Energetski potencijal solarne energije. Solarna energija u Rusiji: izgledi i problemi razvoja

4.1.1. Procjena bruto energetskog resursa (potencijala) solarne energije

Analiza faktora koji utiču na vrijednost bruto energetskog resursa sunčeve energije. Energija sunčevog zračenja koja pada na Zemlju je 10.000 puta veća od količine energije koju proizvodi čovječanstvo. Svjetsko komercijalno tržište kupuje i prodaje oko 85∙103 milijarde kWh energije godišnje. Izuzetno je teško procijeniti koliko nekomercijalne energije čovječanstvo troši. Neki stručnjaci smatraju da nekomercijalna komponenta čini blizu 20% ukupne potrošnje energije.

Potrošnja električne energije u Rusiji u cjelini u 2015. iznosila je 1,036∙103 milijarde kWh Ruska Federacija ima ogroman bruto resurs korišćenje solarne energije. Energija ukupnog godišnjeg sunčevog zračenja koja pada na horizontalnu površinu teritorije naše zemlje iznosi oko 20,743∙10 6 milijardi kWh/god, što je za oko 20.000 puta veće od potreba za energijom.

Zračenje zemljine površine sunčevim zračenjem, koje ima svetlosno, toplotno i baktericidno dejstvo, naziva se insolacija.

Insolacija se mjeri količinom energije sunčevog zračenja koja pada na jedinicu horizontalne površine u jedinici vremena.

Tok sunčevog zračenja koji prolazi kroz površinu od 1 m 2 nalazi se okomito na tok zračenje na udaljenosti od jedne astronomske jedinice od centra Sunca (to jest, izvan Zemljine atmosfere), jednako je 1367 W / m 2 - solarna konstanta.

Zbog apsorpcije Zemljine atmosfere, maksimalni fluks sunčevog zračenja na nivou mora iznosi 1020 W/m 2 . Međutim, treba uzeti u obzir da je prosječna dnevna vrijednost toka sunčevog zračenja kroz jedno područje najmanje tri puta manja (zbog promjene dana i noći i promjene ugla Sunca iznad horizonta) . Zimi, u umjerenim geografskim širinama, ova vrijednost je dva puta manja. Ova količina energije po jedinici površine određuje mogućnosti solarne energije. Izgledi za proizvodnju solarne energije također se smanjuju zbog globalnog zatamnjenja, smanjenja sunčeve radijacije koja dolazi do površine Zemlje koju je napravio čovjek.

Ukupno sunčevo zračenje u Zemljinoj atmosferi se sastoji od direktno i rasejano zračenje . Količina energije koja pada po jedinici površine u jedinici vremena zavisi od:

- geografska širina područja,

– lokalna klima i doba godine,

- gustinu, vlažnost i stepen zagađenosti atmosferskog vazduha,

– godišnje i dnevno kretanje Zemlje,

- prirodu zemljine površine,

- od ugla nagiba površine na koju zračenje pada, u odnosu na Sunce.

Atmosfera apsorbira dio sunčeve energije. Što je duži put sunčeve svjetlosti u atmosferi, to manje direktne sunčeve energije stiže do površine Zemlje. Kada je Sunce u zenitu (ugao upada zraka je 90°), njegovi zraci najkraćim putem udaraju o Zemlju i intenzivno odaju svoju energiju na malo područje. Na Zemlji se to dešava oko ekvatora u tropima. Kako se udaljavate od ove zone prema jugu ili sjeveru, dužina putanje sunčevih zraka se povećava, a ugao njihovog upada na površinu zemlje se smanjuje. Kao rezultat:

povećan gubitak energije u vazduhu,

Sunčevo zračenje je raspoređeno na velikom području,

smanjenje količine direktne energije koja pada na jedinicu površine, i

povećanje udjela raspršenog zračenja.

Osim toga, dužina dana u različito doba godine zavisi i od geografske širine područja, što takođe određuje količinu sunčevog zračenja koje ulazi na površinu zemlje. Važan faktor koji određuje potencijal solarne energije je trajanje sunčevog zračenja tokom godine (slika 4.1).

