين التربة والهواء والماء.

يسمى ذلك الجزء من الإشعاع الكلي الذي يبقى بعد الانعكاس والإشعاع الحراري لسطح الأرض توازن الإشعاع.يتغير التوازن الإشعاعي لسطح الأرض خلال النهار وبحسب فصول السنة.

مصادر المعلومات لتقييم قيمة الموارد الإجمالية (الإمكانات) للطاقة الشمسية.أساس المعلومات لتقييم قيمة هذا المورد الإجمالي (الإمكانات) للطاقة الشمسية هو البيانات المستمدة من قياسات الإشعاع الشمسي في مناطق مختلفة من البلاد، يليها تقسيم أراضي المنطقة إلى مناطق ذات مستوى تشميس موحد نسبيًا. لهذه الأغراض، البيانات التي تم إنشاؤها باستخدام نتائج الملاحظات الأكتينوميترية مطلوبة، أي. بيانات عن شدة الإشعاع الشمسي المباشر والمنتشر والإجمالي وعن توازن الإشعاع وطبيعة انعكاس الإشعاع من سطح الأرض (البياض).

وبالنظر إلى الانخفاض الحاد في عدد محطات الأرصاد الجوية التي تجري عمليات رصد الأكتينوميتر الأرضية في روسيا، في عام 2014، تم استخدام المعلومات المتعلقة بتوزيع موارد الطاقة الشمسية من قاعدة بيانات الأرصاد الجوية السطحية والطاقة الشمسية التابعة لناسا (NASA SSE) لتقدير الإمكانات الإجمالية (مصدر) الطاقة الشمسية. تم تشكيل قاعدة البيانات هذه على أساس قياسات الأقمار الصناعية للتوازن الإشعاعي لسطح الأرض، والتي تم إجراؤها في إطار البرنامج الدولي لعلم الأقمار الصناعية والمناخ السحابي التابع للبرنامج العالمي لأبحاث المناخ (ISCCP) في الفترة من يوليو 1983 إلى يونيو 2005. وبناء على نتائجهم ومع الأخذ بعين الاعتبار طبيعة انعكاس الإشعاع عن سطح الأرض وحالة الغيوم وتلوث الغلاف الجوي بالهباء الجوي وعوامل أخرى، فقد تم حساب قيم كميات الإشعاع الشمسي الشهرية الساقطة على سطح أفقي. تم حسابها لشبكة 1°×1° تغطي الكرة الأرضية بأكملها، بما في ذلك أراضي الاتحاد الروسي.

حساب إجمالي حادث الإشعاع على سطح مائل بزاوية اتجاه معينة.عند تقييم الإمكانات، من الضروري أن نكون قادرين على تحديد كمية الإشعاع الكلي الذي يسقط في وقت معين على سطح مائل موجه بالنسبة لسطح الأرض بزاوية تهمنا.

قبل أن نبدأ في وصف منهجية حساب الإشعاع الكلي، يجب أن نقدم المفاهيم الأساسية المرتبطة بتقييم الإشعاع الشمسي.

ستتم المراجعة في نظام الإحداثيات الأفقية.وفي هذا النظام يتم وضع أصل الإحداثيات عند النقطة التي يكون فيها الراصد على سطح الأرض. المستوى الرئيسي هو المستوى الأفقي - المستوى الأفق الرياضي. إحداثيات واحدة في هذا النظام هي إما ارتفاع الشمس α، أو له مسافة السمت ض. الإحداثي الآخر هو السمت أ.

الأفق الرياضي عبارة عن دائرة كبيرة من الكرة السماوية، يكون مستواها متعامدًا مع الخط الشاقول عند النقطة التي يوجد فيها الراصد.

الأفق الرياضي لا يتزامن مع الأفق المرئيبسبب عدم استواء سطح الأرض، واختلاف ارتفاعات نقاط المراقبة، وكذلك انحناء الأشعة الضوئية في الغلاف الجوي.

زاوية ذروة الطاقة الشمسية zهي الزاوية بين شعاع الشمس والعمودي للمستوى الأفقي عند نقطة المراقبة A.

زاوية ارتفاع الشمس α- هذه هي الزاوية في المستوى العمودي بين شعاع الشمس وسقوطه على المستوى الأفقي. المجموع α+z هو 90°.

سمت الشمس أ- هذه هي الزاوية في المستوى الأفقي بين سقوط شعاع الشمس واتجاه الجنوب.

السمت السطحي أتقاس بالزاوية بين العمودي على السطح المعني والاتجاه نحو الجنوب.

زاوية انحراف الشمسهي الزاوية بين الخط الواصل بين مركزي الأرض والشمس ومسقطه على المستوى الاستوائي. يتغير انحراف الشمس بشكل مستمر على مدار العام - من -23°27" في الانقلاب الشتوي في 22 ديسمبر إلى +23°27" في الانقلاب الصيفي في 22 يونيو ويساوي الصفر في أيام الربيع والخريف الاعتدالان (21 مارس و 23 سبتمبر).

التوقيت الشمسي الحقيقي المحلي هو الوقت المحدد في موقع الراصد من خلال الموقع الظاهري للشمس على الكرة السماوية. الساعة 12 ظهرًا بالتوقيت الشمسي المحلي يتوافق مع الوقت الذي تكون فيه الشمس في ذروتها (الأعلى في السماء).

يختلف التوقيت المحلي عادةً عن التوقيت الشمسي المحلي بسبب وجود انحراف مركزي في مدار الأرض، واستخدام المناطق الزمنية من قبل البشر، وتعويضات التوقيت الاصطناعية لتوفير الطاقة.

خط الاستواء السماوي- هذه دائرة عظيمة من الكرة السماوية، مستواها متعامد مع محور العالم (محور دوران الأرض) ويتزامن مع مستوى خط استواء الأرض.

يقسم خط الاستواء السماوي سطح الكرة السماوية إلى نصفي الكرة الأرضية: نصف الكرة الشمالي، وتقع قمته عند القطب السماوي الشمالي، ونصف الكرة الجنوبي، وتقع قمته عند القطب السماوي الجنوبي.

الزوال السماوية- دائرة كبيرة من الكرة السماوية يمر مستواها بخط راسيا ومحور العالم (محور دوران الأرض).

زاوية الساعة- المسافة الزاوية المقاسة على طول خط الاستواء السماوي باتجاه الغرب من خط الطول السماوي (ذلك الجزء الذي تعبره الشمس في لحظة الذروة العليا) إلى دائرة الساعة مروراً بنقطة مختارة في الكرة السماوية.

زاوية الساعة هي نتيجة تحويل التوقيت الشمسي المحلي إلى عدد الدرجات التي تنتقل بها الشمس عبر السماء. بحكم التعريف، زاوية الساعة هي صفر عند الظهر. وبما أن الأرض تدور بمقدار 15 0 في ساعة واحدة (360 o / 24 ساعة)، ففي كل ساعة بعد الظهر تمر الشمس 15 0. في الصباح تكون زاوية الشمس سلبية، وفي المساء تكون إيجابية.

