Енергиен потенциал на слънчевата енергия. Слънчева енергия в Русия: перспективи и проблеми на развитието

4.1.1. Оценка на брутния енергиен ресурс (потенциал) на слънчевата енергия

Анализ на факторите, влияещи върху стойността на брутния енергиен ресурс на слънчевата енергия.Енергията на слънчевата радиация, падаща върху Земята, е 10 000 пъти по-голяма от количеството енергия, произведено от човечеството. Световният търговски пазар купува и продава около 85∙103 милиарда kWh енергия годишно. Изключително трудно е да се прецени колко некомерсиална енергия консумира човечеството. Някои експерти смятат, че некомерсиалният компонент е близо 20% от цялата използвана енергия.

Потреблението на електроенергия в Русия като цяло през 2015 г. възлиза на 1,036∙103 милиарда kWh.Руската федерация има огромен брутен ресурсизползване на слънчева енергия. Енергията на сумарната годишна слънчева радиация, падаща върху хоризонталната повърхност на територията на страната ни, е около 20,743∙10 6 млрд. kWh/година, което надвишава необходимостта от енергия около 20 000 пъти.

Облъчването на земната повърхност със слънчева радиация, която има светлинен, топлинен и бактерициден ефект, се нарича слънчева светлина.

Инсолацията се измерва с количеството енергия на слънчевата радиация, падащо върху единица хоризонтална повърхност за единица време.

Потокът от слънчева радиация, преминаващ през площ от 1 m 2 разположен перпендикулярно на потокарадиация на разстояние една астрономическа единица от центъра на Слънцето (т.е. извън земната атмосфера), е равна на 1367 W / m 2 - слънчевата константа.

Поради поглъщане от земната атмосфера, максималният поток на слънчева радиация на морското равнище е 1020 W/m 2 . Трябва обаче да се има предвид, че средната дневна стойност на потока слънчева радиация през една област е поне три пъти по-малка (поради смяната на деня и нощта и промяната на ъгъла на слънцето над хоризонта) . През зимата, в умерените ширини, тази стойност е два пъти по-малка. Това количество енергия на единица площ определя възможностите на слънчевата енергия. Перспективите за производство на слънчева енергия също намаляват поради глобалното затъмняване, причиненото от човека намаляване на слънчевата радиация, достигаща земната повърхност.

Общата слънчева радиация в земната атмосфера се състои от пряка и разсеяна радиация . Количеството енергия, падащо на единица площ за единица време, зависи от:

- географска ширина на района,

– местен климат и време на годината,

- плътност, влажност и степен на замърсяване на атмосферния въздух,

– годишно и дневно движение на Земята,

- естеството на земната повърхност,

- от ъгъла на наклона на повърхността, върху която пада радиацията, спрямо Слънцето.

Атмосферата поглъща част от слънчевата енергия. Колкото по-дълъг е пътят на слънчевата светлина в атмосферата, толкова по-малко пряка слънчева енергия достига до земната повърхност. Когато Слънцето е в зенита (ъгълът на падане на лъчите е 90 °), неговите лъчи попадат на Земята по най-късия път и интензивно отдават енергията си на малка площ. На Земята това се случва около екватора в тропиците. Когато се отдалечите от тази зона на юг или север, дължината на пътя на слънчевите лъчи се увеличава и ъгълът на тяхното падане върху земната повърхност намалява. Като резултат:

повишена загуба на енергия във въздуха,

слънчевата радиация се разпределя върху голяма площ,

намаляване на количеството директна енергия, падаща върху единица площ, и

увеличаване на дела на разсеяната радиация.

Освен това продължителността на деня през различните периоди от годината зависи и от географската ширина на района, което също определя количеството слънчева радиация, навлизаща в земната повърхност. Важен фактор, определящ потенциала на слънчевата енергия, е продължителността на слънчевата радиация през годината (фиг. 4.1).

Ориз. 4.1. Продължителност на слънчевото греене в Русия, час/година

За територии с висока географска ширина, където значителна част от зимното време се пада на полярната нощ, разликата в притока на радиация през лятото и зимата може да бъде доста голяма. Така отвъд Арктическия кръг продължителността на слънчевото греене варира от 0 часа през декември до 200-300 часа през юни и юли, с годишна продължителност от около 1200-1600 часа. В северната част на страната количеството слънчева енергия, достигащо земната повърхност през зимата, се различава от средната годишна стойност с по-малко от 0,8 kWh / (m 2 × ден), през лятото - с повече от 4 kWh / m 2. Ако през зимните месеци нивата на слънчева радиация в северните и южните райони на Русия са много различни, тогава показателите за лятна инсолация в тези територии поради дългата дневна светлина в северните ширини се оказват доста сравними. Въпреки това, поради по-ниската годишна продължителност на слънчевото греене, циркумполярните територии са по-ниски в общата слънчева радиация от районите на средната зона и на юг съответно с 1,3 и 1,7 пъти.

Климатичните условия в определен район определят продължителността и степента на облачност в региона, влажността и плътността на въздуха. Облаците са основното атмосферно явление, което намалява количеството слънчева енергия, достигаща земната повърхност. Тяхното формиране се влияе от такива характеристики на местния релеф като планини, морета и океани, както и големи езера. Следователно количеството слънчева радиация, получено в тези области и регионите в съседство с тях, може да се различава.

Естеството на земната повърхност и релефа също оказва влияние върху нейната отразяваща способност. Способността на повърхността да отразява радиацията се нарича албедо (от латински - белота). Установено е, че албедото на земната повърхност варира в много широк диапазон. И така, албедото на чист сняг е 85-90%, пясък - 30-35%, чернозем - 5-14%, зелени листа - 20-25%, жълти листа - 33-39%, водна повърхност на височина на слънцето от 90 0 - 2 %, водната повърхност при височина на слънцето 20 0 - 78 %. Отразената радиация увеличава компонента на разсеяната радиация.

Антропогенното и естественото атмосферно замърсяване може също да ограничи количеството слънчева радиация, което може да достигне земната повърхност. Градският смог, димът от горските пожари и пренасяната във въздуха вулканична пепел намаляват използването на слънчева енергия чрез увеличаване на разпръскването и поглъщането на слънчевата радиация. Тези фактори имат по-голямо влияние върху пряката слънчева радиация, отколкото върху общата. При силно замърсяване на въздуха, например при смог, пряката радиация намалява с 40%, а общата - само с 15-25%. Силното вулканично изригване може да намали и върху голяма площ от земната повърхност пряката слънчева радиация с 20%, а общата - с 10% за период от 6 месеца до 2 години. С намаляването на количеството вулканична пепел в атмосферата ефектът отслабва, но процесът на пълно възстановяване може да отнеме няколко години.

Количеството слънчева енергия, падаща върху приемащата повърхност, също се променя, когато позицията на Слънцето се променя през деня през различните месеци от годината. Обикновено повече слънчева радиация удря Земята по обяд, отколкото рано сутрин или късно вечер. По обяд Слънцето е високо над хоризонта и дължината на пътя на преминаване на слънчевата светлина през земната атмосфера е намалена. Следователно по-малко слънчева радиация се разпръсква и абсорбира, което означава, че повече достига до повърхността. В допълнение, отклонението на ъгъла на падане на слънчевата светлина върху приемащата повърхност от 90 ° води до намаляване на количеството енергия на единица площ - проекционният ефект. Влиянието на този ефект върху нивото на слънчева светлина може да се види на фигура 4.2.

Ориз. 4.2. Ефектът от промяната на ъгъла на падане на слънчевите лъчи върху стойността

инсолация - проекционен ефект

Един поток от слънчева енергия с ширина 1 км пада върху земята под ъгъл 90°, а друг със същата ширина под ъгъл 30°. И двата потока носят еднакво количество енергия. В този случай наклонен слънчев лъч разпространява енергията си върху площ, два пъти по-голяма от лъч, перпендикулярен на приемащата повърхност, и следователно половината от енергията ще тече на единица площ за единица време.

Земната повърхност, поглъщаща слънчевата радиация (погълната радиация),загрява и излъчва топлина в атмосферата (отразена радиация).Долните слоеве на атмосферата до голяма степен забавят земната радиация. Погълнатата от земната повърхност радиация се изразходва за нагряване на почвата, въздуха и водата.

Тази част от общата радиация, която остава след отражение и топлинно излъчване на земната повърхност, се нарича радиационен баланс.Радиационният баланс на земната повърхност се променя през деня и сезоните.

Източници на информация за оценка на стойността на брутния ресурс (потенциал) на слънчева енергия.Информационната основа за оценка на стойността на този брутен ресурс (потенциал) на слънчева енергия са данните от измерванията на слънчевата радиация в различни региони на страната с последващо разделяне на региона на зони с относително еднаква стойност на нивото на слънчева светлина. За тези цели са необходими данни, генерирани с помощта на резултатите от актинометрични наблюдения, т.е. данни за интензитета на пряката, разсеяната и сумарната слънчева радиация, за радиационния баланс и характера на отразяването на радиацията от земната повърхност (албедо).

Като се има предвид рязкото намаляване на броя на метеорологичните станции, извършващи наземни актинометрични наблюдения в Русия, през 2014 г. информацията за разпределението на ресурсите на слънчева енергия от базата данни на НАСА за повърхностна метеорология и слънчева енергия (NASA SSE) беше използвана за оценка на брутния потенциал (ресурс) на слънчева енергия. Тази база е формирана въз основа на сателитни измервания на радиационния баланс на земната повърхност, извършени като част от Международната сателитна и облачна климатологична програма (ISCCP) на Световната програма за изследване на климата от юли 1983 г. до юни 2005 г. Въз основа на техните резултати, като се вземе предвид характерът на отразяването на радиацията от земната повърхност, състоянието на облачността, замърсяването на атмосферата от аерозоли и други фактори, стойностите на месечните количества слънчева радиация, падаща върху хоризонтална повърхност, бяха изчислено за мрежа 1º × 1º, покриваща цялото земно кълбо, включително територията на Руската федерация.

Изчисляване на общото лъчение, падащо върху наклонена повърхност с даден ъгъл на ориентация.При оценката на потенциала е необходимо да можем да определим количеството обща радиация, падаща в определен момент върху наклонена повърхност, ориентирана спрямо земната повърхност под ъгъл, който ни интересува.

Преди да се пристъпи към описание на методиката за изчисляване на сумарната радиация, е необходимо да се въведат основните понятия, свързани с оценката на слънчевата радиация.

Прегледът ще се проведе в хоризонтална координатна система.В тази система началото на координатите се поставя в местоположението на наблюдателя на земната повърхност. Хоризонталната равнина действа като основна равнина - равнината математически хоризонт. Едната координата в тази система е една от двете височина на слънцето α, или неговата зенитно разстояние z. Друга координата е азимут а.

Математическият хоризонт е голям кръг от небесната сфера, чиято равнина е перпендикулярна на отвеса в точката, където се намира наблюдателят.

Математическият хоризонт не съвпада с видим хоризонтпоради неравностите на земната повърхност, различни височини на точките за наблюдение, както и кривината на светлинните лъчи в атмосферата.

Слънчев зенитен ъгъл zе ъгълът между слънчевия лъч и нормалата към хоризонталната равнина в точката на наблюдение А.

Ъгъл на височината на слънцето αе ъгълът във вертикалната равнина между слънчевия лъч и неговата проекция върху хоризонталната равнина. Сборът на α+z е 90°.

Азимут на Слънцето a- това е ъгълът в хоризонталната равнина между проекцията на слънчевия лъч и посоката на юг.

Азимут на повърхността a pизмерен като ъгъл между нормалата към въпросната повърхност и южната посока.

Ъгъл на слънчева деклинация- това е ъгълът между линията, свързваща центровете на Земята и Слънцето, и нейната проекция върху екваториалната равнина. Деклинацията на Слънцето непрекъснато се променя през цялата година - от -23 ° 27 "в деня на зимното слънцестоене на 22 декември до + 23 ° 27" в деня на лятното слънцестоене на 22 юни и е нула в дните на пролетното и есенното равноденствие (21 март и 23 септември).

Местното истинско слънчево време е времето, определено в местоположението на наблюдателя от видимата позиция на Слънцето върху небесната сфера. 12 часа местно слънчево време съответства на времето, когато Слънцето е в своя зенит (най-високо в небето).