Rice. 4.1. Trajanje sunčanja u Rusiji, sat/godina

Za teritorije visokih geografskih širina, gdje značajan dio zimskog vremena pada na polarnu noć, razlika u dotoku zračenja ljeti i zimi može biti prilično velika. Dakle, izvan arktičkog kruga, trajanje sunčeve svjetlosti varira od 0 sati u decembru do 200-300 sati u junu i julu, sa godišnjim trajanjem od oko 1200-1600 sati. Na sjeveru zemlje količina sunčeve energije koja dospijeva na površinu Zemlje zimi se razlikuje od prosječne godišnje vrijednosti za manje od 0,8 kWh / (m 2 × dan), ljeti - za više od 4 kWh / m 2. Ako su u zimskim mjesecima nivoi sunčevog zračenja u sjevernim i južnim regijama Rusije vrlo različiti, onda se pokazatelji ljetne insolacije na ovim teritorijama zbog dugog dnevnog vremena na sjevernim geografskim širinama ispostavljaju prilično uporedivi. Međutim, zbog kraćeg godišnjeg trajanja sunčanja, cirkumpolarne teritorije su inferiorne u ukupnom sunčevom zračenju u odnosu na regione srednje zone i juga, respektivno, za 1,3 odnosno 1,7 puta.

Klimatski uslovi na određenom području određuju trajanje i nivo oblačnosti u regionu, vlažnost i gustinu vazduha. Oblaci su glavni atmosferski fenomen koji smanjuje količinu sunčeve energije koja dopire do površine Zemlje. Na njihovo formiranje utiču karakteristike lokalnog reljefa kao što su planine, mora i okeani, kao i velika jezera. Stoga se količina sunčevog zračenja primljena u ovim područjima i regijama uz njih može razlikovati.

Priroda zemljine površine i terena također utiče na njenu refleksivnost. Sposobnost površine da reflektuje zračenje se naziva albedo (od latinskog - bjelina). Utvrđeno je da albedo zemljine površine varira u vrlo širokom rasponu. Dakle, albedo čistog snijega je 85-90%, pijeska - 30-35%, černozema - 5-14%, zelenog lišća - 20-25%, žutog lišća - 33-39%, površine vode na visini Sunca od 90 0 - 2 %, površina vode na visini Sunca 20 0 - 78 %. Reflektirano zračenje povećava komponentu raspršenog zračenja.

Antropogeno i prirodno zagađenje atmosfere također može ograničiti količinu sunčeve radijacije koja može doći do površine Zemlje. Urbani smog, dim šumskih požara i vulkanski pepeo u zraku smanjuju upotrebu sunčeve energije povećavajući disperziju i apsorpciju sunčevog zračenja. Ovi faktori imaju veći uticaj na direktno sunčevo zračenje nego na ukupno. Uz ozbiljno zagađenje zraka, na primjer, smogom, direktno zračenje se smanjuje za 40%, a ukupno - samo za 15-25%. Jaka vulkanska erupcija može smanjiti, i to na velikoj površini Zemljine površine, direktno sunčevo zračenje za 20%, a ukupno - za 10% u periodu od 6 mjeseci do 2 godine. Sa smanjenjem količine vulkanskog pepela u atmosferi, učinak slabi, ali proces potpunog oporavka može potrajati nekoliko godina.

Količina sunčeve energije koja pada na površinu koja prima također se mijenja kada se položaj Sunca mijenja tokom dana u različitim mjesecima u godini. Obično više sunčevog zračenja pogađa Zemlju u podne nego rano ujutro ili kasno navečer. U podne je Sunce visoko iznad horizonta, a dužina puta prolaska sunčeve svetlosti kroz Zemljinu atmosferu je smanjena. Posljedično, manje sunčevog zračenja se raspršuje i apsorbira, što znači da više dolazi do površine. Osim toga, odstupanje kuta upada sunčeve svjetlosti na prijemnu površinu od 90 ° dovodi do smanjenja količine energije po jedinici površine - projekcijskog efekta. Utjecaj ovog efekta na nivo insolacije može se vidjeti na slici 4.2.

Rice. 4.2. Učinak promjene upadnog ugla sunčevih zraka na vrijednost

insolacija - efekat projekcije

Jedan tok sunčeve energije širine 1 km pada na zemlju pod uglom od 90°, a drugi iste širine pod uglom od 30°. Oba toka nose istu količinu energije. U ovom slučaju, kosi solarni snop širi svoju energiju na površinu koja je dvostruko veća od snopa okomitog na prijemnu površinu, te će prema tome protjecati upola manje energije po jedinici površine u jedinici vremena.