مثل معلومات اساسية لحساب الإشعاع الكلي، يتم استخدام قيم المؤشرات التالية التي تم الحصول عليها عن طريق المعالجة الإحصائية لبيانات الرصد:

- متوسط ​​الكمية الشهرية لإجمالي الإشعاع الشمسي الساقط على منصة أفقية أثناء النهار؛

- متوسط ​​الكمية الشهرية للإشعاع الشمسي المتناثر (المنتشر) الذي يسقط على منصة أفقية أثناء النهار؛

- بياض سطح الأرض - متوسط ​​النسبة الشهرية لكمية الإشعاع الشمسي المنعكس عن سطح الأرض إلى كمية الإشعاع الشمسي الإجمالي الساقط على سطح الأرض (أي نسبة الإشعاع المنعكس عن سطح الأرض)، الكسر.

يتم إجراء جميع الحسابات الإضافية لـ "متوسط ​​يوم الشهر"، أي. اليوم الذي تكون فيه زاوية انحراف الشمس هي الأقرب إلى متوسط ​​الزاوية الشهرية.

الإشعاع الشمسي على سطح أفقي. وباستخدام هذه المعلومات، يتم تحديد قيم الإشعاع الشمسي الإجمالي (والمتناثر) الواقع على سطح أفقيخلف ر- ساعة المراقبة:

و- تحدد معاملات الانتقال من الإشعاع اليومي إلى الإشعاع الساعةي- كما يلي:

- زاوية الساعة رالساعة المقدرة من اليوم، بالدرجات؛

- زاوية غروب الشمس (غروب الشمس) بالساعة.

زاوية الساعة للشمستحسب باستخدام النسبة

- وقت الظهيرة الشمسية، ويمكن العثور على معلومات عنه في قاعدة بيانات ناسا، بالساعة.

زاوية ساعة غروب الشمسيقدر بـ

- خط العرض، والدرجات؛

- زاوية انحراف الشمس بالدرجات.

زاوية انحراف الشمستحددها الصيغة التالية

– يوم من أيام السنة (من 1 إلى 365).

الإشعاع الشمسي على سطح مائل موجه بشكل عشوائي . عملية حسابية القيم الساعية لإجمالي الإشعاع الشمسيالسقوط على سطح مائل موجه بزاوية إلى الأفقي يتم إنتاجه على النحو التالي

- زاوية سقوط الإشعاع الشمسي المباشر على سطح مائل موجه بشكل تعسفي بزاوية مع الأفق رالساعة العاشرة درجة.

- زاوية سمت الشمس في رالساعة العاشرة درجة.

- زاوية ميل السطح إلى الأفق، بالدرجات؛

زاوية ذروة الشمس

زاوية السقوط مستقيماشعاع شمسيعلى سطح مائل موجه بشكل تعسفي بزاوية إلى الأفقي:

- الزاوية السمتية للشمس ر-الساعة من اليوم بالدرجات.

- سمت السطح المائل بالدرجات.

يمكن حساب زاوية حدوث الإشعاع الشمسي المباشر على سطح مائل بشكل تعسفي بزاوية مع الأفق باستخدام العلاقات التالية:

يمكن استخدام العلاقات التي تمت مناقشتها أعلاه لتقييم إمكانات طاقة الشمس مع التمايز إلى فترات زمنية كل ساعة (أو ثلاث ساعات) من اليوم.

إجمالي موارد الطاقة الكهربائية (المحتملة) من الطاقة الشمسية.لتقدير إجمالي موارد الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية على أراضي بلدنا، استخدمنا متوسط ​​القيم اليومية الشهرية لإجمالي الإشعاع الشمسي الساقط لكل 1 م2 المستوى الأفقي (كيلووات ساعة/(م2 ∙يوم)). بناءً على هذه المعلومات مع التمايز حسب الموضوعات الفيدرالية، تم تقدير متوسط ​​كمية الإشعاع الشمسي بمليون كيلووات ساعة، والتي تقع على مساحة 1 كيلومتر مربع من الأراضي خلال العام (أو بالكيلووات ساعة / (م 2 ∙ سنة)) الشكل. 4.3.

أرز. 4.3. توزيع موارد الطاقة الشمسية السنوية على أراضي الاتحاد الروسي بالتفصيل حسب الموضوعات الفيدرالية

على الخريطة، يتم تعيين رمز لكل موضوع من الاتحاد.

فيما يلي قائمة بالمواضيع الفيدرالية التي تشير إلى رموزها المختلفة حسب المقاطعات الفيدرالية في روسيا. مع الأخذ في الاعتبار تفاصيل تقييم إمكانات الطاقة لمصادر الطاقة المتجددة، تتحد مدينتا موسكو وسانت بطرسبرغ مع منطقتي موسكو ولينينغراد، على التوالي، مع تعيين رمز المنطقة للمنطقة المشتركة. يمكن تقسيم موضوعات الاتحاد إلى حد كبير من الشمال إلى الجنوب إلى أجزاء: الشمال والوسط والجنوب.

1. المنطقة الفيدرالية المركزية: (31) منطقة بيلغورود، (32) منطقة بريانسك، (33) منطقة فلاديمير، (36) منطقة فورونيج، (37) منطقة إيفانوفو، (40) منطقة كالوغا، (44) منطقة كوستروما، (46) منطقة كورسك، ( 48) منطقة ليبيتسك، (50) منطقة موسكو وموسكو، (57) منطقة أوريول، (62) منطقة ريازان، (67) منطقة سمولينسك، (68) منطقة تامبوف، (69) منطقة تفير، (71) منطقة تولا، ( 76) منطقة ياروسلافل.

2. المنطقة الفيدرالية الشمالية الغربية: ( 10) جمهورية كاريليا، (11) جمهورية كومي، (29) منطقة أرخانجيلسك، (35) منطقة فولوغدا، (39) منطقة كالينينغراد، (47) منطقة لينينغراد وسانت بطرسبورغ، (51) منطقة مورمانسك، (53) منطقة نوفغورود، (60) منطقة بسكوف، (83) منطقة نينيتس ذاتية الحكم.

3. المنطقة الفيدرالية الجنوبية :( 1) جمهورية أديغيا، (8) جمهورية كالميكيا، (23) منطقة كراسنودار، (30) منطقة أستراخان، (34) منطقة فولغوغراد، (61) منطقة روستوف، (91) جمهورية القرم وسيفاستوبول.

4. منطقة شمال القوقاز الفيدرالية: ( 5) جمهورية داغستان، (6) جمهورية إنغوشيا، (7) جمهورية قبردينو-بلقاريا، (9) جمهورية قراتشاي-شركيسيا، (15) جمهورية أوسيتيا الشمالية-ألانيا، (20) جمهورية الشيشان، (26) إقليم ستافروبول.