Местното време обикновено се различава от местното слънчево време поради ексцентричността на земната орбита, използването на часови зони от човека и изкуственото изместване на времето за пестене на енергия.

Небесен екватор- това е голям кръг от небесната сфера, чиято равнина е перпендикулярна на оста на света (оста на въртене на земята) и съвпада с равнината на земния екватор.

Небесният екватор разделя повърхността на небесната сфера на две полукълба: северно полукълбо с връх на северния небесен полюс и южно полукълбо с връх на южния небесен полюс.

небесен меридиан- голям кръг от небесната сфера, чиято равнина минава през отвес и оста на света (оста на въртене на земята).

часови ъгъл- ъгловото разстояние, измерено по небесния екватор на запад от небесния меридиан (тази част от него, която слънцето пресича по време на горния кулминационен момент) до часовия кръг, минаващ през избрана точка на небесната сфера.

Часовият ъгъл е резултат от преобразуването на местното слънчево време в броя градуси, които слънцето изминава по небето. По дефиниция часовият ъгъл е нула по обяд. Тъй като Земята се върти 15 0 за един час (360 o / 24 часа), то за всеки час следобед Слънцето се движи 15 0 . Сутрин ъгълът на слънцето е отрицателен, вечер е положителен.

Като обща информация за изчисляване на общата радиация се използват стойностите на следните показатели, получени чрез статистическа обработка на данни от наблюдения:

- средномесечното количество обща слънчева радиация, падаща върху хоризонтална площ през деня, ;

е средномесечното количество разсеяна (дифузна) слънчева радиация, падаща върху хоризонтална площ през деня, ;

– албедо на земната повърхност - средното месечно съотношение на количеството слънчева радиация, отразена от земната повърхност, към количеството на общата слънчева радиация, падаща върху земната повърхност (т.е. частта от радиацията, отразена от земната повърхност), дял.

Всички по-нататъшни изчисления се извършват за "средния ден от месеца", т.е. ден, в който ъгълът на деклинация на Слънцето е най-близо до средния месечен ъгъл.

Слънчева радиация върху хоризонтална повърхност. Използвайки тази информация, стойностите на общата (и разпръсната () слънчева радиация пада върху хоризонтална повърхностпер т-ти час за наблюдение:

И - коефициентите на преход от дневна към почасова радиация - се определят, както следва:

- часов ъгъл в т-тият очакван час от деня, градуси;

- часов ъгъл на залез (залез), град.

часов ъгъл на слънцетоизчислено с помощта на съотношението

– време на слънчево обяд, информация за което може да се намери в базата данни на НАСА, час.

Часов ъгъл на залезоценен като

– географска ширина, градуси;

е ъгълът на деклинация на слънцето, град.

Ъгъл на слънчева деклинацияопределя се по следната формула

– ден от годината (от 1 до 365).

Слънчева радиация върху произволно ориентирана наклонена повърхност . Плащане часова обща слънчева радиация, падащ върху наклонена повърхност, ориентирана под ъгъл спрямо хоризонта, се получава, както следва

е ъгълът на падане на пряката слънчева радиация върху наклонена повърхност, произволно ориентирана под ъгъл спрямо хоризонта в т-ти час, градуси;

е зенитният ъгъл на Слънцето в т-ти час, градуси;

е ъгълът на наклона на повърхността спрямо хоризонта, градуси;

Зенитният ъгъл на слънцето

Ъгъл на падане правслънчева радиациявърху наклонена повърхност, произволно ориентирана под ъгъл спрямо хоризонта:

е азимуталния ъгъл на Слънцето в т-ти час от деня, градуси;

е азимутът на наклонената повърхност, град.

Ъгълът на падане на пряка слънчева радиация върху наклонена повърхност, произволно ориентирана под ъгъл спрямо хоризонта, може също да се изчисли, като се използват следните отношения:

Разгледаните по-горе съотношения могат да се използват за оценка на енергийния потенциал на слънцето с диференциране на часови (или тричасови) интервали от деня.

Брутен електроенергиен ресурс (потенциал) на слънчева енергия.За оценка на брутния електроенергиен ресурс на слънчева енергия в нашата страна са използвани средните месечни дневни стойности на общата слънчева радиация, падаща върху 1 m 2. хоризонтална равнина (kW h / (m 2 ∙ ден)). Въз основа на тази информация, с диференциация по субектите на федерацията, средното количество слънчева радиация беше оценено в милиони kWh, падащи на 1 квадратен километър територия през годината (или в kWh / (m 2 ∙ година)) фиг. 4.3.

Ориз. 4.3. Разпределение на годишните ресурси на слънчева енергия на територията на Руската федерация с подробности по федерални субекти

На картата всеки субект на федерацията има свой код.

Списъкът на субектите на федерацията с техните кодове с диференциация по федерални окръзи на Русия е представен по-долу. Като се има предвид спецификата на оценката на енергийния потенциал на възобновяемите енергийни източници, градовете Москва и Санкт Петербург се обединяват съответно с Московска и Ленинградска области с присвояване на обединената територия на регионалния код. Субектите на федерацията с голяма степен от север на юг могат да бъдат разделени на части: север, център, юг.

1. Централен федерален окръг: (31) Белгородска област, (32) Брянска област, (33) Владимирска област, (36) Воронежска област, (37) Ивановска област, (40) Калужка област, (44) Костромска област, (46) Курска област, ( 48) Липецкая област, (50) Московска област и Москва, (57) Орловска област, (62) Рязанска област, (67) Смоленска област, (68) Тамбовска област, (69) Тверска област, (71) Тулска област, ( 76) Ярославска област.

2. Северозападен федерален окръг: ( 10) Република Карелия, (11) Република Коми, (29) Архангелска област, (35) Вологодска област, (39) Калининградска област, (47) Ленинградска област и Санкт Петербург, (51) Мурманска област, (53) Новгородска област, (60) Псковска област, (83) Ненецки автономен окръг.

3. Южен федерален окръг: ( 1) Република Адигея, (8) Република Калмикия, (23) Краснодарски край, (30) Астраханска област, (34) Волгоградска област, (61) Ростовска област, (91) Република Крим и Севастопол.

4. Севернокавказки федерален окръг: ( 5) Република Дагестан, (6) Република Ингушетия, (7) Република Кабардино-Балкария, (9) Република Карачаево-Черкезия, (15) Република Северна Осетия-Алания, (20) Чеченска република, (26) Ставрополски край.

5. Приволжски федерален окръг: ( 2) Република Башкортостан, (12) Република Марий Ел, (13) Република Мордовия, (16) Република Татарстан, (18) Република Удмуртия, (21) Република Чувашия, (43) Кировска област, (52) ) Област Нижни Новгород, (56) ) Оренбургска област, (58) Пензенска област, (59) Пермска област, (63) Самарска област, (64) Саратовска област, (73) Уляновска област.

6. Уралски федерален окръг: ( 45) Курганска област, (66) Свердловска област, (72) Тюменска област, (74) Челябинска област, (86) Ханти-Мансийски аок-Югра, (89) Ямало-Ненецки аок.

7. Сибирски федерален окръг: (3) Република Бурятия, (4) Република Алтай, (17) Република Тива, (19) Република Хакасия, (22) Алтайски край, (24) Красноярски край (24-1. Север, 24-2 Център, 24 -3. Юг), (38) Иркутска област (38-1. Север, 38-2. Юг), (42) Кемеровска област, (54) Новосибирска област, (55) Омска област, (70) Томска област, ( 75) Забайкалска територия.

8. Далекоизточен федерален окръг: ( 14) Република Саха (Якутия) (14-1. Север, 14-2. Център, 14-3. Юг), (25) Приморски край, (27) Хабаровски край, (27-1. Север, 27-2 Юг), (28) Амурска област, (41) Камчатска територия, (49) Магаданска област, (65) Сахалинска област, (79) Еврейска автономна област, (87) Чукотски автономен окръг.

Сегашното мнение, че Русия, разположена предимно в средни и високи географски ширини, не разполага със значителни ресурси от слънчева енергия за ефективно използване на енергията, не е вярно. Картата по-долу (фиг. 4.4) показва средногодишното разпределение на енергийните ресурси на слънчевата радиация на територията на Русия, което пристига средно на ден на 1 платформи с южна ориентация с оптимален ъгъл на наклон спрямо хоризонта(за всяка географска точка това е нейният собствен ъгъл, при който общата годишна енергия на слънчевата радиация към едно място е максимална).

Фиг.4.4. Разпределение на средногодишната дневна слънчева енергия

радиация на територията на Русия, kW × час / (m 2 × ден) (оптимално

южно ориентирана повърхност)

Разглеждането на представената карта показва, че в рамките на сегашните граници на Русия най-слънчевите не са регионите на Северен Кавказ, както мнозина предполагат, а регионите на Приморието и Южен Сибир (4,5-5 kWh / (m 2 * ден) и по-горе). Интересно е, че известните черноморски курорти (Сочи и др.) според средния годишен приток на слънчева радиация (от гледна точка на естествен потенциал и слънчев изолационен ресурс) принадлежат към същата зона като по-голямата част от Сибир, включително Якутия (4,0 -4,5 kW × час / (m 2 × ден)).

За енергийно слабо осигурените райони с децентрализирано енергоснабдяване е важно повече от 60% от територията на страната, включително много северни райони, да се характеризират със среден годишен дневен прием на слънчева радиация от 3,5 до 4,5 kWh / (m 2 × ден), което не се различава от южната част на Германия, която използва широко слънчеви инсталации.

Анализът на картата показва, че в Руската федерация най-високата интензивност на слънчевата светлина от 4,5 до 5,0 kWh / m 2 или повече на ден се наблюдава в Приморие, в южната част на Сибир, в южната част на Република Тува и Република Бурятия и дори отвъд Арктическия кръг в източната част на Северна Земля, а не в южните райони на страната. По слънчев потенциал, 4,0 - 4,5 kWh / (m 2 * ден), Краснодарска територия, Ростовска област, южната част на Поволжието, по-голямата част от Сибир (включително Якутия), южните райони на Новосибирск, Иркутска област, Бурятия, Тива , Хакасия , Приморски и Хабаровски територии, Амурска област, остров Сахалин, огромни територии от Красноярския край до Магадан, Северна Земля, североизточната част на Ямало-Ненецкия автономен окръг принадлежат към същата зона като Северен Кавказ с известни руски черноморски курорти. Нижни Новгород, Москва, Санкт Петербург, Салехард, източната част на Чукотка и Камчатка се характеризират със средна слънчева радиация от 2,5 до 3 kWh/m 2 на ден. В останалата част от страната преобладава интензивността на слънчевите лъчи от 3 до 4 kWh/m 2 на ден.

Енергийният поток е с най-голяма интензивност през май, юни и юли. През този период в Централна Русия на 1 кв. метър повърхност представлява 5 kWh на ден. Най-малка е интензивността през декември-януари, когато 1 кв. метър повърхност представлява 0,7 kWh на ден.

Като се има предвид настоящата ситуация, на картата на Украйна (фиг. 4.3) е възможно да се анализира нивото на слънчевата радиация на територията на Крим.

Ориз. 4.3. Разпределение на годишната входяща слънчева радиация по

територия на Украйна, kW × час / (m 2 × година) (оптимално ориентиран

повърхност с южно изложение)

Брутен топлинен енергиен ресурс на слънчева енергия.Брутният топлинен енергиен ресурс (потенциал) определя максималното количество топлинна енергия, съответстващо на енергията на слънчевата радиация, влизаща на територията на Русия.

Информацията за оценка на този ресурс може да бъде инсолация в мега- или килокалории на единица площ от повърхността, получаваща радиация за единица време.

Фигура 4.4 дава представа за разпределението на общата слънчева радиация върху хоризонталната повърхност на територията на Руската федерация в килокалории на 1 cm2 годишно.

Фиг.4.4. Разпределение на годишната входяща слънчева радиация по

територия на Русия, kcal / (cm 2 × година)

Цялостното зониране на територията на Русия според потенциала на слънчевата радиация може да се види на фигура 4.6. Обособени са 10 зони според приоритета на потенциала за ползване. Очевидно южните райони на европейската част, южната част на Забайкалия и Далечния изток имат най-благоприятни условия за практическо използване на слънчевата енергия.