Zemljina površina, upija sunčevo zračenje (apsorbovano zračenje), zagreva i zrači toplotu u atmosferu (reflektovano zračenje). Niži slojevi atmosfere u velikoj mjeri odlažu zemaljsko zračenje. Zračenje koje apsorbira Zemljina površina troši se na zagrijavanje tla, zraka i vode.

Taj dio ukupnog zračenja koji ostaje nakon refleksije i toplinskog zračenja zemljine površine naziva se bilans zračenja. Ravnoteža zračenja Zemljine površine se mijenja tokom dana i godišnjih doba.

Izvori informacija za procjenu vrijednosti bruto resursa (potencijala) solarne energije. Informaciona osnova za procjenu vrijednosti ovog bruto resursa (potencijala) sunčeve energije su podaci mjerenja sunčevog zračenja u različitim regijama zemlje sa naknadnom podjelom regiona na zone sa relativno ujednačenom vrijednošću nivoa insolacije. Za ove svrhe potrebni su podaci dobijeni na osnovu rezultata aktinometrijskih posmatranja, tj. podaci o intenzitetu direktnog, raspršenog i ukupnog sunčevog zračenja, o bilansu zračenja i prirodi refleksije zračenja od zemljine površine (albedo).

S obzirom na naglo smanjenje broja meteoroloških stanica koje provode kopnena aktinometrijska osmatranja u Rusiji, 2014. godine za procjenu bruto potencijala korištene su informacije o distribuciji resursa sunčeve energije iz NASA-ine baze podataka o površinskoj meteorologiji i solarnoj energiji (NASA SSE). (resurs) solarne energije. Ova baza je formirana na osnovu satelitskih mjerenja radijacijske ravnoteže zemljine površine, koja su obavljena u okviru Međunarodnog programa za satelite i klimatologiju u oblaku (ISCCP) Svjetskog programa za istraživanje klime od jula 1983. do juna 2005. godine. Na osnovu njihovih rezultata, uzimajući u obzir prirodu refleksije zračenja od zemljine površine, stanje oblačnosti, zagađenje atmosfere aerosolima i druge faktore, utvrđene su vrijednosti mjesečnih količina sunčevog zračenja koje pada na horizontalnu površinu. izračunato za mrežu 1º × 1º koja pokriva cijeli svijet, uključujući teritoriju Ruske Federacije.

Proračun ukupnog upada zračenja na nagnutu površinu sa datim orijentacijskim uglom. Prilikom procjene potencijala potrebno je biti u stanju odrediti količinu ukupnog zračenja koje pada u određenom trenutku na nagnutu površinu orijentisanu u odnosu na površinu zemlje pod uglom koji nas zanima.

Prije nego što pređemo na opis metodologije za izračunavanje ukupnog zračenja potrebno je uvesti osnovne pojmove koji se odnose na procjenu sunčevog zračenja.

Pregled će se održati u horizontalni koordinatni sistem. U ovom sistemu, početak koordinata se postavlja na lokaciju posmatrača na površini zemlje. Horizontalna ravan djeluje kao glavna ravan - ravan matematički horizont. Jedna koordinata u ovom sistemu je ili visina sunca α, ili njegov zenitna udaljenost z. Druga koordinata je azimut a.

Matematički horizont je veliki krug nebeske sfere, čija je ravan okomita na liniju viska u tački u kojoj se nalazi posmatrač.

Matematički horizont se ne poklapa sa vidljiv horizont zbog neravnine Zemljine površine, različitih visina posmatračkih tačaka, kao i zakrivljenosti svjetlosnih zraka u atmosferi.

Solarni zenitni ugao z je ugao između sunčeve zrake i normale na horizontalnu ravan u tački posmatranja A.

Sunčev ugao nadmorske visine α je ugao u vertikalnoj ravni između sunčevog zraka i njegove projekcije na horizontalnu ravan. Zbir α+z je 90°.

Azimut Sunca a- ovo je ugao u horizontalnoj ravni između projekcije sunčevog snopa i pravca prema jugu.

Površinski azimut a p mjereno kao ugao između normale na dotičnu površinu i pravca juga.

Ugao deklinacije sunca- ovo je ugao između linije koja povezuje centre Zemlje i Sunca i njene projekcije na ekvatorijalnu ravan. Deklinacija Sunca se kontinuirano mijenja tokom cijele godine - od -23 ° 27 "na dan zimskog solsticija 22. decembra do + 23 ° 27" na dan ljetnog solsticija 22. juna i jednaka je nuli u danima prolećna i jesenja ravnodnevica (21. marta i 23. septembra).