5. منطقة الفولغا الفيدرالية: ( 2) جمهورية باشكورتوستان، (12) جمهورية ماري إيل، (13) جمهورية موردوفيا، (16) جمهورية تتارستان، (18) جمهورية أودمورتيا، (21) جمهورية تشوفاشيا، (43) منطقة كيروف، (52) ) منطقة نيجني نوفغورود، (56) منطقة أورينبورغ، (58) منطقة بينزا، (59) منطقة بيرم، (63) منطقة سامارا، (64) منطقة ساراتوف، (73) منطقة أوليانوفسك.

6. منطقة الأورال الفيدرالية: ( 45) منطقة كورغان، (66) منطقة سفيردلوفسك، (72) منطقة تيومين، (74) منطقة تشيليابينسك، (86) منطقة خانتي مانسي ذاتية الحكم، (89) منطقة يامالو-نينيتس ذاتية الحكم.

7. منطقة سيبيريا الفيدرالية: (3) جمهورية بورياتيا، (4) جمهورية ألتاي، (17) جمهورية تيفا، (19) جمهورية خاكاسيا، (22) إقليم ألتاي، (24) إقليم كراسنويارسك (24-1. شمال، 24-2) المركز، 24 -3. جنوبًا)، (38) منطقة إيركوتسك (38-1. شمالًا، 38-2. جنوبًا)، (42) منطقة كيميروفو، (54) منطقة نوفوسيبيرسك، (55) منطقة أومسك، (70) منطقة تومسك، ( 75) منطقة ترانسبايكال.

8. منطقة الشرق الأقصى الفيدرالية: ( 14) جمهورية ساخا (ياكوتيا) (14-1. شمال، 14-2. مركز، 14-3. جنوب)، (25) إقليم بريمورسكي، (27) إقليم خاباروفسك، (27-1. شمال، 27-2) جنوب)، (28) منطقة آمور، (41) إقليم كامتشاتكا، (49) منطقة ماجادان، (65) منطقة سخالين، (79) أوكروغ اليهودية ذات الحكم الذاتي، (87) أوكروج تشوكوتكا ذاتية الحكم.

إن الرأي السائد بأن روسيا، التي تقع في المقام الأول في خطوط العرض الوسطى والعالية، لا تملك موارد كبيرة من الطاقة الشمسية لاستخدامها بكفاءة للطاقة، ليس صحيحا. تُظهر الخريطة الموضحة أدناه (الشكل 4.4) متوسط ​​التوزيع السنوي لموارد الطاقة الإشعاعية الشمسية عبر أراضي روسيا، والتي يتم تلقيها في المتوسط ​​يوميًا لكل 1 مواقع ذات اتجاه جنوبي مع زاوية ميل مثالية للأفق(لكل نقطة جغرافية، هذه هي الزاوية الخاصة بها التي يصل فيها إجمالي الإمداد السنوي من طاقة الإشعاع الشمسي لمنطقة واحدة إلى الحد الأقصى).

الشكل 4.4. توزيع المتوسط ​​السنوي لمدخلات الطاقة الشمسية اليومية

الإشعاع عبر أراضي روسيا، كيلوواط × ساعة/(م 2 × يوم) (الأمثل

سطح موجه نحو الجنوب)

يُظهر فحص الخريطة المقدمة أنه ضمن الحدود الحالية لروسيا، فإن أكثر المناطق "المشمسة" ليست مناطق شمال القوقاز، كما يفترض الكثيرون، ولكن مناطق بريموري وجنوب سيبيريا (4.5-5 كيلووات × ساعة / (م 2 × يوم) وما فوق). ومن المثير للاهتمام أن منتجعات البحر الأسود الشهيرة (سوتشي، وما إلى ذلك)، من حيث متوسط ​​الإشعاع الشمسي السنوي (من حيث الإمكانات الطبيعية وموارد التشمس الشمسي) تنتمي إلى نفس المنطقة مثل معظم سيبيريا، بما في ذلك ياقوتيا (4.0-4). 5 كيلوواط×ساعة/(م2×يوم)).

بالنسبة للمناطق الفقيرة بالطاقة والتي تتمتع بإمدادات لامركزية للطاقة، من المهم أن تتميز أكثر من 60% من أراضي الدولة، بما في ذلك العديد من المناطق الشمالية، بمتوسط ​​استهلاك يومي سنوي للإشعاع الشمسي يتراوح بين 3.5 إلى 4.5 كيلووات × ساعة / (م2 × day)، وهو ما لا يختلف عن جنوب ألمانيا، الذي يستخدم على نطاق واسع منشآت الطاقة الشمسية.

يُظهر تحليل الخريطة أنه في الاتحاد الروسي، لوحظت أعلى كثافة للشمس تتراوح من 4.5 إلى 5.0 كيلووات×ساعة/م2 أو أكثر يوميًا في بريموري، في جنوب سيبيريا، في جنوب جمهورية تيفا وجمهورية تيفا. بورياتيا، وحتى في الدائرة القطبية الشمالية في الجزء الشرقي من سيفيرنايا زيمليا، وليس في المناطق الجنوبية من البلاد. وفقًا لإمكانات الطاقة الشمسية، 4.0 - 4.5 كيلووات × ساعة / (م 2 × يوم)، منطقة كراسنودار، منطقة روستوف، الجزء الجنوبي من منطقة الفولغا، معظم سيبيريا (بما في ذلك ياقوتيا)، المناطق الجنوبية من نوفوسيبيرسك، مناطق إيركوتسك، بورياتيا، تنتمي أراضي تيفا وخاكاسيا وبريمورسكي وخاباروفسك ومنطقة أمور وجزيرة سخالين ومناطق شاسعة من إقليم كراسنويارسك إلى ماجادان وسيفيرنايا زيمليا وشمال شرق منطقة يامالو-نينيتس المتمتعة بالحكم الذاتي إلى نفس المنطقة مثل شمال القوقاز مع الأسود الروسي الشهير المنتجعات البحرية. وتتميز نيجني نوفغورود، وموسكو، وسانت بطرسبرغ، وسالخارد، والجزء الشرقي من تشوكوتكا وكامشاتكا بمتوسط ​​إشعاع شمسي يتراوح بين 2.5 إلى 3 كيلو واط × ساعة/م2 في اليوم. وفي بقية أنحاء البلاد، تتراوح شدة التشمس السائدة من 3 إلى 4 كيلووات×ساعة/م2 في اليوم.

يكون تدفق الطاقة أكبر في مايو ويونيو ويوليو. خلال هذه الفترة، في وسط روسيا، لكل 1 متر مربع. متر السطح 5 كيلو واط × ساعة في اليوم. أدنى كثافة هي في ديسمبر ويناير، عندما 1 متر مربع. متر السطح 0.7 كيلو واط × ساعة في اليوم.

مع الأخذ في الاعتبار الوضع الحالي، على خريطة أوكرانيا (الشكل 4.3) من الممكن تحليل مستوى الإشعاع الشمسي في إقليم شبه جزيرة القرم.