Ориз. 19. Зониране на територията на Русия според потенциала на слънчевата енергия

радиация (числото в кръга е числото според приоритета на потенциала)

Стойности на брутния енергиен потенциал на слънчевата енергия с диференциация по федерални окръзи на Руската федерация.

При оценката на техническия потенциал на слънчевата енергетика са използвани показателите на най-разпространените (90%) по това време фотоволтаични клетки на силициева основа с ефективност 15%. Работната площ на слънчевите инсталации, като се вземе предвид плътността на поставяне на фотоволтаични клетки във фотоволтаични модули, беше приета равна на 0,1% от площта на територията на разглеждания регион, който е хомогенен по отношение на нивото на радиация . Техническият потенциал беше изчислен в тонове стандартно гориво като произведение на брутния слънчев потенциал на територията от дела на площта, заета от фотоволтаични клетки и тяхната ефективност.

Определянето на техническия топлинен и енергиен потенциал на региона се фокусира върху техническите възможности за преобразуване на енергията на слънчевата радиация в топлинна енергия в най-ефективните инсталации за слънчево горещо водоснабдяване. Оценката на техническия потенциал е извършена въз основа на данните за топлинната мощност на такива инсталации във всяка от зоните с еднакво ниво на слънчева изолация и направените допускания: върху площта, заета от слънчеви колектори, равна на 1% от площ на разглежданата територия, съотношението между площите на топлинните и електрическите инсталации - съответно 0,8 и 0,2, а ефективността на горивното устройство е 0,7. Преобразуването в тонове стандартно гориво е извършено с коефициент от 0,34 tce/kWh.

Най-обективният от известните показатели, характеризиращи възможността за практическо използване на слънчевите енергийни ресурси, се счита за показател за неговия икономически потенциал. Икономическата осъществимост и обхватът на използването на електрически и топлинни слънчеви инсталации трябва да се определят въз основа на тяхната конкурентоспособност спрямо традиционните енергийни източници. Липсата на необходимото количество необходима и достоверна информация беше причината за оценка на големината на икономическия потенциал да се използват опростени методи, базирани на мненията на квалифицирани експерти.

Според експертни оценки икономическият потенциал на слънчевата енергетика се приема за равен на 0,05% от годишното потребление на електроенергия в разглеждания регион (според Росстат) с превръщането му в тонове стандартно гориво.

При известен интензитет на слънчевата радиация, общият енергиен потенциал на слънчевата радиация може да се изчисли в тонове стандартно гориво, киловатчаса, гигакалории. Като се има предвид използването на фотоволтаични клетки в слънчевата енергия за генериране на електрическа енергия и слънчеви колектори за генериране на топлина, общият технико-икономически потенциал се разделя на електроенергия и топлинна енергия в съответствие с методологията, разгледана по-горе (Таблица 9).

Въведение

Слънцето, както знаете, е основният и основен източник на енергия за нашата планета. Той затопля цялата Земя, задвижва реките и дава сила на вятъра. Под неговите лъчи растат 1 квадрилион тона растения, които от своя страна хранят 10 трилиона тона животни и бактерии. Благодарение на същото Слънце на земята са натрупани запаси от въглеводороди, тоест нефт, въглища, торф и т.н., които сега ние активно изгаряме. За да може днес човечеството да задоволи нуждите си от енергийни ресурси, са необходими около 10 милиарда тона условно гориво годишно. (Калоричността на еталонното гориво е 7000 kcal/kg).

Задачи:

Разгледайте основните физични принципи и явления;

· да се формират знания и умения, позволяващи да се извърши теоретично изчисляване на основните параметри;

Помислете за предимствата и недостатъците на използването на слънчева енергия

Обмислете начини за генериране на електричество и топлина от слънчева радиация

слънчева енергия- използването на слънчевата радиация за производство на енергия под всякаква форма. Слънчевата енергия използва възобновяем източник на енергия и в бъдеще може да стане екологична, тоест да не произвежда вредни отпадъци.

Слънчевата радиация е практически неизчерпаем източник на енергия, достига до всички кътчета на Земята, „под ръка“ е за всеки потребител и е екологично чист достъпен източник на енергия.

Използването на слънчева светлина и топлина е чист, прост и естествен начин да получим всички форми на енергия, от които се нуждаем. Слънчевите колектори могат да отопляват домове и търговски сгради или да им осигуряват топла вода. Слънчевата светлина, концентрирана от параболични огледала (рефлектори), се използва за генериране на топлина (с температури до няколко хиляди градуса по Целзий). Може да се използва за отопление или за производство на електричество. Освен това има още един начин за производство на енергия с помощта на Слънцето – фотоволтаичната технология. Фотоволтаичните клетки са устройства, които преобразуват слънчевата радиация директно в електричество.

СЛЪНЧЕВА ЕНЕРГИЯ

Енергията на Слънцето е източникът на живот на нашата планета. Слънцето нагрява атмосферата и повърхността на земята. Благодарение на слънчевата енергия духат ветрове, в природата се извършва кръговрат на водата, моретата и океаните се нагряват, растенията се развиват, животните имат храна. Благодарение на слънчевата радиация съществуват изкопаеми горива на Земята. Слънчевата енергия може да се преобразува в топлина или студ, движеща сила и електричество.

Слънчева радиация

Слънчевата радиация е електромагнитно излъчване, концентрирано главно в диапазона на дължината на вълната от 0,28 ... 3,0 микрона. Слънчевият спектър се състои от:

Ултравиолетови вълни с дължина 0,28 ... 0,38 микрона, невидими за нашите очи и съставляващи приблизително 2% от слънчевия спектър;

Светлинни вълни в диапазона от 0,38 ... 0,78 микрона, съставляващи приблизително 49% от спектъра;

Инфрачервени вълни с дължина 0,78 ... 3,0 микрона, които представляват по-голямата част от останалите 49% от слънчевия спектър. Останалите части от спектъра играят незначителна роля в топлинния баланс на Земята.

Колко слънчева енергия удря земята?

Слънцето излъчва огромно количество енергия - приблизително 1,1x10 20 kWh в секунда. Киловатчас е количеството енергия, необходимо за работа на крушка с нажежаема жичка от 100 вата за 10 часа. Външната атмосфера на Земята прихваща приблизително една милионна от енергията, излъчвана от Слънцето, или приблизително 1500 квадрилиона (1,5 x 10 18) kWh годишно. Въпреки това, поради отражение, разсейване и поглъщане от атмосферни газове и аерозоли, само 47% от цялата енергия, или приблизително 700 квадрилиона (7 x 10 17) kWh, достига земната повърхност.

Слънчевата радиация в земната атмосфера се разделя на така наречената директна радиация и дифузна радиация, върху частици въздух, прах, вода и др., съдържащи се в атмосферата. Тяхната сума образува общата слънчева радиация.

Количеството енергия, падащо на единица площ за единица време, зависи от редица фактори: географската ширина на местния климат, сезона на годината и ъгъла на наклона на повърхността спрямо Слънцето.

време и място

Количеството слънчева енергия, падащо върху повърхността на Земята, се променя поради движението на Слънцето. Тези промени зависят от времето на деня и сезона. Обикновено повече слънчева радиация удря Земята по обяд, отколкото рано сутрин или късно вечер. По обяд Слънцето е високо над хоризонта и дължината на пътя на слънчевите лъчи през земната атмосфера е намалена. Следователно по-малко слънчева радиация се разпръсква и абсорбира, което означава, че повече достига до повърхността.

Количеството слънчева енергия, достигаща земната повърхност, се различава от средногодишната стойност: през зимата - по-малко от 0,8 kWh / m 2 на ден в Северна Европа и повече от 4 kWh / m 2 на ден през лятото в същия регион. Разликата намалява с приближаването към екватора.

Количеството слънчева енергия също зависи от географското местоположение на обекта: колкото по-близо до екватора, толкова по-голямо е то. Например, средната годишна обща слънчева радиация, падаща върху хоризонтална повърхност, е: в Централна Европа, Централна Азия и Канада - приблизително 1000 kWh/m 2 ; в Средиземно море - приблизително 1700 kWh / m 2; в повечето пустинни райони на Африка, Близкия изток и Австралия - приблизително 2200 kWh / m 2.

По този начин количеството слънчева радиация варира значително в зависимост от времето на годината и географското местоположение. Този фактор трябва да се вземе предвид при използване на слънчева енергия.

слънчева енергия

Параметри на слънчевата радиация

На първо място е необходимо да се оценят потенциалните енергийни възможности на слънчевата радиация. Тук най-голямо значение има неговата обща специфична мощност на повърхността на Земята и разпределението на тази мощност в различни радиационни диапазони.

Мощност на слънчевата радиация

Мощността на излъчване на Слънцето, намиращо се в зенита, близо до земната повърхност, се оценява на около 1350 W/m2. Просто изчисление показва, че за получаване на мощност от 10 kW е необходимо да се събере слънчева радиация от площ от ​​само 7,5 m2. Но това е в ясен следобед в тропическа зона високо в планините, където атмосферата е разредена и кристално чиста. Веднага щом Слънцето започне да се накланя към хоризонта, пътят на неговите лъчи през атмосферата се увеличава, съответно и загубите по този път се увеличават. Наличието на прах или водна пара в атмосферата, дори в количества, които са незабележими без специални устройства, допълнително намалява енергийния поток. Въпреки това, дори в средната лента в летен следобед, за всеки квадратен метър, ориентиран перпендикулярно на слънчевите лъчи, има поток от слънчева енергия с мощност приблизително 1 kW.

Разбира се, дори малка облачност драстично намалява енергията, достигаща до повърхността, особено в инфрачервения (топлинен) диапазон. Част от енергията обаче все още прониква през облаците. В средната лента, при голяма облачност по обяд, мощността на слънчевата радиация, достигаща земната повърхност, се оценява на около 100 W/m2 и само в редки случаи, при особено гъста облачност, може да падне под тази стойност. Очевидно при такива условия, за да се получат 10 kW, е необходимо напълно, без загуби и отражение, да се събере слънчевата радиация не от 7,5 m2 от земната повърхност, а от цели сто квадратни метра (100 m2).

Таблицата показва кратки осреднени данни за енергията на слънчевата радиация за някои градове на Русия, като се вземат предвид климатичните условия (честота и сила на облаците) на единица хоризонтална повърхност. Подробности за тези данни, допълнителни данни за ориентации на панели, различни от хоризонтални, както и данни за други региони на Русия и страните от бившия СССР са дадени на отделна страница.

град	месечен минимум (декември)	месечен максимум (юни или юли)	общо за годината
Архангелск	4 MJ / m 2 (1,1 kWh / m 2)	575 MJ / m 2 (159,7 kWh / m 2)	3,06 GJ / m 2(850 kWh / m2)
Астрахан	95,8 MJ / m 2 (26,6 kWh / m 2)	755,6 MJ / m 2 (209,9 kWh / m 2)	4,94 GJ/m2(1371 kWh / m 2)
Владивосток	208,1 MJ / m 2 (57,8 kWh / m 2)	518,0 MJ / m 2 (143,9 kWh / m 2)	4,64 GJ/m2(1289,5 kWh / m 2)
Екатеринбург	46 MJ / m 2 (12,8 kWh / m 2)	615 MJ / m 2 (170,8 kWh / m 2)	3,76 GJ / m 2(1045 kWh / m 2)
Москва	42,1 MJ / m 2 (11,7 kWh / m 2)	600,1 MJ / m 2 (166,7 kWh / m 2)	3,67 GJ / m 2(1020,7 kWh / m 2)
Новосибирск		638 MJ / m 2 (177,2 kWh / m 2)	4,00 GJ / m2(1110 kWh / m 2)
Омск	56 MJ / m 2 (15,6 kWh / m 2)	640 MJ / m 2 (177,8 kWh / m 2)	4,01 GJ / m 2(1113 kWh / m 2)
Петрозаводск	8,6 MJ / m 2 (2,4 kWh / m 2)	601,6 MJ / m 2 (167,1 kWh / m 2)	3,10 GJ/m2(860,0 kWh / m2)
Петропавловск-Камчатски	83,9 MJ / m 2 (23,3 kWh / m 2)	560,9 MJ / m 2 (155,8 kWh / m 2)	3,95 GJ/m2(1098,4 kWh / m 2)
Ростов на Дон	80 MJ / m 2 (22,2 kWh / m 2)	678 MJ / m 2 (188,3 kWh / m 2)	4,60 GJ/m2(1278 kWh / m 2)
Санкт Петербург	8 MJ / m 2 (2,2 kWh / m 2)	578 MJ / m 2 (160,6 kWh / m 2)	3,02 GJ / m 2(840 kWh / m 2)
Сочи	124,9 MJ / m 2 (34,7 kWh / m 2)	744,5 MJ / m 2 (206,8 kWh / m 2)	4,91 GJ/m2(1365,1 kWh / m 2)
Южно-Сахалинск	150,1 MJ / m 2 (41,7 kWh / m 2)	586,1 MJ / m 2 (162,8 kWh / m 2)	4,56 GJ/m2(1267,5 kWh / m 2)

Фиксиран панел, поставен под оптимален ъгъл на наклон, е в състояние да абсорбира 1,2 .. 1,4 пъти повече енергия в сравнение с хоризонтален, а ако се върти след Слънцето, тогава увеличението ще бъде 1,4 .. 1,8 пъти. Това може да се види, разбито по месеци за фиксирани панели, ориентирани на юг под различни ъгли на наклон, и за системи, които проследяват движението на Слънцето. Характеристиките на поставянето на слънчеви панели са разгледани по-подробно по-долу.