Lokalno pravo solarno vrijeme je vrijeme određeno na lokaciji posmatrača prividnim položajem Sunca na nebeskoj sferi. 12 sati lokalnog solarnog vremena odgovara vremenu kada je Sunce u zenitu (najviše na nebu).

Lokalno vrijeme se obično razlikuje od lokalnog solarnog vremena zbog ekscentriciteta zemljine orbite, ljudske upotrebe vremenskih zona i vještačkih vremenskih pomaka radi uštede energije.

Nebeski ekvator- ovo je veliki krug nebeske sfere, čija je ravnina okomita na os svijeta (os rotacije zemlje) i poklapa se sa ravninom Zemljinog ekvatora.

Nebeski ekvator dijeli površinu nebeske sfere na dvije hemisfere: sjevernu hemisferu, sa vrhom na sjevernom nebeskom polu, i južnu hemisferu, sa vrhom na južnom nebeskom polu.

nebeski meridijan- veliki krug nebeske sfere, čija ravnina prolazi kroz visak i os svijeta (os rotacije zemlje).

satni ugao- ugaona udaljenost mjerena duž nebeskog ekvatora na zapadu od nebeskog meridijana (onog njegovog dijela koji sunce prelazi u vrijeme gornjeg klimaksa) do kružnog sata koji prolazi kroz odabranu tačku na nebeskoj sferi.

Satni ugao je rezultat pretvaranja lokalnog solarnog vremena u broj stepeni koje Sunce putuje po nebu. Po definiciji, satni ugao je nula u podne. Pošto se Zemlja okrene za 15 0 u jednom satu (360 o / 24 sata), onda se za svaki sat popodne Sunce pomjeri za 15 0 . Ujutro je ugao sunca negativan, uveče pozitivan.

As pozadinske informacije za izračunavanje ukupnog zračenja koriste se vrijednosti sljedećih indikatora dobijenih statističkom obradom podataka opservacije:

- prosječna mjesečna količina ukupnog sunčevog zračenja koja pada na horizontalnu površinu tokom dana, ;

je prosječna mjesečna količina raspršenog (difuznog) sunčevog zračenja koja pada na horizontalnu površinu tokom dana, ;

– albedo zemljine površine – prosječni mjesečni omjer količine sunčevog zračenja reflektovanog od zemljine površine i količine ukupnog sunčevog zračenja koje pada na površinu zemlje (tj. udio zračenja reflektiranog od zemljine površine), udio.

Svi dalji proračuni se vrše za "prosječni dan u mjesecu", tj. dana, u kojem je ugao deklinacije Sunca najbliži srednjem mjesečnom uglu.

Sunčevo zračenje na horizontalnoj površini. Koristeći ove informacije, vrijednosti ukupnog (i raspršenog () sunčevog zračenja koje pada na horizontalna površina per t-ti sat posmatranja:

I - koeficijenti prijelaza s dnevnog na satno zračenje - određuju se na sljedeći način:

- satni ugao t-ti procijenjeni sat u danu, stepeni;

- satni ugao zalaska (zalaska sunca), st.

satnog ugla sunca izračunato korištenjem omjera

– vrijeme solarnog podneva, informacije o kojem se mogu naći u NASA bazi podataka, sat.

Satni ugao zalaska sunca ocijenjeno kao

– geografska širina, stepeni;

je ugao deklinacije sunca, deg.

Ugao deklinacije sunca određena sljedećom formulom

– dan u godini (od 1 do 365).

Sunčevo zračenje na proizvoljno orijentiranoj nagnutoj površini . Kalkulacija satno ukupno sunčevo zračenje, koji pada na nagnutu površinu orijentiranu pod uglom prema horizontu, proizvodi se na sljedeći način

je ugao upada direktnog sunčevog zračenja na nagnutu površinu proizvoljno orijentisanu pod uglom prema horizontu u t-ti sat, stepeni;

je zenit ugao Sunca u t-ti sat, stepeni;

je ugao nagiba površine prema horizontu, stepeni;

Sunčev zenit ugao

Upadni ugao ravno sunčevo zračenje na nagnutoj površini proizvoljno orijentiranoj pod uglom prema horizontu:

je azimutalni ugao Sunca u t-ti sat u danu, stepeni;

je azimut nagnute površine, deg.