أرز. 4.3. توزيع إيرادات الإشعاع الشمسي السنوية حسب

أراضي أوكرانيا، كيلووات × ساعة/(م 2 × سنة) (موجهة على النحو الأمثل

سطح موجه نحو الجنوب)

إجمالي موارد الطاقة الحرارية من الطاقة الشمسية.يحدد إجمالي موارد الطاقة الحرارية (المحتملة) الحد الأقصى لكمية الطاقة الحرارية المقابلة لطاقة الإشعاع الشمسي الذي يدخل أراضي روسيا.

يمكن أن تكون المعلومات الخاصة بتقييم هذا المورد عبارة عن تشمس بالميجا أو بالسعرات الحرارية لكل وحدة مساحة من السطح الذي يتلقى الإشعاع لكل وحدة زمنية.

يعطي الشكل 4.4 فكرة عن توزيع إجمالي الإشعاع الشمسي على السطح الأفقي لأراضي الاتحاد الروسي بالسعرات الحرارية لكل 1 سم 2 في السنة.

الشكل 4.4. توزيع إيرادات الإشعاع الشمسي السنوية حسب

أراضي روسيا، سعر حراري/(سم 2 × سنة)

يمكن رؤية التقسيم الشامل لأراضي روسيا وفقًا لإمكانات الإشعاع الشمسي في الشكل 4.6. وتم تحديد 10 مناطق حسب أولوية الاستخدام المحتمل. ومن الواضح أن الظروف الأكثر ملاءمة للاستخدام العملي للطاقة الشمسية توجد في المناطق الجنوبية من الجزء الأوروبي وجنوب ترانسبايكاليا والشرق الأقصى.

أرز. 19. تقسيم الأراضي الروسية حسب إمكانات الطاقة الشمسية

الإشعاع (الرقم الموجود في الدائرة هو الرقم حسب الأولوية المحتملة)

قيم إمكانات الطاقة الإجمالية للطاقة الشمسية مع التمايز حسب المناطق الفيدرالية في الاتحاد الروسي.

عند تقييم الإمكانات التقنية للطاقة الشمسية، تم استخدام مؤشرات الخلايا الكهروضوئية الأكثر شيوعًا (90٪) القائمة على السيليكون بكفاءة 15٪ في ذلك الوقت. تم أخذ مساحة عمل المنشآت الشمسية مع الأخذ في الاعتبار كثافة وضع الخلايا الكهروضوئية في الوحدات الكهروضوئية تساوي 0.1٪ من مساحة أراضي المنطقة قيد النظر المتجانسة من حيث مستوى الإشعاع . تم حساب الإمكانات التقنية بأطنان الوقود القياسي كمنتج لإجمالي إمكانات الطاقة الشمسية للإقليم من خلال حصة المساحة التي تشغلها الخلايا الشمسية وكفاءتها.

يركز تحديد الإمكانات الفنية للطاقة والحرارة لمنطقة ما على القدرات التقنية لتحويل طاقة الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية في منشآت إمدادات المياه الساخنة بالطاقة الشمسية الأكثر كفاءة. تم إجراء تقييم الإمكانات التقنية على أساس البيانات المتعلقة بالأداء الحراري لهذه المنشآت في كل منطقة ذات مستوى موحد من التشميس والافتراضات المقبولة: حول المساحة التي تشغلها مجمعات الطاقة الشمسية تساوي 1٪ من إجمالي المساحة التي تشغلها مجمعات الطاقة الشمسية. مساحة المنطقة قيد النظر، النسبة بين مناطق المنشآت الحرارية والكهربائية - 0.8 و 0.2 على التوالي، وكفاءة جهاز الوقود 0.7. تم إجراء التحويل إلى أطنان من الوقود القياسي باستخدام معامل 0.34 t.e./kW×h.

ويعتبر أكثر المؤشرات المعروفة موضوعية والتي تميز إمكانية الاستخدام العملي لموارد الطاقة الشمسية مؤشرا على إمكاناتها الاقتصادية. ينبغي تحديد الجدوى الاقتصادية وحجم تطبيق المنشآت الكهربائية والحرارية الشمسية على أساس قدرتها التنافسية مع مصادر الطاقة التقليدية. وكان عدم توفر القدر المطلوب من المعلومات الضرورية والموثوقة هو السبب وراء استخدام أساليب مبسطة تركز على آراء الخبراء المؤهلين لتقييم قيمة الإمكانات الاقتصادية.

وفقًا لتقديرات الخبراء، تم أخذ الإمكانات الاقتصادية للطاقة الشمسية بما يعادل 0.05٪ من الاستهلاك السنوي للطاقة الكهربائية في المنطقة قيد النظر (بحسب Rosstat) مع تحويلها إلى أطنان من الوقود القياسي.

مع كثافة معروفة للإشعاع الشمسي، يمكن حساب إجمالي الطاقة المحتملة للإشعاع الشمسي بأطنان الوقود القياسي، كيلوواط/ساعة، جيجا كالوري. مع الأخذ في الاعتبار استخدام الخلايا الكهروضوئية في الطاقة الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية ومجمعات الطاقة الشمسية لتوليد الحرارة، فإن الإمكانات التقنية والاقتصادية الإجمالية، وفقا للمنهجية التي نوقشت أعلاه، تنقسم إلى طاقة كهربائية وطاقة حرارية (الجدول 9).

الشمس مصدر للطاقة لا ينضب وصديق للبيئة ورخيص الثمن. وكما يقول الخبراء فإن كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض خلال أسبوع تفوق طاقة جميع احتياطيات العالم من النفط والغاز والفحم واليورانيوم 1 . وفقًا للأكاديمي Zh.I. ألفيروفا، "البشرية لديها مفاعل نووي حراري طبيعي يمكن الاعتماد عليه - الشمس. وهو نجم من فئة "F-2"، متوسط ​​جدًا، يصل عدده في المجرة إلى 150 مليارًا. لكن هذا هو نجمنا، وهو يرسل قوى هائلة إلى الأرض، والتي يتيح تحولها تلبية أي احتياجات من الطاقة للبشرية تقريبًا لمئات السنين. علاوة على ذلك، فإن الطاقة الشمسية “نظيفة” وليس لها تأثير سلبي على بيئة الكوكب2.

النقطة المهمة هي حقيقة أن المادة الخام المستخدمة في تصنيع الخلايا الشمسية هي أحد العناصر الأكثر شيوعًا - السيليكون. وفي القشرة الأرضية يعتبر السيليكون العنصر الثاني بعد الأكسجين (29.5% بالكتلة) 3 . وفقا للعديد من العلماء، فإن السيليكون هو "نفط القرن الحادي والعشرين": على مدى ثلاثين عاما، ينتج كيلوغرام واحد من السيليكون في محطة للطاقة الكهروضوئية ما يعادل 75 طنا من النفط في محطة للطاقة الحرارية.