Пряка и дифузна слънчева радиация

Разграничете дифузната и пряката слънчева радиация. За да абсорбира ефективно пряката слънчева светлина, панелът трябва да бъде ориентиран перпендикулярно на потока слънчева светлина. За възприемането на разсеяната радиация ориентацията не е толкова критична, тъй като тя идва сравнително равномерно от почти цялото небе - така се осветява земната повърхност в облачни дни (по тази причина при облачно време обектите нямат ясно дефинирана сянка, а вертикалните повърхности, като стълбове и стени на къщи, практически не хвърлят видима сянка).

Съотношението на пряката и разсеяната радиация силно зависи от климатичните условия през различните сезони. Например в Москва зимата е облачна, а през януари делът на разсеяната радиация надвишава 90% от общата инсолация. Но дори през московското лято разсеяната радиация съставлява почти половината от цялата слънчева енергия, достигаща земната повърхност. В същото време в слънчев Баку, както през зимата, така и през лятото, делът на разсеяната радиация е от 19 до 23% от общата изолация, а около 4/5 от слънчевата радиация съответно е пряка. Повече подробности за съотношението на разпръснатата и общата инсолация за някои градове са дадени на отделна страница.

Разпределение на енергията в слънчевия спектър

Слънчевият спектър е практически непрекъснат в изключително широк честотен диапазон – от нискочестотни радиовълни до ултрависокочестотни рентгенови лъчи и гама-лъчение. Разбира се, трудно е еднакво ефективно да се уловят толкова различни видове радиация (може би това може да се направи само теоретично с помощта на „идеално абсолютно черно тяло“). Но това не е необходимо - първо, самото Слънце излъчва с различна сила в различни честотни диапазони, и второ, не всичко, което Слънцето излъчва, достига земната повърхност - определени части от спектъра се абсорбират до голяма степен от различни компоненти на атмосферата - главно озонов слой, водна пара и въглероден диоксид.

Следователно за нас е достатъчно да определим онези честотни диапазони, в които се наблюдава най-големият поток от слънчева енергия близо до повърхността на Земята, и да ги използваме. Традиционно слънчевата и космическата радиация се разделят не по честота, а по дължина на вълната (това се дължи на твърде големите експоненти за честотите на тази радиация, което е много неудобно - видимата светлина в херца съответства на 14-ти ред). Нека да разгледаме зависимостта на разпределението на енергията от дължината на вълната за слънчевата радиация.

Диапазонът на видимата светлина се определя като дължина на вълната от 380 nm (тъмно виолетово) до 760 nm (наситено червено). Всичко, което има по-къса дължина на вълната, има по-висока фотонна енергия и се разделя на ултравиолетови, рентгенови и гама лъчения. Въпреки високата енергия на фотоните, самите фотони в тези диапазони не са толкова много, така че общият енергиен принос на тази част от спектъра е много малък. Всичко, което има по-голяма дължина на вълната, има по-малка фотонна енергия от видимата светлина и се разделя на инфрачервен диапазон (топлинно излъчване) и различни части от радио диапазона. Графиката показва, че в инфрачервения диапазон Слънцето излъчва почти същото количество енергия, както във видимия (нивата са по-ниски, но диапазонът е по-широк), но в радиочестотния диапазон енергията на излъчване е много малка.

По този начин, от енергийна гледна точка, за нас е достатъчно да се ограничим до видимия и инфрачервения честотен диапазон, както и до близкия ултравиолетов (някъде до 300 nm, твърдият ултравиолетов с по-къса дължина на вълната се абсорбира почти напълно в така нареченият озонов слой, осигуряващ синтеза на този озон от атмосферния кислород). А лъвският дял от слънчевата енергия, достигаща земната повърхност, е концентрирана в диапазона на дължината на вълната от 300 до 1800 nm.

Ограничения при използване на слънчева енергия

Основните ограничения, свързани с използването на слънчева енергия, се дължат на нейната непостоянност – соларните инсталации не работят през нощта и са неефективни при облачно време. Това е очевидно за почти всички.

Има обаче още едно обстоятелство, което е особено актуално за нашите доста северни ширини - това са сезонните разлики в продължителността на деня. Ако за тропическите и екваториалните зони продължителността на деня и нощта слабо зависи от времето на годината, то вече на географската ширина на Москва най-късият ден е почти 2,5 пъти по-кратък от най-дългия! Не говоря за полярните региони... В резултат на това в ясен летен ден слънчева инсталация край Москва може да произведе не по-малко енергия, отколкото на екватора (слънцето е по-ниско, но денят е по-дълъг). Но през зимата, когато нуждата от енергия е особено висока, нейното производство, напротив, ще намалее няколко пъти. В края на краищата, в допълнение към късата дневна светлина, лъчите на ниско зимно слънце, дори по обяд, трябва да преминат през много по-дебел слой атмосфера и следователно губят значително повече енергия по пътя си, отколкото през лятото, когато слънцето е високо и лъчите преминават през атмосферата почти вертикално (изразът „студено зимно слънце има най-пряк физически смисъл). Това обаче изобщо не означава, че слънчевите инсталации в средната лента и дори в много по-северните райони са напълно безполезни - въпреки че са малко полезни през зимата, това е в периода на дългите дни, поне половин година между пролетното и есенното равноденствие, те са доста ефективни.

Особено интересно е използването на слънчеви инсталации за стимулиране на все по-широкото разпространение на tra-n-nya-y-shchi-sya, но много "лакоми" климатици. В крайна сметка, колкото по-силно грее слънцето, толкова по-горещо е и толкова повече климатик е необходим. Но в такива условия дори слънчевите инсталации са в състояние да генерират повече енергия и тази енергия ще бъде използвана от климатика точно „тук и сега“, не е необходимо да се натрупва и съхранява! Освен това изобщо не е необходимо енергията да се преобразува в електрическа форма - абсорбционните топлинни двигатели използват топлината директно, което означава, че вместо фотоволтаични панели могат да се използват слънчеви колектори, които са най-ефективни точно при ясно горещо време. Вярно, смятам, че климатиците са незаменими само в горещи сухи райони и във влажен тропически климат, както и в съвременните градове, независимо от тяхното местоположение. Компетентно проектирана и построена селска къща, не само в средната лента, но и в по-голямата част от южната част на Русия, не се нуждае от такова енергийно лакомо, обемисто, шумно и капризно устройство.

За съжаление, в условията на градско развитие, индивидуалното използване на повече или по-малко мощни слънчеви инсталации с някаква забележима практическа полза е възможно само в редки случаи на особено щастлива комбинация от обстоятелства. Въпреки това не считам градския апартамент за пълноценно жилище, тъй като нормалното му функциониране зависи от твърде много фактори, които не са достъпни за пряк контрол на жителите по чисто технически причини и следователно в случай на повреда за повече или по-малко дълго време, поне едно от условията на животоподдържащите системи там няма да бъде приемливо за живеене в модерна жилищна сграда (по-скоро апартамент във висока сграда трябва да се разглежда като вид хотелска стая, която наемателите закупен за постоянно ползване или нает от общината). Но извън града специално внимание към слънчевата енергия може да бъде повече от оправдано дори на малък парцел от 6 декара.

Характеристики на поставянето на слънчеви панели

Изборът на оптимална ориентация на слънчевите панели е един от най-важните въпроси при практическото използване на слънчеви инсталации от всякакъв тип. За съжаление има много малко покритие на този аспект на различни уебсайтове за слънчева енергия, въпреки че пренебрегването му може да намали ефективността на панелите до неприемливо ниво.

Факт е, че ъгълът на падане на лъчите върху повърхността значително влияе върху коефициента на отражение и следователно върху дела на неприетата слънчева енергия. Например, за стъклото, когато ъгълът на падане се отклони от перпендикуляра към повърхността му до 30 °, коефициентът на отражение практически не се променя и възлиза на малко по-малко от 5%, т.е. повече от 95% от падащата радиация преминава навътре. Освен това нарастването на отражението става забележимо и с 60° частта на отразената радиация се удвоява до почти 10%. При ъгъл на падане 70° се отразяват около 20% от радиацията, а при 80° – 40%. За повечето други вещества зависимостта на степента на отражение от ъгъла на падане е приблизително същата.

Още по-важна е така наречената ефективна панелна площ, т.е. напречното сечение на блокирания от него радиационен поток. Тя е равна на реалната площ на панела, умножена по синуса на ъгъла между неговата равнина и посоката на потока (или, еквивалентно, по косинуса на ъгъла между перпендикуляра на панела и посоката на потока) . Следователно, ако панелът е перпендикулярен на потока, неговата ефективна площ е равна на неговата реална площ, ако потокът се отклонява от перпендикуляра с 60° - половината от реалната площ, а ако потокът е успореден на панела, неговата ефективна площ площ е нула. По този начин, значително отклонение на потока от перпендикуляра на панела не само увеличава отражението, но намалява неговата ефективна площ, което причинява много забележим спад в мощността.

Очевидно е, че за нашите цели постоянната ориентация на панела перпендикулярно на потока слънчева светлина е най-ефективна. Но това ще изисква промяна на позицията на панела в две равнини, тъй като позицията на Слънцето в небето зависи не само от времето на деня, но и от сезона. Въпреки че подобна система със сигурност е технически възможна, тя се оказва много сложна, следователно скъпа и не особено надеждна.

Не забравяйте обаче, че при ъгли на падане до 30 ° коефициентът на отражение на границата "въздух-стъкло" е минимален и практически не се променя, а през годината ъгълът на максимално издигане на слънцето над хоризонта се отклонява от средното положение с не повече от ±23°. Ефективната площ на панела с отклонение от перпендикуляра с 23 ° също остава доста голяма - най-малко 92% от реалната му площ. Следователно може да се съсредоточи върху средната годишна височина на максималния изгрев на Слънцето и практически без загуба на ефективност да се ограничи до въртене само в една равнина - около полярната ос на Земята със скорост от 1 оборот на ден. Ъгълът на наклона на оста на такова въртене спрямо хоризонталата е равен на географската ширина на мястото. Например, за Москва, разположена на ширина 56 °, оста на такова въртене трябва да бъде наклонена на север с 56 ° спрямо повърхността (или, еквивалентно, отклонена от вертикалата с 34 °). Такава ротация вече е много по-лесна за организиране, но голям панел се нуждае от много място, за да се върти свободно. Освен това е необходимо или да се организира плъзгаща се връзка, която ви позволява да отклоните цялата енергия, получена от постоянно въртящия се панел, или да се ограничите до гъвкави комуникации с фиксирана връзка, но да осигурите автоматично връщане на панела обратно при през нощта, в противен случай не можете да избегнете усукване и прекъсване на комуникациите, отнемащи енергия. И двете решения значително увеличават сложността и намаляват надеждността на системата. С нарастването на мощността на панелите (а от там и техния размер и тегло) техническите проблеми се усложняват експоненциално.