Upadni ugao direktnog sunčevog zračenja na nagnutu površinu proizvoljno orijentisanu pod uglom u odnosu na horizont takođe se može izračunati korišćenjem sledećih relacija:

Gore razmotrene relacije mogu se koristiti za procjenu energetskog potencijala sunca sa diferencijacijom na satne (ili trosatne) intervale dana.

Bruto energetski resurs (potencijal) solarne energije. Za procjenu bruto elektroenergetskog resursa sunčeve energije u našoj zemlji korištene su prosječne mjesečne dnevne vrijednosti ukupnog upada sunčevog zračenja na 1 m 2. horizontalnoj ravni (kW h / (m 2 ∙ dan)). Na osnovu ovih informacija, uz diferencijaciju po subjektima federacije, prosječna količina sunčevog zračenja procijenjena je u milione kWh, padajući na 1 kvadratni kilometar teritorije tokom godine (ili u kWh / (m 2 ∙ godine)) sl. 4.3.

Rice. 4.3. Distribucija godišnjih resursa solarne energije na teritoriji Ruske Federacije sa detaljima po federalnim subjektima

Na mapi, svakom subjektu federacije je dodijeljena njegova šifra.

U nastavku je prikazana lista subjekata federacije sa njihovim kodovima s diferencijacijom po federalnim okruzima Rusije. Uzimajući u obzir specifičnosti procjene energetskog potencijala obnovljivih izvora energije, gradovi Moskva i Sankt Peterburg su spojeni sa Moskovskom i Lenjingradskom regijom, respektivno, uz dodjelu ujedinjene teritorije regionalnog koda. Subjekti federacije u velikoj mjeri od sjevera prema jugu mogu se podijeliti na dijelove: sjever, centar, jug.

1. Centralni federalni okrug: (31) Belgorodska oblast, (32) Brjanska oblast, (33) Vladimirska oblast, (36) Voronješka oblast, (37) Ivanovska oblast, (40) Kaluška oblast, (44) Kostromska oblast, (46) Kurska oblast, ( 48) Lipecka oblast, (50) Moskovska oblast i Moskva, (57) Orlovska oblast, (62) Rjazanska oblast, (67) Smolenska oblast, (68) Tambovska oblast, (69) Tverska oblast, (71) Tulska oblast, ( 76) Jaroslavska oblast.

2. Sjeverozapadni federalni okrug: ( 10) Republika Karelija, (11) Republika Komi, (29) Arhangelska oblast, (35) Vologdanska oblast, (39) Kalinjingradska oblast, (47) Lenjingradska oblast i Sankt Peterburg, (51) Murmanska oblast, (53) Novgorodska oblast , (60) Pskovska oblast, (83) Nenecki autonomni okrug.

3. Južni federalni okrug: ( 1) Republika Adigeja, (8) Republika Kalmikija, (23) Krasnodarska teritorija, (30) Astrahanska oblast, (34) Volgogradska oblast, (61) Rostovska oblast, (91) Republika Krim i Sevastopolj.

4. Sjevernokavkaski federalni okrug: ( 5) Republika Dagestan, (6) Republika Ingušetija, (7) Republika Kabardino-Balkarija, (9) Republika Karačaj-Čerkesija, (15) Republika Severna Osetija-Alanija, (20) Republika Čečena, (26) Stavropol Territory.

5. Volški federalni okrug: ( 2) Republika Baškortostan, (12) Republika Mari El, (13) Republika Mordovija, (16) Republika Tatarstan, (18) Republika Udmurtija, (21) Republika Čuvašija, (43) regija Kirov, (52) ) oblast Nižnji Novgorod, (56) ) Orenburška oblast, (58) Penzanska oblast, (59) Permska oblast, (63) Samarska oblast, (64) Saratovska oblast, (73) Uljanovska oblast.

6. Uralski federalni okrug: ( 45) Kurganska oblast, (66) Sverdlovska oblast, (72) Tjumenska oblast, (74) Čeljabinska oblast, (86) Hanti-Mansijski Aok-Jugra, (89) Jamalsko-Nenecki aok.

7. Sibirski federalni okrug: (3) Republika Burjatija, (4) Republika Altaj, (17) Republika Tiva, (19) Republika Hakasija, (22) Altajska teritorija, (24) Krasnojarska teritorija (24-1. Sjever, 24-2) Centar, 24-3. Jug), (38) Irkutska regija (38-1. Sjever, 38-2. Jug), (42) Kemerovska regija, (54) Novosibirska regija, (55) Omska regija, (70) Tomsk region, ( 75) Trans-Baikal Territory.