ومع ذلك، يعتقد بعض الخبراء أنه لا يمكن وصف الطاقة الشمسية بأنها صديقة للبيئة نظرًا لأن إنتاج السيليكون النقي لبطاريات الصور هو إنتاج "قذر" للغاية ويستهلك الكثير من الطاقة. إلى جانب ذلك، فإن إنشاء محطات الطاقة الشمسية يتطلب تخصيص مساحات شاسعة من الأراضي، مماثلة في مساحتها لخزانات محطات الطاقة الكهرومائية. عيب آخر للطاقة الشمسية، وفقا للخبراء، هو التقلبات العالية. من الممكن ضمان التشغيل الفعال لنظام الطاقة، الذي تتمثل عناصره في محطات الطاقة الشمسية، بشرط:
- وجود سعات احتياطية كبيرة باستخدام مصادر الطاقة التقليدية، والتي يمكن توصيلها ليلاً أو في الأيام الملبدة بالغيوم؛
- إجراء تحديث واسع النطاق ومكلف للشبكات الكهربائية 4.

وعلى الرغم من هذا العيب، تستمر الطاقة الشمسية في التطور في جميع أنحاء العالم. بادئ ذي بدء، يرجع ذلك إلى حقيقة أن الطاقة المشعة سوف تصبح أرخص وفي غضون سنوات قليلة سوف تصبح منافسا كبيرا للنفط والغاز.

حاليا في العالم هناك المنشآت الكهروضوئيةتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية بطريقة التحويل المباشر المنشآت الديناميكية الحرارية، حيث يتم تحويل الطاقة الشمسية أولاً إلى حرارة، ثم يتم تحويلها إلى طاقة ميكانيكية في الدورة الديناميكية الحرارية للمحرك الحراري، ويتم تحويلها إلى طاقة كهربائية في المولد.

يمكن استخدام الخلايا الشمسية كمصدر للطاقة:
- في الصناعة (صناعة الطائرات، صناعة السيارات، الخ)،
- في الزراعة،
- في المجال المنزلي،
- في صناعة البناء والتشييد (على سبيل المثال، البيوت البيئية)،
- في محطات الطاقة الشمسية،
- في أنظمة المراقبة بالفيديو المستقلة،
- في أنظمة الإضاءة المستقلة،
- في صناعة الفضاء.

ووفقا لمعهد استراتيجية الطاقة، تبلغ الإمكانات النظرية للطاقة الشمسية في روسيا أكثر من 2300 مليار طن من الوقود القياسي، والإمكانات الاقتصادية 12.5 مليون طن من الوقود المكافئ. إن إمكانات دخول الطاقة الشمسية إلى أراضي روسيا خلال ثلاثة أيام تتجاوز طاقة إنتاج الكهرباء السنوي بأكمله في بلدنا.
ونظرًا لموقع روسيا (بين خطي عرض 41 و82 درجة شمالًا)، فإن مستوى الإشعاع الشمسي يختلف بشكل كبير: من 810 كيلووات ساعة/م2 سنويًا في المناطق الشمالية النائية إلى 1400 كيلووات ساعة/م2 سنويًا في المناطق الجنوبية. يتأثر مستوى الإشعاع الشمسي أيضًا بالتقلبات الموسمية الكبيرة: عند عرض 55 درجة، يبلغ الإشعاع الشمسي في يناير 1.69 كيلووات ساعة/م2، وفي يوليو - 11.41 كيلووات ساعة/م2 يوميًا.

إمكانات الطاقة الشمسية أكبر في الجنوب الغربي (شمال القوقاز والبحر الأسود وبحر قزوين) وفي جنوب سيبيريا والشرق الأقصى.

المناطق الواعدة من حيث استخدام الطاقة الشمسية: كالميكيا، إقليم ستافروبول، منطقة روستوف، إقليم كراسنودار، منطقة فولغوجراد، منطقة أستراخان ومناطق أخرى في الجنوب الغربي، ألتاي، بريموري، منطقة تشيتا، بورياتيا ومناطق أخرى في الجنوب الشرقي . علاوة على ذلك، فإن بعض مناطق غرب وشرق سيبيريا والشرق الأقصى تتجاوز مستوى الإشعاع الشمسي في المناطق الجنوبية. على سبيل المثال، في إيركوتسك (خط عرض 52 درجة شمالًا) يصل مستوى الإشعاع الشمسي إلى 1340 كيلووات ساعة/م2، بينما في جمهورية ياقوتيا ساخا (خط عرض 62 درجة شمالًا) يصل هذا الرقم إلى 1290 كيلووات ساعة/م2. 5

تمتلك روسيا حاليًا تقنيات متقدمة لتحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية. هناك عدد من الشركات والمنظمات التي قامت بتطوير وتحسين تقنيات المحولات الكهروضوئية: سواء على هياكل السيليكون أو متعددة الوصلات. هناك عدد من التطورات في استخدام أنظمة التركيز لمحطات الطاقة الشمسية.

الإطار التشريعي لدعم تطوير الطاقة الشمسية في روسيا لا يزال في مراحله الأولى. ومع ذلك، فقد تم بالفعل اتخاذ الخطوات الأولى:
- 3 يوليو 2008: مرسوم حكومي رقم 426 "بشأن تأهيل منشأة توليد تعمل على أساس استخدام مصادر الطاقة المتجددة"؛
- 8 يناير 2009: أمر حكومة الاتحاد الروسي رقم 1-ر "بشأن الاتجاهات الرئيسية لسياسة الدولة في مجال تحسين كفاءة الطاقة في صناعة الطاقة الكهربائية على أساس استخدام مصادر الطاقة المتجددة لهذه الفترة" حتى 2020"

تمت الموافقة على أهداف لزيادة حصة مصادر الطاقة المتجددة في المستوى العام لميزان الطاقة الروسي إلى 2.5% و4.5% على التوالي، بحلول عامي 2015 و2020 6 .

وفقا لتقديرات مختلفة، في الوقت الحالي في روسيا، لا يزيد الحجم الإجمالي لقدرة توليد الطاقة الشمسية المثبتة على 5 ميجاوات، ومعظمها يقع على عاتق الأسر. أكبر منشأة صناعية للطاقة الشمسية الروسية هي محطة للطاقة الشمسية في منطقة بيلغورود بقدرة 100 كيلوواط، تم تشغيلها في عام 2010 (للمقارنة، توجد أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم في كندا بسعة 80 ألف كيلوواط) .

ويجري حاليًا تنفيذ مشروعين في روسيا: إنشاء مجمعات للطاقة الشمسية في إقليم ستافروبول (قدرة - 12 ميجاوات)، وفي جمهورية داغستان (10 ميجاوات) 7 . وعلى الرغم من قلة دعم الطاقة المتجددة، تقوم عدد من الشركات بتنفيذ مشاريع صغيرة للطاقة الشمسية. على سبيل المثال، قامت شركة Sakhaenergo بتركيب محطة صغيرة في ياقوتيا بسعة 10 كيلووات.