Във връзка с всичко по-горе почти винаги панелите на отделните слънчеви инсталации се монтират неподвижно, което осигурява относителна евтиност и най-висока надеждност на инсталацията. Тук обаче изборът на ъгъл на разположение на панела става особено важен. Нека разгледаме този проблем на примера на Москва.

Оранжева линия - при проследяване на позицията на Слънцето чрез въртене около полярната ос (т.е. успоредно на земната ос); син - фиксиран хоризонтален панел; зелено - фиксиран вертикален панел, ориентиран на юг; червено - фиксиран панел, наклонен на юг под ъгъл от 40 ° спрямо хоризонта.

Нека да разгледаме диаграмите на слънчевата светлина за различните ъгли на монтаж на панелите. Разбира се, панелът, който се върти след Слънцето, е извън конкуренцията (оранжева линия). Въпреки това, дори в дълги летни дни, неговата ефективност надвишава ефективността на стационарните хоризонтални (сини) и оптимално наклонени (червени) панели само с около 30%. Но тези дни има достатъчно топлина и светлина! Но в най-енергийно дефицитния период от октомври до февруари предимството на ротационния панел пред стационарните е минимално и почти незабележимо. Вярно е, че в момента компанията на наклонения панел не е хоризонтален, а вертикален панел (зелена линия). И това не е изненадващо - ниските лъчи на зимното слънце се плъзгат по хоризонталния панел, но се възприемат добре от вертикалния, почти перпендикулярен на тях. Следователно през февруари, ноември и декември вертикалният панел надминава дори наклонения по своята ефективност и почти не се различава от въртящия се. През март и октомври дните са по-дълги и грамофонът вече започва уверено (макар и не много) да превъзхожда всички фиксирани опции, но ефективността на наклонените и вертикалните панели е почти същата. И само през периода на дългите дни от април до август хоризонталният панел по отношение на получената енергия изпреварва вертикалния и се доближава до наклонения, а през юни дори леко го изпреварва. Лятната загуба на вертикалния панел е естествена - в крайна сметка, да речем, денят на лятното равноденствие продължава повече от 17 часа в Москва, а Слънцето може да бъде в предното (работно) полукълбо на вертикалния панел за не повече от 12 часа, останалите 5 часа (почти една трета от светлата част на деня!) са зад гърба й. Ако вземем предвид, че при ъгли на падане над 60° делът на светлината, отразена от повърхността на панела, започва да нараства бързо, а ефективната му площ намалява наполовина или повече, тогава времето за ефективно поглъщане на слънчевата радиация за такъв панел не надвишава 8 часа - тоест по-малко от 50% от общата продължителност на деня. Това обяснява факта, че работата на вертикалните панели се стабилизира през целия период на дългите дни - от март до септември. И накрая, януари стои малко настрана - през този месец производителността на панелите от всички ориентации е почти еднаква. Факт е, че този месец в Москва е много облачно и повече от 90% от цялата слънчева енергия идва от разсеяна радиация и за такава радиация ориентацията на панела не е много важна (основното е да не го изпращате земята). Въпреки това, няколко слънчеви дни, които все още се случват през януари, намаляват производителността на хоризонталния панел с 20% в сравнение с останалите.

Какъв ъгъл на наклон да изберете? Всичко зависи от това кога точно имате нужда от слънчева енергия. Ако искате да го използвате само през топлия период (да речем в страната), тогава трябва да изберете така наречения "оптимален" ъгъл на наклон, перпендикулярен на средното положение на Слънцето между пролетното и есенното равноденствие. Това е приблизително 10° .. 15° по-малко от географската ширина и за Москва е 40° .. 45°. Ако имате нужда от енергия през цялата година, тогава трябва да „изстискате“ максимума именно в енергийно дефицитните зимни месеци, което означава, че трябва да се съсредоточите върху средното положение на Слънцето между есенното и пролетното равноденствие и да поставите панелите по-близо до вертикалата - 5 ° .. 15 ° повече от географската ширина (за Москва ще бъде 60 ° .. 70 °). Ако поради архитектурни или структурни причини този ъгъл не може да бъде поддържан и трябва да се направи избор между ъгъл на наклон от 40° или по-малко или вертикална инсталация, трябва да се предпочете вертикална позиция. В същото време "недостигът" на енергия в дългите летни дни не е толкова критичен - през този период има много естествена топлина и светлина и нуждата от генериране на енергия обикновено не е толкова голяма, колкото през зимата и през извън сезона. Естествено, наклонът на панела трябва да бъде ориентиран на юг, въпреки че отклонението от тази посока с 10 ° .. 15 ° на изток или запад се променя малко и следователно е напълно приемливо.

Хоризонталното разполагане на слънчеви панели в цяла Русия е неефективно и абсолютно неоправдано. В допълнение към твърде голямото намаление на производството на енергия през есенно-зимния период, прахът се натрупва интензивно върху хоризонталните панели, а през зимата също се натрупва сняг и те могат да бъдат отстранени от там само с помощта на специално организирано почистване (обикновено ръчно) . Ако наклонът на панела надвишава 60 °, тогава снегът не се задържа на повърхността му и обикновено бързо се разпада сам, а тънък слой прах се измива добре от дъжд.

Тъй като напоследък цените на соларното оборудване намаляват, може да е изгодно вместо едно поле от слънчеви панели, ориентирано на юг, да се използват две с по-голям общ капацитет, ориентирани в съседство (югоизток и югозапад) и дори срещуположно (изток). и западната) страна на света. Това ще осигури по-равномерна мощност в слънчеви дни и по-висока мощност в облачни дни, докато останалата част от оборудването ще остане проектирана за същата, относително ниска мощност и следователно ще бъде по-компактна и по-евтина.

И последното. Стъклото, чиято повърхност не е гладка, а има специален релеф, е в състояние много по-ефективно да възприема страничната светлина и да я предава на работните елементи на слънчевия панел. Най-оптималният е вълнообразен релеф с ориентация на издатини и вдлъбнатини от север на юг (за вертикални панели - отгоре надолу), - вид линейна леща. Вълнообразното стъкло може да увеличи производителността на фиксиран панел с 5% или повече.

Традиционни видове инсталации за използване на слънчева енергия

От време на време се появяват съобщения за изграждане на друга слънчева електроцентрала (СЕЦ) или инсталация за обезсоляване. По целия свят, от Африка до Скандинавия, се използват термални слънчеви колектори и фотоволтаични слънчеви панели. Тези методи за използване на слънчева енергия са разработени повече от дузина години, много сайтове в Интернет са посветени на тях. Затова тук ще ги разгледам най-общо. Един най-важен момент в Интернет обаче практически не е засегнат - това е изборът на конкретни параметри при създаване на индивидуална система за захранване със слънчева енергия. Междувременно този въпрос не е толкова прост, колкото изглежда на пръв поглед. Пример за избор на параметър за соларна система е даден на отделна страница.

Слънчеви панели

Най-общо казано, „слънчева батерия“ може да се разбира като всеки набор от идентични модули, които възприемат слънчевата радиация и са комбинирани в едно устройство, включително чисто термични, но традиционно този термин се приписва на панели от фотоволтаични преобразуватели. Следователно терминът "слънчева батерия" почти винаги означава фотоволтаично устройство, което директно преобразува слънчевата радиация в електрически ток. Тази технология се развива активно от средата на 20 век. Огромен стимул за неговото развитие беше изследването на космическото пространство, където само малки ядрени източници на енергия в момента могат да се конкурират със слънчевите батерии по отношение на мощността и продължителността на работа. През това време ефективността на преобразуване на слънчевите клетки се е увеличила от един или два процента до 17% или повече в масовите относително евтини модели и над 42% в прототипите. Значително увеличен експлоатационен живот и надеждност.

Предимства на слънчевите панели

Основното предимство на слънчевите панели е тяхната изключителна простота на дизайна и пълната липса на движещи се части. Като следствие от това - малко специфично тегло и непретенциозност, съчетани с висока надеждност, както и най-простата инсталация и минимални изисквания за поддръжка по време на работа (обикновено е достатъчно да се отстрани мръсотията от работната повърхност, тъй като се натрупва). Представлявайки плоски елементи с малка дебелина, те са доста успешно поставени на наклона на покрива, обърнат към слънцето или на стената на къщата, практически без да изискват допълнително пространство за себе си и изграждането на отделни обемисти конструкции. Единственото условие е нищо да не ги закрива възможно най-дълго.

Друго важно предимство е, че енергията се генерира веднага под формата на електричество - в най-универсалната и удобна форма до момента.

За съжаление нищо не е вечно – ефективността на фотоволтаичните преобразуватели намалява с течение на експлоатационния им живот. Полупроводниковите пластини, от които обикновено се състоят слънчевите клетки, се разграждат и губят свойствата си с течение на времето, в резултат на което и без това не много високата ефективност на слънчевите клетки става още по-малка. Продължителното излагане на високи температури ускорява този процес. Първоначално отбелязах това като недостатък на фотоволтаичните батерии, особено след като „мъртвите“ фотоволтаични клетки не могат да бъдат възстановени. Малко вероятно е обаче всеки механичен електрически генератор да може да демонстрира поне 1% производителност само след 10 години непрекъсната работа - най-вероятно ще изисква сериозни ремонти много по-рано поради механично износване, ако не на лагерите, то на четки, - и съвременните фотоконвертори са в състояние да поддържат ефективността си в продължение на десетилетия. Според оптимистичните оценки за 25 години ефективността на слънчевата батерия намалява само с 10%, което означава, че ако не се намесят други фактори, дори след 100 години ще остане почти 2/3 от първоначалната ефективност. Въпреки това, за масовите търговски фотоволтаични клетки, базирани на поли- и монокристален силиций, честните производители и продавачи дават малко по-различни цифри на стареене - след 20 години трябва да се очаква загуба на ефективност до 20% (тогава теоретично след 40 години , ефективността ще бъде 2/3 от първоначалната, наполовина за 60 години, а след 100 години ще има малко по-малко от 1/3 от първоначалната производителност). Като цяло нормалният експлоатационен живот на съвременните фотоконвертори е най-малко 25 .. 30 години, така че разграждането не е толкова критично и е много по-важно да се измие прахът от тях навреме ...

Ако батериите са инсталирани по такъв начин, че практически няма естествено прах или се отмиват своевременно от естествени дъждове, тогава те могат да работят без никаква поддръжка в продължение на много години. Възможността за толкова дълга работа в необслужван режим е друго голямо предимство.

И накрая, слънчевите панели са способни да генерират енергия от зори до здрач дори при облачно време, когато термалните слънчеви колектори имат температура, която се различава съвсем малко от температурата на околната среда. Разбира се, в сравнение с ясен слънчев ден, производителността им пада многократно, но поне нещо е по-добре от нищо! В тази връзка разработването на батерии с максимално преобразуване на енергия в тези диапазони, където облаците поглъщат най-малко слънчевата радиация, са от особен интерес. Освен това при избора на слънчеви фотопреобразуватели трябва да се обърне внимание на зависимостта на генерираното от тях напрежение от осветеността - тя трябва да е възможно най-малка (при намаляване на осветеността първо трябва да пада токът, а не напрежението, т.к. в противен случай, за да получите поне някакъв полезен ефект в облачни дни, ще трябва да използвате скъпо допълнително оборудване, което принудително повишава напрежението до минимума, достатъчен за зареждане на батериите и работа на инверторите).

Недостатъци на слънчевите панели

Разбира се, има много недостатъци на слънчевите панели. В допълнение към зависимостта от времето и времето на деня, може да се отбележи следното.

Ниска ефективност. Същият слънчев колектор, с правилния избор на форма и материал на повърхността, е в състояние да абсорбира почти цялата слънчева радиация, която е паднала върху него в почти целия спектър от честоти, които носят забележима енергия, от далечния инфрачервен до ултравиолетов диапазон. Слънчевите батерии, от друга страна, преобразуват енергията избирателно - за работното възбуждане на атомите са необходими определени фотонни енергии (честоти на излъчване), следователно в някои честотни ленти преобразуването е много ефективно, докато други честотни ленти са безполезни за тях . Освен това енергията на уловените от тях фотони се използва квантово - нейният "излишък", надвишаващ необходимото ниво, отива за нагряване на материала на фотоконвертора, което в този случай е вредно. В много отношения това обяснява тяхната ниска ефективност.
Между другото, изборът на грешен материал за защитното покритие може значително да намали ефективността на батерията. Въпросът се утежнява от факта, че обикновеното стъкло абсорбира високоенергийната ултравиолетова част от диапазона доста добре, а за някои видове фотоклетки този диапазон е много подходящ - енергията на инфрачервените фотони е твърде малка за тях.