8. Dalekoistočni federalni okrug: ( 14) Republika Saha (Jakutija) (14-1. Sjever, 14-2. Centar, 14-3. Jug), (25) Primorska teritorija, (27) Habarovska teritorija, (27-1. Sjever, 27-2) Jug), (28) Amurska oblast, (41) Kamčatska teritorija, (49) Magadanska oblast, (65) Sahalinska oblast, (79) Jevrejska autonomna oblast, (87) Čukotski autonomni okrug.

Sadašnje mišljenje da Rusija, koja se nalazi uglavnom u srednjim i visokim geografskim širinama, nema značajne resurse solarne energije za efikasno korišćenje energije, nije tačno. Mapa ispod (slika 4.4) prikazuje prosječnu godišnju distribuciju energetskih resursa sunčevog zračenja na teritoriji Rusije, koja stiže u prosjeku dnevno po 1 platforme južne orijentacije sa optimalnim uglom nagiba prema horizontu(za svaku geografsku tačku, ovo je vlastiti ugao pod kojim je ukupan godišnji unos energije sunčevog zračenja na jednu lokaciju maksimalan).

Sl.4.4. Distribucija godišnje prosječne dnevne solarne energije

zračenje na teritoriji Rusije, kW × sat / (m 2 × dan) (optimalno

južno orijentisana površina)

Razmatranje predstavljene mape pokazuje da unutar sadašnjih granica Rusije, "najsunčaniji" nisu regioni Severnog Kavkaza, kako mnogi pretpostavljaju, već regioni Primorja i južnog Sibira (4,5-5 kWh / (m 2 * dan) i više). Zanimljivo je da poznata crnomorska odmarališta (Soči i druga), prema prosječnom godišnjem unosu sunčevog zračenja (u smislu prirodnog potencijala i resursa sunčeve insolacije) pripadaju istoj zoni kao i većina Sibira, uključujući Jakutiju (4,0 -4.5 kW × sat / (m 2 × dan)).

Za energetski slabo obezbeđena područja sa decentralizovanim snabdevanjem energijom, važno je da više od 60% teritorije zemlje, uključujući mnoge severne regione, karakteriše prosečni godišnji dnevni unos sunčevog zračenja od 3,5 do 4,5 kWh/(m 2 × dan), što se ne razlikuje od juga Njemačke, koji u velikoj mjeri koristi solarne instalacije.

Analiza karte pokazuje da se u Ruskoj Federaciji najveći intenzitet insolacije od 4,5 do 5,0 kWh/m 2 ili više dnevno uočava u Primorju, na jugu Sibira, na jugu Republike Tuve i Republike Burjatija, pa čak i iza arktičkog kruga u istočnom dijelu Severne zemlje, a ne u južnim regijama zemlje. Po solarnom potencijalu, 4,0 - 4,5 kWh / (m 2 * dan), Krasnodarska teritorija, Rostovska oblast, južni deo Volge, veći deo Sibira (uključujući Jakutiju), južni regioni Novosibirska, Irkutske oblasti, Burjatija, Tiva, Hakasija , Primorska i Habarovska teritorija, Amurska oblast, ostrvo Sahalin, ogromna područja od Krasnojarske teritorije do Magadana, Severna zemlja, severoistok Jamalo-Nenečkog autonomnog okruga pripadaju istoj zoni kao i Severni Kavkaz sa poznatim ruskim crnomorskim odmaralištima. Nižnji Novgorod, Moskva, Sankt Peterburg, Salekhard, istočni deo Čukotke i Kamčatka karakteriše prosečno sunčevo zračenje od 2,5 do 3 kWh/m 2 dnevno. U ostatku zemlje preovladava intenzitet insolacije od 3 do 4 kWh/m 2 dnevno.

Energetski tok ima najveći intenzitet u maju, junu i julu. Tokom ovog perioda, u centralnoj Rusiji, po 1 sq. metar površine iznosi 5 kWh dnevno. Najmanji intenzitet je u decembru-januaru, kada je 1 m2. metar površine iznosi 0,7 kWh dnevno.

S obzirom na trenutnu situaciju, na karti Ukrajine (slika 4.3) moguće je analizirati nivo sunčevog zračenja na teritoriji Krima.