هناك منشآت صغيرة في موسكو: في Leontyevsky Lane وفي Michurinsky Prospekt، تتم إضاءة مداخل وساحات العديد من المنازل باستخدام وحدات الطاقة الشمسية، مما قلل من تكاليف الإضاءة بنسبة 25٪. في شارع Timiryazevskaya، تم تركيب الألواح الشمسية على سطح إحدى محطات الحافلات، مما يضمن تشغيل نظام نقل المعلومات المرجعية وخدمة الواي فاي.

يرجع تطور الطاقة الشمسية في روسيا إلى عدد من العوامل:

1) الظروف المناخية:ولا يؤثر هذا العامل على السنة التي يتم فيها تحقيق تكافؤ الشبكة فحسب، بل يؤثر أيضًا على اختيار تقنية تركيب الطاقة الشمسية الأكثر ملاءمة لمنطقة معينة؛

2)الدعم الحكومي:يعد وجود حوافز اقتصادية مقررة قانونًا للطاقة الشمسية أمرًا بالغ الأهمية
تطورها. من بين أنواع الدعم الحكومي التي يتم استخدامها بنجاح في عدد من البلدان في أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية، يمكننا تسليط الضوء على: التعريفات التفضيلية لمحطات الطاقة الشمسية، والإعانات لبناء محطات الطاقة الشمسية، وخيارات مختلفة للإعفاءات الضريبية، والتعويض عن جزء من تكاليف خدمة القروض لشراء منشآت الطاقة الشمسية؛

3)تكلفة PVEU (منشآت الطاقة الشمسية الكهروضوئية):تعد محطات الطاقة الشمسية اليوم واحدة من أغلى تقنيات توليد الكهرباء المستخدمة. ومع ذلك، مع انخفاض تكلفة 1 كيلوواط ساعة من الكهرباء المولدة، تصبح الطاقة الشمسية قادرة على المنافسة. يعتمد الطلب على محطات الطاقة الشمسية على انخفاض تكلفة 1 واط من الطاقة المركبة لمحطات الطاقة الشمسية (حوالي 3000 دولار في عام 2010). يتم تحقيق خفض التكلفة من خلال زيادة الكفاءة وخفض التكاليف التكنولوجية وتقليل ربحية الإنتاج (تأثير المنافسة). وتعتمد إمكانية خفض تكلفة 1 كيلوواط من الطاقة على التكنولوجيا وتتراوح من 5% إلى 15% سنوياً؛

4) المعايير البيئية:قد يتأثر سوق الطاقة الشمسية بشكل إيجابي من خلال تشديد المعايير البيئية (القيود والغرامات) بسبب المراجعة المحتملة لبروتوكول كيوتو. يمكن أن يوفر تحسين آليات بيع حصص الانبعاثات حافزًا اقتصاديًا جديدًا لسوق PVEM؛

5) توازن العرض والطلب على الكهرباء:تنفيذ الخطط الطموحة القائمة لبناء وإعادة بناء شبكات التوليد والكهرباء
إن قدرة الشركات المنفصلة عن RAO UES في روسيا خلال إصلاح الصناعة ستزيد بشكل كبير من إمدادات الكهرباء وقد تزيد الضغط على الأسعار
في سوق الجملة. ومع ذلك، فإن الاستغناء عن القدرة القديمة والزيادة المتزامنة في الطلب سوف يستلزمان زيادة في السعر؛

6)وجود مشاكل في الاتصال التكنولوجي:يعد التأخير في تنفيذ طلبات التوصيل التكنولوجي بنظام إمداد الطاقة المركزي حافزًا للانتقال إلى مصادر الطاقة البديلة، بما في ذلك PVEU. يتم تحديد مثل هذه التأخيرات من خلال الافتقار الموضوعي للقدرة وعدم فعالية تنظيم الاتصال التكنولوجي من قبل شركات الشبكة أو نقص التمويل للاتصال التكنولوجي من التعريفة؛

7) مبادرات السلطات المحلية:يمكن للحكومات الإقليمية والبلدية تنفيذ برامجها الخاصة لتطوير الطاقة الشمسية، أو على نطاق أوسع، مصادر الطاقة المتجددة/غير التقليدية. اليوم، يتم تنفيذ مثل هذه البرامج بالفعل في إقليمي كراسنويارسك وكراسنودار، وجمهورية بورياتيا، وما إلى ذلك؛

8) تطوير الإنتاج الذاتي:يمكن أن يكون للإنتاج الروسي لمحطات الطاقة الشمسية تأثير إيجابي على تطور استهلاك الطاقة الشمسية في روسيا. أولا، بفضل إنتاجنا، يزداد الوعي العام للسكان حول مدى توفر تقنيات الطاقة الشمسية وشعبيتها. ثانيًا، يتم تقليل تكلفة SFEU بالنسبة للمستهلكين النهائيين عن طريق تقليل الروابط الوسيطة في سلسلة التوزيع وعن طريق تقليل مكون النقل 8 .

6 http://www.ng.ru/energy/2011-10-11/9_sun_energy.html
7 الجهة المنظمة هي شركة Hevel LLC، ومؤسسوها هم مجموعة شركات Renova (51%) والشركة الحكومية الروسية لتكنولوجيا النانو (49%).

البطارية الشمسية هي سلسلة من الوحدات الشمسية التي تحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء، وباستخدام الأقطاب الكهربائية، تنقلها إلى أجهزة تحويل أخرى. هناك حاجة إلى هذا الأخير لتحويل التيار المباشر إلى تيار متردد يمكن للأجهزة الكهربائية المنزلية إدراكه. يتم الحصول على التيار المباشر عندما تستقبل الخلايا الكهروضوئية الطاقة الشمسية ويتم تحويل طاقة الفوتون إلى تيار كهربائي.

يحدد عدد الفوتونات التي تضرب الخلية الكهروضوئية مقدار الطاقة التي تنتجها البطارية الشمسية. لهذا السبب، لا يتأثر أداء البطارية بمادة الخلية الكهروضوئية فحسب، بل أيضًا بعدد الأيام المشمسة سنويًا، وزاوية سقوط ضوء الشمس على البطارية وعوامل أخرى خارجة عن سيطرة الإنسان.

الجوانب التي تؤثر على مقدار الطاقة التي تنتجها الألواح الشمسية

بادئ ذي بدء، يعتمد أداء الألواح الشمسية على مادة التصنيع وتكنولوجيا الإنتاج. من بين تلك الموجودة في السوق، يمكنك العثور على بطاريات ذات أداء يتراوح من 5 إلى 22%. وتنقسم جميع الخلايا الشمسية إلى السيليكون والفيلم.

أداء الوحدات القائمة على السيليكون:

• ألواح السيليكون أحادية البلورية – تصل إلى 22%.
• الألواح متعددة البلورات – حتى 18%.
• غير متبلور (مرن) – ما يصل إلى 5%.

أداء وحدة الفيلم:

• على أساس تيلورايد الكادميوم – ما يصل إلى 12%.
• على أساس سيلينيد ميلي إنديوم جاليوم - ما يصل إلى 20٪.
• على أساس البوليمر - ما يصل إلى 5٪.