Чувствителност към висока температура. С повишаване на температурата, ефективността на слънчевите клетки, както почти всички други полупроводникови устройства, намалява. При температури над 100..125°C те обикновено могат временно да загубят работоспособността си, а още повече нагряване ги заплашва с необратими повреди. В допълнение, повишената температура ускорява разграждането на слънчевите клетки. Ето защо е необходимо да се вземат всички мерки за намаляване на нагряването, което е неизбежно под изгарящата пряка слънчева светлина. Обикновено производителите ограничават номиналния работен температурен диапазон на фотоклетките до +70°..+90°C (което означава, че нагряването на самите клетки и температурата на околната среда, разбира се, трябва да бъде много по-ниска).
Ситуацията допълнително се усложнява от факта, че чувствителната повърхност на доста крехките фотоклетки често е покрита със защитно стъкло или прозрачна пластмаса. Ако между защитното покритие и повърхността на фотоклетката остане въздушен слой, тогава се образува нещо като „оранжерия“, което утежнява прегряването. Вярно е, че чрез увеличаване на разстоянието между защитното стъкло и повърхността на фотоклетката и свързването на тази кухина с атмосферата отгоре и отдолу е възможно да се организира конвекционен въздушен поток, който естествено охлажда фотоклетките. Въпреки това, при ярко слънце и при високи външни температури това може да не е достатъчно, освен това този метод допринася за ускореното разпрашаване на работната повърхност на фотоклетките. Следователно слънчевата батерия, дори и да не е много голяма, може да изисква специална система за охлаждане. Честно казано, трябва да се каже, че такива системи обикновено се автоматизират лесно и задвижването на вентилатора или помпата консумира само малка част от генерираната енергия. При липса на ярко слънце няма много отопление и изобщо не е необходимо охлаждане, така че енергията, спестена при задвижването на охладителната система, може да се използва за други цели. Трябва да се отбележи, че при модерните фабрично произведени панели защитното покритие обикновено прилепва плътно към повърхността на фотоклетките и отвежда топлината навън, но при самостоятелно направени конструкции механичният контакт със защитното стъкло може да повреди фотоклетката.

Чувствителност към неравномерно осветяване. По правило, за да се получи напрежение на батерията, което е повече или по-малко удобно за използване (12, 24 или повече волта), фотоклетките се свързват в последователни вериги. Токът във всяка такава верига, а оттам и нейната мощност, се определя от най-слабото звено - фотоклетка с най-лоши характеристики или с най-малко осветяване. Следователно, ако поне един елемент от веригата е в сянка, това значително намалява мощността на цялата верига - загубите са непропорционални на засенчването (освен това, при липса на защитни диоди, такъв елемент ще започне да разсейва мощността генерирани от останалите елементи!). Непропорционално намаляване на мощността може да се избегне само чрез свързване на всички фотоклетки паралелно, но тогава изходът на батерията ще има твърде голям ток при твърде малко напрежение - обикновено за отделните фотоклетки е само 0,5 .. 0,7 V, в зависимост от техния тип и натоварване.

Чувствителност към замърсяване. Дори фин слой мръсотия върху повърхността на фотоволтаичните клетки или защитното стъкло може да абсорбира значително количество слънчева светлина и значително да намали производството на енергия. В прашен град това ще изисква често почистване на повърхността на слънчевите масиви, особено тези, монтирани хоризонтално или под лек наклон. Разбира се, същата процедура е необходима след всеки снеговалеж и след прашна буря ... Въпреки това, далеч от градове, индустриални зони, натоварени пътища и други силни източници на прах под ъгъл на наклон от 45 ° или повече, дъждовете са доста способен да измие естествения прах от повърхността на панелите, като "автоматично" ги поддържа сравнително чисти. Да, и снегът на такъв склон, освен това, обърнат на юг, дори в много мразовити дни обикновено не се задържа дълго време. Така че далеч от източници на атмосферно замърсяване, слънчевите панели могат да работят успешно години наред без никаква поддръжка, ще има слънце в небето!

И накрая, последната, но най-важна от пречките пред широкото и повсеместно разпространение на фотоволтаичните соларни панели е тяхната доста висока цена. Цената на елементите на слънчевата батерия в момента е най-малко 1 $ / W (1 kW - 1000 $) и това е за неефективни модификации, без да се вземат предвид разходите за сглобяване и инсталиране на панели, както и без да се вземе предвид цената на батерии, контролери за зареждане и инвертори (преобразуватели на произведения постоянен ток ниско напрежение в битов или индустриален стандарт). В повечето случаи, за минимална оценка на реалните разходи, тези цифри трябва да се умножат по 3-5 пъти за самостоятелно сглобяване от отделни фотоклетки и 6-10 пъти за закупуване на готови комплекти оборудване (плюс разходите за монтаж) .

Батериите имат най-кратък живот от всички елементи на PV захранваща система, но производителите на модерни батерии без поддръжка твърдят, че те ще издържат около 10 години в така наречения буферен режим (или ще изработят традиционните 1000 цикъла на силно зареждане- освобождаване от отговорност - ако броите един цикъл на година).ден, тогава в този режим те ще продължат 3 години). Отбелязвам, че цената на батериите обикновено е само 10-20% от общата цена на цялата система, а цената на инверторите и контролерите за зареждане (и двете са сложни електронни продукти и следователно има известна вероятност от повреда) - дори по-малко. По този начин, като се има предвид дългият експлоатационен живот и способността да работят дълго време без никаква поддръжка, фотоконверторите могат да се изплащат повече от веднъж в живота си и не само в отдалечени райони, но и в населени места - ако тарифите за електроенергия продължете да растете с текущия темп!

Слънчеви термични колектори

Името "слънчеви колектори" е присвоено на устройства, които използват директно отопление от слънчева топлина, както единични, така и подреждаеми (модулни). Най-простият пример за термичен слънчев колектор е резервоар за черна вода на покрива на гореспоменатия селски душ (между другото, ефективността на отоплението на водата в летен душ може значително да се увеличи чрез изграждане на мини-оранжерия около резервоара, на най-малко от пластмасов филм; желателно е между филма и стените на резервоара отгоре и отстрани да има празнина от 4-5 см).

Съвременните колекционери обаче почти не приличат на такъв резервоар. Обикновено те са плоски конструкции, направени от тънки почернели тръби, положени под формата на решетка или змия. Тръбите могат да бъдат монтирани върху почерняла топлопроводима основа, която улавя слънчевата топлина, навлизаща в пролуките между тях - това ви позволява да намалите общата дължина на тръбите, без да губите ефективност. За да се намалят топлинните загуби и да се увеличи отоплението, колекторът може да бъде покрит отгоре с лист стъкло или прозрачен клетъчен поликарбонат, а от обратната страна на топлоразпределителния лист безполезните загуби на топлина се предотвратяват от слой топлоизолация - a вид "оранжерия" се получава. Нагрятата вода или друга охлаждаща течност се движи през тръбата, която може да бъде събрана в термично изолиран резервоар за съхранение. Движението на охлаждащата течност се извършва под действието на помпа или гравитация поради разликата в плътността на охлаждащата течност преди и след топлинния колектор. В последния случай, за повече или по-малко ефективна циркулация, е необходим внимателен подбор на наклони и тръбни секции и поставяне на самия колектор възможно най-ниско. Но обикновено колекторът се поставя на същите места като слънчевата батерия - на слънчева стена или на слънчев наклон на покрива, въпреки че някъде трябва да се постави допълнителен резервоар. Без такъв резервоар, с интензивно разсейване на топлината (да речем, ако трябва да напълните вана или да вземете душ), капацитетът на колектора може да не е достатъчен и след кратко време от крана ще тече леко затоплена вода.

Защитното стъкло, разбира се, донякъде намалява ефективността на колектора, като абсорбира и отразява няколко процента от слънчевата енергия, дори ако лъчите падат перпендикулярно. Когато лъчите ударят стъклото под лек ъгъл спрямо повърхността, коефициентът на отражение може да се доближи до 100%. Следователно, при липса на вятър и необходимост само от леко нагряване спрямо околния въздух (с 5-10 градуса, да речем, за поливане на градина), „отворените“ конструкции могат да бъдат по-ефективни от „остъклените“. Но веднага щом се изисква температурна разлика от няколко десетки градуса или дори ако се издигне не много силен вятър, топлинните загуби на отворени конструкции се увеличават бързо и защитното стъкло с всичките му недостатъци става необходимост.

Важна забележка - трябва да се има предвид, че в горещ слънчев ден, ако няма анализ, водата може да прегрее над точката на кипене, следователно трябва да се вземат подходящи предпазни мерки при проектирането на колектора (осигурете предпазен клапан ). При отворени колектори без защитно стъкло такова прегряване обикновено не може да се страхува.

Напоследък масово започват да се използват слънчеви колектори, базирани на така наречените топлинни тръби (да не се бъркат с „топлинни тръби“, използвани за отвеждане на топлината в компютърни охладителни системи). За разлика от дизайна, разгледан по-горе, тук всяка нагрята метална тръба, през която циркулира охлаждащата течност, е запоена вътре в стъклената тръба и въздухът се изпомпва от пролуката между тях. Получава се аналог на термос, където поради вакуумна топлоизолация загубите на топлина се намаляват 20 пъти или повече. В резултат на това, според производителите, когато студът е -35°C извън стъклото, водата във вътрешната метална тръба със специално покритие, което абсорбира възможно най-широкия спектър от слънчева радиация, се нагрява до +50..+70 °C (разлика над 100 °C) .Ефективната абсорбция, съчетана с отлична топлоизолация, правят възможно загряването на охлаждащата течност дори при облачно време, въпреки че мощността на отопление, разбира се, е многократно по-малка, отколкото при ярко слънце. Ключовият момент тук е да се осигури запазването на вакуума в междината между тръбите, тоест вакуумната херметичност на съединението на стъкло и метал, в много широк температурен диапазон, достигащ 150 ° C, през целия експлоатационен живот от много години. Поради тази причина при производството на такива колектори не може да се мине без внимателно съгласуване на коефициентите на топлинно разширение на стъкло и метал и високотехнологични производствени процеси, което означава, че е малко вероятно да може да се използва пълноценна вакуумна топлинна тръба направени в занаятчийски условия. Но по-простите конструкции на колекторите се правят независимо без проблеми, въпреки че, разбира се, тяхната ефективност е малко по-малка, особено през зимата.

В допълнение към течните слънчеви колектори, описани по-горе, има и други интересни видове структури: въздух (охлаждащата течност е въздух и не се страхува от замръзване), „слънчеви езера“ и т.н. За съжаление повечето изследвания и разработки на слънчеви колектори е посветен специално на течни модели, следователно алтернативните видове практически не се произвеждат масово и няма толкова много информация за тях.

Предимства на слънчевите колектори

Най-важното предимство на слънчевите колектори е простотата и относителната евтиност на производството на техните доста ефективни варианти, съчетани с непретенциозност в експлоатация. Минимумът, необходим за направата на колектор със собствените си ръце, е няколко метра тънка тръба (за предпочитане тънкостенна медна тръба - тя може да се огъне с минимален радиус) и малко черна боя, поне битумен лак. Огъваме тръбата със змия, боядисваме я с черна боя, поставяме я на слънчево място, свързваме я към водопровода и сега най-простият слънчев колектор е готов! В същото време бобината може лесно да получи почти всяка конфигурация и да се възползва максимално от цялото пространство, отделено за колектора. Най-ефективното почерняване, което може да се прилага в домашни условия и което освен това е много устойчиво на високи температури и пряка слънчева светлина, е тънък слой сажди. Въпреки това, саждите лесно се изтриват и измиват, следователно за такова почерняване ще са необходими защитно стъкло и специални мерки за предотвратяване на възможното навлизане на кондензат върху повърхността, покрита със сажди.