Rice. 4.3. Distribucija godišnjeg dolaznog sunčevog zračenja po

teritorija Ukrajine, kW × sat / (m 2 × godina) (optimalno orijentisan

površina okrenuta prema jugu)

Bruto izvor toplotne energije solarne energije. Bruto resurs toplotne energije (potencijal) postavlja maksimalnu količinu toplotne energije koja odgovara energiji sunčevog zračenja koja ulazi na teritoriju Rusije.

Informacije za procjenu ovog resursa mogu biti insolacija u mega- ili kilokalorijama po jedinici površine površine koja prima zračenje u jedinici vremena.

Slika 4.4 daje ideju o raspodjeli ukupnog sunčevog zračenja na horizontalnoj površini teritorije Ruske Federacije u kilokalorijama po 1 cm2 godišnje.

Sl.4.4. Distribucija godišnjeg dolaznog sunčevog zračenja po

teritorija Rusije, kcal / (cm 2 × godina)

Sveobuhvatno zoniranje teritorije Rusije prema potencijalu sunčevog zračenja može se vidjeti na slici 4.6. Dodijeljeno je 10 zona prema prioritetu uporabnog potencijala. Očigledno, južni regioni evropskog dela, jug Transbaikalije i Daleki istok imaju najpovoljnije uslove za praktično korišćenje solarne energije.

Rice. 19. Zoniranje teritorije Rusije prema potencijalu sunca

zračenje (broj u krugu je broj prema prioritetu potencijala)

Vrijednosti bruto energetskih potencijala solarne energije s diferencijacijom po federalnim okruzima Ruske Federacije.

Prilikom procene tehničkog potencijala solarne elektroprivrede korišćeni su indikatori najzastupljenijih (90%) u to vreme fotonaponskih ćelija na bazi silicijuma sa efikasnošću od 15%. Radno područje solarnih instalacija, uzimajući u obzir gustinu smještaja fotonaponskih ćelija u fotonaponskim modulima, uzeto je jednako 0,1% površine teritorije razmatrane regije koja je homogena po nivou zračenja . Tehnički potencijal je izračunat u tonama standardnog goriva kao proizvod bruto solarnog potencijala teritorije na udio površine koju zauzimaju fotonaponske ćelije i njihovu efikasnost.

Definisanje tehničkog toplotno-energetskog potencijala regiona fokusirano je na tehničke mogućnosti pretvaranja energije sunčevog zračenja u toplotnu energiju na najefikasnijim instalacijama solarnog tople vode. Procjena tehničkog potencijala izvršena je na osnovu podataka o toplotnoj snazi ​​ovakvih instalacija u svakom od područja sa ujednačenim nivoom insolacije i napravljenim pretpostavkama: na površini koju zauzimaju solarni kolektori jednaku 1% od ukupne površine. površine teritorije koja se razmatra, odnos između površina termo i električnih instalacija - 0,8 i 0,2, a efikasnost uređaja za gorivo je 0,7. Preračunavanje u tone standardnog goriva izvršeno je korištenjem koeficijenta od 0,34 tce/kWh.

Najobjektivniji od poznatih pokazatelja koji karakteriše mogućnost praktične upotrebe resursa sunčeve energije smatra se pokazateljem njegovog ekonomskog potencijala. Ekonomsku opravdanost i obim upotrebe električnih i termalnih solarnih instalacija treba odrediti na osnovu njihove konkurentnosti tradicionalnim izvorima energije. Nedostatak potrebne količine potrebnih i pouzdanih informacija bio je razlog za korištenje pojednostavljenih metoda zasnovanih na mišljenjima kvalifikovanih stručnjaka za procjenu veličine ekonomskog potencijala.

Prema procjenama stručnjaka, ekonomski potencijal solarne energetike uzet je jednak 0,05% godišnje potrošnje električne energije u posmatranom regionu (prema Rosstatu) uz njenu konverziju u tone standardnog goriva.

Uz poznati intenzitet sunčevog zračenja, ukupni energetski potencijal sunčevog zračenja može se izračunati u tonama standardnog goriva, kilovat-satima, gigakalorijama. Uzimajući u obzir korištenje fotonaponskih ćelija u solarnoj energiji za proizvodnju električne energije i solarnih kolektora za proizvodnju topline, ukupni tehničko-ekonomski potencijal je podijeljen na električnu energiju i toplinsku energiju u skladu sa gore opisanom metodologijom (Tablica 9).