هناك أيضًا أنواع مختلطة من اللوحات، والتي تسمح لمزايا نوع واحد بتغطية عيوب نوع آخر، وبالتالي زيادة كفاءة الوحدة.

يؤثر عدد الأيام الصافية في السنة أيضًا على مقدار الطاقة التي توفرها البطارية الشمسية. ومن المعروف أنه إذا ظهرت الشمس في منطقتك لمدة يوم كامل على أقل من 200 يوم في السنة، فمن غير المرجح أن يكون تركيب الألواح الشمسية واستخدامها مربحا.

بالإضافة إلى ذلك، تتأثر كفاءة الألواح أيضًا بدرجة حرارة تسخين البطارية. لذلك، عند التسخين بمقدار 1 درجة مئوية، تنخفض الإنتاجية بنسبة 0.5٪، على التوالي، عند التسخين بمقدار 10 درجات مئوية، لدينا نصف الكفاءة. لمنع مثل هذه المشاكل، يتم تثبيت أنظمة التبريد، والتي تتطلب أيضا استهلاك الطاقة.

وللحفاظ على الأداء العالي طوال اليوم، تم تركيب أنظمة تتبع الشمس، والتي تساعد في الحفاظ على زاوية سقوط الأشعة الصحيحة على الألواح الشمسية. لكن هذه الأنظمة باهظة الثمن، ناهيك عن البطاريات نفسها، لذلك لا يستطيع الجميع تحمل تكاليف تركيبها لتشغيل منازلهم.

يعتمد مقدار الطاقة التي تولدها البطارية الشمسية أيضًا على المساحة الإجمالية للوحدات المثبتة، لأن كل خلية ضوئية يمكن أن تقبل كمية محدودة.

كيف تحسب كمية الطاقة التي توفرها الألواح الشمسية لمنزلك؟

بناءً على النقاط المذكورة أعلاه والتي تستحق الاهتمام عند شراء الألواح الشمسية، يمكننا استخلاص معادلة بسيطة يمكننا من خلالها حساب مقدار الطاقة التي ستنتجها وحدة واحدة.

لنفترض أنك اخترت إحدى الوحدات الأكثر إنتاجية بمساحة 2 متر مربع. تبلغ كمية الطاقة الشمسية في يوم مشمس نموذجي حوالي 1000 واط لكل متر مربع. ونتيجة لذلك نحصل على الصيغة التالية: الطاقة الشمسية (1000 واط/م2) × الإنتاجية (20%) × مساحة الوحدة (2 م2) = الطاقة (400 واط).

إذا كنت تريد حساب مقدار الطاقة الشمسية التي تمتصها البطارية في المساء وفي يوم غائم، فيمكنك استخدام الصيغة التالية: كمية الطاقة الشمسية في يوم صافٍ × جيب زاوية أشعة الشمس والسطح من اللوحة × النسبة المئوية للطاقة المحولة في يوم غائم = مقدار الطاقة الشمسية التي تحولها البطارية في النهاية. على سبيل المثال، لنفترض أنه في المساء تكون زاوية سقوط الأشعة 30 درجة. نحصل على الحساب التالي: 1000 وات/م2 × سين30̊ × 60% = 300 وات/م2، ونستخدم الرقم الأخير كأساس لحساب القدرة.

تنبعث من الشمس كمية هائلة من الطاقة - حوالي 1.1x1020 كيلووات ساعة في الثانية. كيلوواط/ساعة هي كمية الطاقة اللازمة لتشغيل مصباح متوهج بقدرة 100 واط لمدة 10 ساعات. يعترض الغلاف الجوي الخارجي للأرض ما يقرب من واحد على المليون من الطاقة المنبعثة من الشمس، أو ما يقرب من 1500 كوادريليون (1.5 × 1018) كيلووات ساعة سنويًا. ومع ذلك، بسبب الانعكاس والتشتت والامتصاص بواسطة غازات الغلاف الجوي والهباء الجوي، يصل 47% فقط من إجمالي الطاقة، أو ما يقرب من 700 كوادريليون (7 × 1017) كيلووات ساعة، إلى سطح الأرض.

ينقسم الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي للأرض إلى ما يسمى بالإشعاع المباشر والإشعاع المتناثر على جزيئات الهواء والغبار والماء وغيرها الموجودة في الغلاف الجوي. مجموعهم يشكل إجمالي الإشعاع الشمسي. تعتمد كمية الطاقة المتساقطة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية على عدد من العوامل:

• خط العرض
• موسم المناخ المحلي من السنة
• زاوية ميل السطح بالنسبة للشمس.

الوقت والموقع الجغرافي

تتغير كمية الطاقة الشمسية الساقطة على سطح الأرض بسبب حركة الشمس. تعتمد هذه التغييرات على الوقت من اليوم والوقت من السنة. عادة، تتلقى الأرض المزيد من الإشعاع الشمسي في منتصف النهار مقارنة بالصباح الباكر أو في وقت متأخر من المساء. وعند الظهر تكون الشمس مرتفعة فوق الأفق، ويقل طول مسار أشعة الشمس عبر الغلاف الجوي للأرض. وبالتالي، يتم تشتيت وامتصاص كمية أقل من الإشعاع الشمسي، مما يعني وصول المزيد إلى السطح.

تختلف كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض عن المتوسط ​​السنوي: في الشتاء - بأقل من 0.8 كيلووات ساعة/م2 يوميًا في شمال أوروبا وبأكثر من 4 كيلووات ساعة/م2 يوميًا في الصيف في نفس المنطقة. ويقل الفارق كلما اقتربنا من خط الاستواء.

وتعتمد كمية الطاقة الشمسية أيضًا على الموقع الجغرافي للموقع: فكلما اقتربنا من خط الاستواء، زاد حجمه. على سبيل المثال، يبلغ متوسط ​​إجمالي الإشعاع الشمسي السنوي الواقع على سطح أفقي: في أوروبا الوسطى وآسيا الوسطى وكندا - حوالي 1000 كيلووات ساعة/م2؛ في البحر الأبيض المتوسط ​​- حوالي 1700 كيلووات ساعة/م2؛ في معظم المناطق الصحراوية في أفريقيا والشرق الأوسط وأستراليا - حوالي 2200 كيلووات ساعة/م2.

وبالتالي فإن كمية الإشعاع الشمسي تختلف بشكل كبير حسب الوقت من السنة والموقع الجغرافي (انظر الجدول). ويجب أن يؤخذ هذا العامل بعين الاعتبار عند استخدام الطاقة الشمسية.