Друго важно предимство на колекторите е, че за разлика от слънчевите панели, те са в състояние да уловят и превърнат в топлина до 90% от попадналата върху тях слънчева радиация, а в най-успешните случаи и повече. Поради това не само при ясно време, но и при лека облачност ефективността на колекторите превишава ефективността на фотоволтаичните батерии. И накрая, за разлика от фотоволтаичните батерии, неравномерното осветяване на повърхността не причинява непропорционално намаляване на ефективността на колектора - важен е само общият (интегрален) радиационен поток.

Недостатъци на слънчевите колектори

Но слънчевите колектори са по-чувствителни към времето от слънчевите панели. Дори при ярко слънце свежият вятър може многократно да намали ефективността на отоплението на отворен топлообменник. Защитното стъкло, разбира се, драстично намалява загубата на топлина от вятъра, но при гъсти облаци също е безсилно. При облачно ветровито време практически няма смисъл от колектора, а слънчевата батерия произвежда поне малко енергия.

Сред другите недостатъци на слънчевите колектори, на първо място, ще подчертая тяхната сезонност. Кратки пролетни или есенни нощни студове са достатъчни, за да може ледът, образуван в тръбите на нагревателя, да създаде опасност от тяхното спукване. Разбира се, това може да се елиминира чрез нагряване на "оранжерията" с намотка с източник на топлина от трета страна през студените нощи, но в този случай общата енергийна ефективност на колектора може лесно да стане отрицателна! Друг вариант - двуконтурен колектор с антифриз във външната верига - няма да изисква консумация на енергия за отопление, но ще бъде много по-сложен от едноконтурните опции с директно нагряване на вода, както при производството, така и по време на работа. Въздушните конструкции по принцип не могат да замръзнат, но има друг проблем - ниската специфична топлина на въздуха.

И все пак може би основният недостатък на слънчевия колектор е, че той е точно отоплително устройство и въпреки че промишлено произведени проби, при липса на топлинен анализ, могат да загреят охлаждащата течност до 190..200 ° C, температурата обикновено достигната рядко надвишава 60..80 °C. Поради това е много трудно да се използва извлечената топлина за получаване на значителни количества механична работа или електрическа енергия. В края на краищата, дори за работата на най-нискотемпературната пара-водна турбина (например тази, която някога беше описана от V.A. Zysin), е необходимо водата да се прегрее най-малко до 110 ° C! Но директно под формата на топлина, енергията, както знаете, не се съхранява дълго време и дори при температура под 100 ° C обикновено може да се използва само за захранване с топла вода и отопление на дома. Въпреки това, предвид ниската цена и лекотата на производство, това може да е достатъчно добра причина да се сдобиете със собствен слънчев колектор.

Честно казано, трябва да се отбележи, че "нормалният" работен цикъл на топлинен двигател може да се организира и при температури под 100 ° C - или ако точката на кипене се понижи чрез понижаване на налягането в изпарителната част чрез изпомпване на пара от там , или чрез използване на течност, чиято точка на кипене е между температурата на нагряване на слънчевия колектор и температурата на околната среда (оптимално - 50..60°С). Вярно е, че мога да си спомня само една неекзотична и сравнително безопасна течност, която повече или по-малко отговаря на тези условия - това е етилов алкохол, който кипи при 78 ° C при нормални условия. Очевидно в този случай определено ще трябва да организирате затворен цикъл, решавайки много свързани проблеми. В някои ситуации може да е обещаващо да се използват двигатели с външно отопление (двигатели на Стърлинг). В тази връзка, използването на сплави с ефект на паметта на формата, което е описано на този сайт в статията на I.V.

Концентрация на слънчева енергия

Повишаването на ефективността на слънчевия колектор се състои преди всичко в постоянно повишаване на температурата на загрятата вода над точката на кипене. За да направите това, обикновено се използва концентрацията на слънчева енергия върху колектора с помощта на огледала. Именно този принцип е в основата на повечето слънчеви централи, разликите са само в броя, конфигурацията и разположението на огледалата и колектора, както и в методите за управление на огледалата. В резултат на това в точката на фокусиране е напълно възможно да се достигне температура дори не стотици, а хиляди градуси - при тази температура вече може да настъпи директно термично разлагане на водата във водород и кислород (полученият водород може да бъде изгорен през нощта и в облачни дни)!

За съжаление, ефективната работа на такава инсталация е невъзможна без сложна система за управление на огледалата на концентратора, които трябва да проследяват постоянно променящото се положение на Слънцето в небето. В противен случай след няколко минути точката на фокусиране ще напусне колектора, който в такива системи често има много малки размери и нагряването на работния флуид ще спре. Дори използването на параболоидни огледала решава проблема само частично - ако те не се обръщат периодично след Слънцето, след няколко часа то вече няма да падне в купата им или само ще освети ръба му - няма да има смисъл от това.

Най-лесният начин да концентрирате слънчевата енергия в "домашни" условия е да поставите огледало хоризонтално близо до колектора, така че през по-голямата част от деня "слънчевият лъч" да пада върху колектора. Интересен вариант е да използвате повърхността на резервоар, специално създаден близо до къщата, като такова огледало, особено ако това не е обикновен резервоар, а „слънчево езерце“ (въпреки че това не е лесно да се направи и ефективността на отразяване ще да бъде много по-малко от това на конвенционално огледало). Добър резултат може да се получи чрез създаване на система от вертикални огледални центрове (това начинание обикновено е много по-трудно, но в някои случаи може да е напълно оправдано просто да инсталирате голямо огледало на съседна стена, ако образува вътрешен ъгъл с колектор - всичко зависи от конфигурацията и местоположението на сградата и колектора).

Пренасочването на слънчевата радиация с помощта на огледала също може да увеличи мощността на фотоволтаичния масив. Но в същото време нагряването му се увеличава и може да деактивира батерията. Следователно в този случай трябва да се ограничите до сравнително малка печалба (с няколко десетки процента, но не понякога) и трябва внимателно да контролирате температурата на батерията, особено в горещи, ясни дни! Именно поради опасността от прегряване, някои производители на фотоволтаични батерии изрично забраняват работата на своите продукти с повишена осветеност, създавана с помощта на допълнителни рефлектори.

Преобразуване на слънчевата енергия в механична

Традиционните видове слънчеви инсталации не включват директно получаване на механична работа. За да направите това, електрическият двигател трябва да бъде свързан към слънчева батерия на фотоконвертори, а когато се използва термичен слънчев колектор, прегрята пара (и е малко вероятно да е възможно да се направи без огледални концентратори за прегряване) трябва да се подава към вход на парна турбина или към цилиндрите на парна машина. Колекторите с относително малко топлина могат да преобразуват топлината в механично движение по по-екзотични начини, като задвижващи механизми от сплав с памет за формата.

Има обаче инсталации, които включват преобразуване на слънчевата топлина в механична работа, директно включена в техния дизайн. Освен това техните размери и мощност са много различни - това е проектът на огромна слънчева кула с височина стотици метри и скромна слънчева помпа, която е мястото за лятна вила.

Слънцето е неизчерпаем, екологично чист и евтин източник на енергия. Според експерти количеството слънчева енергия, което достига земната повърхност за една седмица, надвишава енергията на всички световни запаси от нефт, газ, въглища и уран 1 . Според академик Ж.И. Алферов, „човечеството има надежден естествен термоядрен реактор - Слънцето. Това е звезда от клас Zh-2, много средна, от която има до 150 милиарда в Галактиката. Но това е нашата звезда и тя изпраща огромни сили на Земята, чиято трансформация ни позволява да задоволим почти всички енергийни нужди на човечеството в продължение на много стотици години. Освен това слънчевата енергия е „чиста“ и не оказва отрицателно въздействие върху екологията на планетата 2 .

Важен момент е фактът, че суровината за производството на соларни клетки е един от най-разпространените елементи – силицият. В земната кора силицият е вторият елемент след кислорода (29,5% от масата) 3 . Според много учени силицият е "петролът на двадесет и първи век": за 30 години един килограм силиций във фотоволтаична централа генерира толкова електричество, колкото 75 тона петрол в топлоелектрическа централа.

Някои експерти обаче смятат, че слънчевата енергия не може да се нарече екологична, поради факта, че производството на чист силиций за фотоволтаици е много „мръсно“ и много енергоемко производство. Заедно с това изграждането на слънчеви електроцентрали изисква разпределяне на обширни земи, сравними по площ с водноелектрически резервоари. Друг недостатък на слънчевата енергия според експертите е високата волатилност. Осигуряването на ефективна работа на енергийната система, чиито елементи са слънчеви електроцентрали, е възможно при:
- наличието на значителни резервни мощности, използващи традиционни енергийни носители, които могат да бъдат свързани през нощта или в облачни дни;
- провеждане на мащабна и скъпоструваща модернизация на електропреносните мрежи 4 .

Въпреки този недостатък слънчевата енергия продължава своето развитие в света. На първо място, с оглед на факта, че лъчистата енергия ще поевтинява и след няколко години ще бъде сериозен конкурент на петрола и газа.

В момента в света има фотоволтаични инсталации, преобразуване на слънчевата енергия в електрическа въз основа на метода на директно преобразуване, и термодинамични инсталации, при който слънчевата енергия първо се превръща в топлина, след това в термодинамичния цикъл на топлинен двигател се превръща в механична енергия, а в генератора се превръща в електрическа енергия.

Слънчевите клетки като източник на енергия могат да се използват:
- в индустрията (авиационна индустрия, автомобилна индустрия и др.),
- в селското стопанство,
- в сектора на домакинствата,
- в строителната индустрия (например еко къщи),
- в слънчеви електроцентрали,
- в автономни системи за видеонаблюдение,
- в автономни осветителни системи,
- в космическата индустрия.

Според Института за енергийна стратегия теоретичният потенциал на слънчевата енергия в Русия е повече от 2300 милиарда тона стандартно гориво, икономическият потенциал е 12,5 милиона тона еквивалент на гориво. Потенциалът на слънчевата енергия, влизаща на територията на Русия за три дни, надвишава енергията на цялото годишно производство на електроенергия у нас.
Поради местоположението на Русия (между 41 и 82 градуса северна ширина) нивото на слънчевата радиация варира значително: от 810 kWh/m 2 годишно в отдалечените северни райони до 1400 kWh/m 2 годишно в южните райони. Големите сезонни колебания също влияят на нивото на слънчевата радиация: при ширина от 55 градуса слънчевата радиация през януари е 1,69 kWh / m 2, а през юли - 11,41 kWh / m 2 на ден.

Потенциалът на слънчевата енергия е най-голям на югозапад (Северен Кавказ, района на Черно и Каспийско море) и в Южен Сибир и Далечния изток.

Най-обещаващите региони по отношение на използването на слънчева енергия: Калмикия, Ставрополски край, Ростовска област, Краснодарски край, Волгоградска област, Астраханска област и други региони на югозапад, Алтай, Приморие, Читинска област, Бурятия и други региони на югоизток . Освен това някои райони на Западен и Източен Сибир и Далечния изток надвишават нивото на слънчева радиация в южните райони. Така например в Иркутск (52 градуса северна ширина) нивото на слънчева радиация достига 1340 kWh / m2, докато в Република Якутия-Саха (62 градуса северна ширина) тази цифра е 1290 kWh / m2. пет

В момента Русия разполага с напреднали технологии за преобразуване на слънчевата енергия в електрическа. Има редица предприятия и организации, които са разработили и подобряват технологията на фотоелектрическите преобразуватели: както върху силициеви, така и върху многопреходни структури. Има редица разработки в използването на концентриращи системи за слънчеви електроцентрали.

Законодателната рамка за подкрепа на развитието на слънчевата енергия в Русия е в начален етап. Първите стъпки обаче вече са направени:
- 3 юли 2008 г.: Постановление на правителството № 426 "За квалификацията на производствено съоръжение, работещо на базата на използване на възобновяеми енергийни източници";
- 8 януари 2009 г.: Постановление на правителството на Руската федерация N 1-r „За основните насоки на държавната политика в областта на повишаването на енергийната ефективност на електроенергийната индустрия въз основа на използването на възобновяеми енергийни източници за периода до до 2020"

Бяха одобрени цели за увеличаване до 2015 г. и 2020 г. на дела на ВЕИ в общото ниво на енергийния баланс на Русия съответно до 2,5% и 4,5% 6 .