	جنوب اوروبا	اوربا الوسطى	شمال أوروبا	منطقة البحر الكاريبي
يناير	2,6	1,7	0,8	5,1
شهر فبراير	3,9	3,2	1,5	5,6
يمشي	4,6	3,6	2,6	6,0
أبريل	5,9	4,7	3,4	6,2
يمكن	6,3	5,3	4,2	6,1
يونيو	6,9	5,9	5,0	5,9
يوليو	7,5	6,0	4,4	6,0
أغسطس	6,6	5,3	4,0	6,1
سبتمبر	5,5	4,4	3,3	5,7
اكتوبر	4,5	3,3	2,1	5,3
شهر نوفمبر	3,0	2,1	1,2	5,1
ديسمبر	2,7	1,7	0,8	4,8
سنة	5,0	3,9	2,8	5,7

تأثير السحب على الطاقة الشمسية

تعتمد كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض على الظواهر الجوية المختلفة وعلى موقع الشمس أثناء النهار وعلى مدار العام. الغيوم هي الظاهرة الجوية الرئيسية التي تحدد كمية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض. وفي أي نقطة على الأرض، يتناقص الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض مع زيادة الغطاء السحابي. وبالتالي، فإن البلدان التي يغلب عليها الطقس الغائم تتلقى إشعاعًا شمسيًا أقل من الصحاري التي يكون الطقس فيها غائمًا في الغالب.

ويتأثر تكوين السحب بوجود سمات التضاريس المحلية مثل الجبال والبحار والمحيطات، بالإضافة إلى البحيرات الكبيرة. ولذلك فإن كمية الإشعاع الشمسي الواردة في هذه المناطق والمناطق المحيطة بها قد تختلف. على سبيل المثال، قد تتلقى الجبال إشعاعًا شمسيًا أقل من السفوح والسهول المجاورة. تهب الرياح باتجاه الجبال وتجبر بعض الهواء على الارتفاع، وتبريد الرطوبة الموجودة في الهواء، وتشكل السحب. قد تختلف أيضًا كمية الإشعاع الشمسي في المناطق الساحلية عن تلك المسجلة في المناطق الداخلية.

تعتمد كمية الطاقة الشمسية المتلقاة خلال النهار إلى حد كبير على الظروف الجوية المحلية. عند الظهر مع سماء صافية مجموع الطاقة الشمسية

يمكن أن يصل الإشعاع الساقط على سطح أفقي (على سبيل المثال، في أوروبا الوسطى) إلى قيمة 1000 واط/م2 (في الظروف الجوية المواتية للغاية، يمكن أن يكون هذا الرقم أعلى)، بينما في الطقس الغائم جدًا يمكن أن يكون أقل من 100 واط/م2 حتى في الظهيرة.

تأثير تلوث الهواء على الطاقة الشمسية

كما يمكن للظواهر التي من صنع الإنسان والظواهر الطبيعية أن تحد من كمية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض. يؤدي الضباب الدخاني في المناطق الحضرية، والدخان الناتج عن حرائق الغابات، والرماد المحمول جواً الناتج عن النشاط البركاني إلى تقليل القدرة على تسخير الطاقة الشمسية عن طريق زيادة تشتت وامتصاص الإشعاع الشمسي. أي أن هذه العوامل لها تأثير أكبر على الإشعاع الشمسي المباشر مقارنة بالإشعاع الكلي. مع تلوث الهواء الشديد، على سبيل المثال، مع الضباب الدخاني، يتم تقليل الإشعاع المباشر بنسبة 40٪، والإشعاع الإجمالي بنسبة 15-25٪ فقط. ويمكن للثوران البركاني القوي أن يقلل، على مساحة كبيرة من سطح الأرض، الإشعاع الشمسي المباشر بنسبة 20%، والإشعاع الكلي بنسبة 10% لمدة تتراوح من 6 أشهر إلى سنتين. ومع انخفاض كمية الرماد البركاني في الغلاف الجوي، يضعف التأثير، ولكن التعافي الكامل قد يستغرق عدة سنوات.

إمكانات الطاقة الشمسية

تزودنا الشمس بطاقة مجانية أكثر بـ 10000 مرة من الطاقة المستخدمة فعليًا في جميع أنحاء العالم. يتم شراء وبيع ما يقل قليلاً عن 85 تريليون (8.5 × 1013) كيلووات ساعة من الطاقة سنويًا في السوق التجارية العالمية وحدها. نظرًا لأنه من المستحيل مراقبة العملية برمتها، فمن المستحيل أن نقول على وجه اليقين مقدار الطاقة غير التجارية التي يستهلكها الناس (على سبيل المثال، مقدار الأخشاب والأسمدة التي يتم جمعها وحرقها، وكم المياه المستخدمة لإنتاج الطاقة الميكانيكية أو الكهربائية) ). ويقدر بعض الخبراء أن مثل هذه الطاقة غير التجارية تمثل خمس إجمالي الطاقة المستخدمة. ولكن حتى لو كان الأمر كذلك، فإن إجمالي الطاقة التي تستهلكها البشرية خلال العام لا يتجاوز ما يقرب من واحد على سبعة آلاف من الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض خلال نفس الفترة.

في البلدان المتقدمة، مثل الولايات المتحدة الأمريكية، يبلغ استهلاك الطاقة حوالي 25 تريليون (2.5 × 1013) كيلووات ساعة سنويًا، وهو ما يعادل أكثر من 260 كيلووات ساعة للشخص الواحد يوميًا. وهذا الرقم يعادل تشغيل أكثر من مائة مصباح كهربائي متوهج بقدرة 100 واط لمدة يوم كامل كل يوم. ويستهلك المواطن الأمريكي العادي 33 مرة من الطاقة أكثر من المواطن الهندي، و13 مرة أكثر من الصيني، ومرتين ونصف أكثر من الياباني، ومرتين أكثر من السويدي.

إن كمية الطاقة الشمسية التي تسقط على سطح الأرض أكبر بعدة مرات من استهلاكها، حتى في دول مثل الولايات المتحدة، حيث استهلاك الطاقة هائل. ولو تم استخدام 1% فقط من مساحة البلاد لتركيب معدات الطاقة الشمسية (الألواح الكهروضوئية أو أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية) التي تعمل بكفاءة 10%، فإن الولايات المتحدة ستكون مكتفية ذاتياً بالكامل من الطاقة. ويمكن قول الشيء نفسه بالنسبة لجميع البلدان المتقدمة الأخرى. ومع ذلك، إلى حد ما، هذا غير واقعي - أولا، بسبب ارتفاع تكلفة الأنظمة الكهروضوئية، وثانيا، من المستحيل تغطية هذه المناطق الكبيرة بمعدات الطاقة الشمسية دون الإضرار بالنظام البيئي. لكن المبدأ نفسه صحيح.

يمكنك تغطية نفس المساحة من خلال تشتيت المنشآت على أسطح المباني، وعلى المنازل، وعلى جوانب الطرق، وعلى قطع الأراضي المحددة مسبقًا، وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك، في العديد من البلدان، تم بالفعل تخصيص أكثر من 1٪ من الأراضي لاستخراج الطاقة وتحويلها وإنتاجها ونقلها. وبما أن معظم هذه الطاقة غير متجددة على المستوى البشري، فإن هذا النوع من إنتاج الطاقة أكثر ضرراً على البيئة من الأنظمة الشمسية.