Според различни оценки в момента в Русия общият обем на въведените в експлоатация слънчеви мощности е не повече от 5 MW, повечето от които се падат на домакинствата. Най-голямото промишлено съоръжение в руската слънчева енергийна индустрия е слънчева електроцентрала с мощност 100 kW, пусната в експлоатация в района на Белгород през 2010 г. (за сравнение, най-голямата слънчева електроцентрала в света се намира в Канада с мощност от 80 000 kW).

В момента в Русия се изпълняват два проекта: изграждането на соларни паркове в Ставрополския край (капацитет - 12 MW) и в Република Дагестан (10 MW) 7 . Въпреки липсата на подкрепа за възобновяемата енергия, редица компании реализират малки проекти в областта на слънчевата енергия. Например Sakhaenergo инсталира малка станция в Якутия с мощност 10 kW.

В Москва има малки инсталации: в Леонтиевския коридор и на Мичуринския проспект входовете и дворовете на няколко къщи са осветени с помощта на слънчеви модули, което намалява разходите за осветление с 25%. На улица Тимирязевская на покрива на една от автобусните спирки са монтирани слънчеви панели, които осигуряват справочна и информационна транспортна система и Wi-Fi.

Развитието на слънчевата енергия в Русия се дължи на редица фактори:

1) климатични условия:този фактор засяга не само годината на достигане на паритета на мрежата, но и избора на технология за слънчева инсталация, която е най-подходяща за определен регион;

2)държавна подкрепа:наличието на законово установени икономически стимули за слънчевата енергия е от решаващо значение за
неговото развитие. Сред видовете държавна подкрепа, които се използват успешно в редица европейски страни и САЩ, могат да се разграничат: преференциална тарифа за слънчеви електроцентрали, субсидии за изграждане на слънчеви електроцентрали, различни възможности за данъчни стимули, компенсации за част от разходите по обслужване на кредити за закупуване на соларни инсталации;

3)цена на SFEU (слънчеви фотоволтаични инсталации):Днес слънчевите електроцентрали са една от най-скъпите използвани технологии за производство на електроенергия. Въпреки това, тъй като цената на 1 kWh произведена електроенергия намалява, слънчевата енергия става конкурентна. Търсенето на SPPM зависи от намаляването на цената на 1 W инсталиран капацитет на SPPM (~$3000 през 2010 г.). Намаляването на разходите се постига чрез повишаване на ефективността, намаляване на технологичните разходи и намаляване на рентабилността на производството (въздействието на конкуренцията). Потенциалът за намаляване на цената на 1 kW мощност зависи от технологията и варира от 5% до 15% годишно;

4) екологични стандарти:пазарът на слънчева енергия може да бъде повлиян положително от затягането на екологичните разпоредби (ограничения и глоби) поради евентуално преразглеждане на Протокола от Киото. Подобряването на механизмите за продажба на квоти за емисии може да осигури нов икономически тласък за пазара на SFE;

5) баланс на търсенето и предлагането на електроенергия:изпълнение на съществуващите амбициозни планове за изграждане и реконструкция на производствена и електрическа мрежа
капацитет на компаниите, отделени от RAO "UES of Russia" в хода на реформата в индустрията, значително ще увеличи доставките на електроенергия и може да увеличи натиска върху цената
на пазара на едро. Оттеглянето на старите мощности и едновременното увеличаване на търсенето обаче ще доведат до повишаване на цената;

6)наличие на проблеми с технологичната връзка:забавянето на изпълнението на заявленията за технологично присъединяване към централизираната електроснабдителна система е стимул за преминаване към алтернативни енергийни източници, включително ДФЕУ. Такива закъснения се обуславят както от обективна липса на капацитет, така и от неефективността на организирането на технологичната връзка от мрежовите компании или от липсата на финансиране на технологичната връзка от тарифата;

7) инициативи на местната власт:регионалните и общинските власти могат да изпълняват свои собствени програми за развитие на слънчевата енергия или по-общо възобновяеми/нетрадиционни енергийни източници. Днес такива програми вече се изпълняват в Красноярския и Краснодарския край, Република Бурятия и др.;

8) развитие на собствено производство:Руското производство на SFEU може да има положително въздействие върху развитието на руското потребление на слънчева енергия. Първо, благодарение на собственото си производство, общата осведоменост на населението за наличието на соларни технологии и тяхната популярност нараства. На второ място, разходите за SFEM за крайните потребители се намаляват чрез намаляване на междинните звена на дистрибуторската верига и чрез намаляване на транспортния компонент 8 .

6 http://www.ng.ru/energy/2011-10-11/9_sun_energy.html
7 Организатор е Hevel LLC, чиито основатели са групата компании Renova (51%) и Държавната корпорация Руска корпорация за нанотехнологии (49%).

Слънцето излъчва огромно количество енергия - приблизително 1,1x1020 kWh в секунда. Киловатчас е количеството енергия, необходимо за работа на крушка с нажежаема жичка от 100 вата за 10 часа. Външната атмосфера на Земята прихваща приблизително една милионна от енергията, излъчвана от Слънцето, или приблизително 1500 квадрилиона (1,5 x 1018) kWh годишно. Въпреки това, поради отражение, разсейване и поглъщане от атмосферни газове и аерозоли, само 47% от цялата енергия, или приблизително 700 квадрилиона (7 x 1017) kWh, достига земната повърхност.

Слънчевата радиация в земната атмосфера се разделя на така наречената директна радиация и разсеяна от съдържащите се в атмосферата частици въздух, прах, вода и др. Тяхната сума образува общата слънчева радиация. Количеството енергия, падащо на единица площ за единица време, зависи от редица фактори:

• географска ширина
• местен климатичен сезон на годината
• ъгълът на наклона на повърхността спрямо слънцето.

Време и географско местоположение

Количеството слънчева енергия, падащо върху повърхността на Земята, се променя поради движението на Слънцето. Тези промени зависят от времето на деня и сезона. Обикновено повече слънчева радиация удря Земята по обяд, отколкото рано сутрин или късно вечер. По обяд Слънцето е високо над хоризонта и дължината на пътя на слънчевите лъчи през земната атмосфера е намалена. Следователно по-малко слънчева радиация се разпръсква и абсорбира, което означава, че повече достига до повърхността.

Количеството слънчева енергия, достигаща земната повърхност, се различава от средната годишна стойност: през зимата - по-малко от 0,8 kWh/m2 на ден в Северна Европа и повече от 4 kWh/m2 на ден през лятото в същия този регион. Разликата намалява с приближаването към екватора.

Количеството слънчева енергия също зависи от географското местоположение на обекта: колкото по-близо до екватора, толкова по-голямо е то. Например средната годишна обща слънчева радиация, падаща върху хоризонтална повърхност, е: в Централна Европа, Централна Азия и Канада - приблизително 1000 kWh/m2; в Средиземно море - приблизително 1700 kWh / m2; в повечето пустинни райони на Африка, Близкия изток и Австралия, приблизително 2200 kWh/m2.

По този начин количеството слънчева радиация варира значително в зависимост от времето на годината и географското местоположение (виж таблицата). Този фактор трябва да се вземе предвид при използване на слънчева енергия.

	Южна Европа	Централна Европа	Северна Европа	Карибски регион
януари	2,6	1,7	0,8	5,1
февруари	3,9	3,2	1,5	5,6
Март	4,6	3,6	2,6	6,0
април	5,9	4,7	3,4	6,2
Може	6,3	5,3	4,2	6,1
юни	6,9	5,9	5,0	5,9
Юли	7,5	6,0	4,4	6,0
Август	6,6	5,3	4,0	6,1
Септември	5,5	4,4	3,3	5,7
октомври	4,5	3,3	2,1	5,3
ноември	3,0	2,1	1,2	5,1
декември	2,7	1,7	0,8	4,8
ГОДИНА	5,0	3,9	2,8	5,7

Влиянието на облаците върху слънчевата енергия

Количеството слънчева радиация, достигаща земната повърхност, зависи от различни атмосферни явления и от положението на Слънцето както през деня, така и през цялата година. Облаците са основното атмосферно явление, което определя количеството слънчева радиация, достигаща земната повърхност. Във всяка точка на Земята слънчевата радиация, достигаща земната повърхност, намалява с увеличаване на облачността. Следователно страните с преобладаващо облачно време получават по-малко слънчева радиация от пустините, където времето е предимно безоблачно.

Образуването на облаците се влияе от наличието на местни характеристики като планини, морета и океани, както и големи езера. Следователно количеството слънчева радиация, получено в тези области и регионите в съседство с тях, може да се различава. Например планините могат да получат по-малко слънчева радиация от съседните подножия и равнини. Ветровете, духащи към планините, карат част от въздуха да се издига и, охлаждайки влагата във въздуха, образуват облаци. Количеството слънчева радиация в крайбрежните райони също може да се различава от това, регистрирано в райони, разположени във вътрешността.

Количеството слънчева енергия, получено през деня, до голяма степен зависи от местните атмосферни явления. По обяд с ясно небе, общо слънчево

радиацията, падаща върху хоризонтална повърхност, може да достигне (например в Централна Европа) стойност от 1000 W/m2 (при много благоприятни климатични условия тази цифра може да бъде по-висока), докато при много облачно време е под 100 W/m2 дори при по обяд.

Ефекти от атмосферното замърсяване върху слънчевата енергия

Антропогенните и природни явления също могат да ограничат количеството слънчева радиация, достигаща земната повърхност. Градският смог, димът от горските пожари и пренасяната във въздуха вулканична пепел намаляват използването на слънчева енергия чрез увеличаване на разпръскването и поглъщането на слънчевата радиация. Тоест, тези фактори имат по-голямо влияние върху пряката слънчева радиация, отколкото върху общата. При силно замърсяване на въздуха, например при смог, пряката радиация намалява с 40%, а общата - само с 15-25%. Силното вулканично изригване може да намали и върху голяма площ от земната повърхност пряката слънчева радиация с 20%, а общата - с 10% за период от 6 месеца до 2 години. С намаляването на количеството вулканична пепел в атмосферата ефектът отслабва, но процесът на пълно възстановяване може да отнеме няколко години.

Потенциалът на слънчевата енергия

Слънцето ни осигурява 10 000 пъти повече безплатна енергия, отколкото всъщност се използва в световен мащаб. Само глобалният търговски пазар купува и продава малко под 85 трилиона (8,5 x 1013) kWh енергия годишно. Тъй като е невъзможно да се проследи целият процес, не е възможно да се каже със сигурност колко некомерсиална енергия консумират хората (например колко дърва и торове се събират и изгарят, колко вода се използва за производство на механични или електрически енергия). Някои експерти изчисляват, че такава нетърговска енергия представлява една пета от цялата използвана енергия. Но дори това да е вярно, тогава общата енергия, консумирана от човечеството през годината, е само приблизително една седемхилядна от слънчевата енергия, която удря повърхността на Земята за същия период.

В развитите страни, като САЩ, потреблението на енергия е приблизително 25 трилиона (2,5 x 1013) kWh годишно, което съответства на повече от 260 kWh на човек на ден. Това е еквивалентно на пускането на повече от 100 крушки с нажежаема жичка от 100 W дневно за цял ден. Средностатистическият гражданин на САЩ консумира 33 пъти повече енергия от индиец, 13 пъти повече от китаец, два пъти и половина повече от японец и два пъти повече от швед.

Количеството слънчева енергия, достигащо земната повърхност, е многократно по-голямо от нейното потребление, дори в страни като Съединените щати, където потреблението на енергия е огромно. Ако само 1% от територията на страната се използва за инсталиране на слънчево оборудване (фотоволтаични панели или слънчеви системи за гореща вода), работещо с 10% ефективност, тогава САЩ ще бъдат напълно снабдени с енергия. Същото може да се каже и за всички други развити страни. В известен смисъл обаче това е нереалистично - първо, поради високата цена на фотоволтаичните системи, и второ, невъзможно е да се покрият толкова големи площи със соларно оборудване, без да се навреди на екосистемата. Но самият принцип е правилен.

Възможно е да се покрие една и съща площ чрез разпръскване на инсталации по покривите на сградите, по къщите, край пътищата, върху предварително определени площи земя и др. Освен това в много страни вече повече от 1% от земята е предназначена за добив, преобразуване, производство и транспортиране на енергия. И тъй като по-голямата част от тази енергия е невъзобновяема в мащаба на човешкото съществуване, този вид производство на енергия е много по-вредно за околната среда от слънчевите системи.