Uvod

Sunce je, kao što znate, primarni i glavni izvor energije za našu planetu. On zagrijava cijelu Zemlju, pokreće rijeke i daje snagu vjetru. Pod njegovim zrakama raste 1 kvadrilion tona biljaka, hraneći, zauzvrat, 10 trilijuna tona životinja i bakterija. Zahvaljujući istom Suncu, na zemlji su se nakupile rezerve ugljovodonika, odnosno nafte, uglja, treseta itd., koje sada aktivno sagorevamo. Da bi čovječanstvo danas moglo zadovoljiti svoje potrebe za energetskim resursima potrebno je oko 10 milijardi tona standardnog goriva godišnje. (Kalorična vrijednost referentnog goriva je 7.000 kcal/kg).

Zadaci:

Razmotrite osnovne fizičke principe i fenomene;

· formiranje znanja i vještina, omogućavajući teorijski proračun glavnih parametara;

Razmotrite prednosti i nedostatke korištenja solarne energije

Razmotrite načine za generiranje električne energije i topline iz sunčevog zračenja

solarna energija- korištenje sunčevog zračenja za proizvodnju energije u bilo kojem obliku. Solarna energija koristi obnovljivi izvor energije i u budućnosti može postati ekološki prihvatljiva, odnosno ne proizvodi štetan otpad.

Sunčevo zračenje je praktički neiscrpan izvor energije, dolazi u sve kutke Zemlje, svakom je potrošaču „na dohvat ruke“ i ekološki je pristupačan izvor energije.

Korištenje sunčeve svjetlosti i topline je čist, jednostavan i prirodan način da dobijemo sve oblike energije koji su nam potrebni. Solarni kolektori mogu grijati domove i poslovne zgrade ili ih opskrbljivati ​​toplom vodom. Sunčeva svjetlost koncentrirana paraboličnim ogledalima (reflektorima) koristi se za stvaranje topline (sa temperaturama do nekoliko hiljada stepeni Celzijusa). Može se koristiti za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Osim toga, postoji još jedan način proizvodnje energije uz pomoć Sunca – fotonaponska tehnologija. Fotonaponske ćelije su uređaji koji pretvaraju sunčevo zračenje direktno u električnu energiju.

SOLARNA ENERGIJA

Energija Sunca je izvor života na našoj planeti. Sunce zagrijava atmosferu i površinu zemlje. Zahvaljujući sunčevoj energiji pušu vjetrovi, u prirodi se odvija kruženje vode, zagrijavaju se mora i okeani, biljke se razvijaju, životinje imaju hranu. Zahvaljujući sunčevom zračenju fosilna goriva postoje na Zemlji. Sunčeva energija se može pretvoriti u toplotu ili hladnoću, pokretačku snagu i električnu energiju.

Sunčevo zračenje

Sunčevo zračenje je elektromagnetno zračenje, koncentrisano uglavnom u opsegu talasnih dužina od 0,28 ... 3,0 mikrona. Sunčev spektar se sastoji od:

Ultraljubičasti talasi dužine 0,28...0,38 mikrona, nevidljivi našim očima i čine približno 2% sunčevog spektra;

Svetlosni talasi u opsegu od 0,38 ... 0,78 mikrona, koji čine približno 49% spektra;

Infracrveni talasi dužine 0,78 ... 3,0 mikrona, koji čine većinu preostalih 49% sunčevog spektra. Preostali dijelovi spektra igraju neznatnu ulogu u toplinskoj ravnoteži Zemlje.

Koliko sunčeve energije pogodi Zemlju?

Sunce zrači ogromnu količinu energije - otprilike 1,1x10 20 kWh u sekundi. Kilovat sat je količina energije potrebna da sijalica sa žarnom niti od 100 vati radi 10 sati. Zemljina vanjska atmosfera presreće otprilike milioniti dio energije koju emituje Sunce, ili otprilike 1500 kvadriliona (1,5 x 10 18) kWh godišnje. Međutim, zbog refleksije, raspršivanja i apsorpcije atmosferskih plinova i aerosola, samo 47% ukupne energije, ili otprilike 700 kvadriliona (7 x 10 17) kWh, dospijeva na površinu Zemlje.

Sunčevo zračenje u Zemljinoj atmosferi dijeli se na takozvano direktno zračenje i difuzno zračenje, na čestice zraka, prašine, vode itd. sadržanih u atmosferi. Njihov zbir čini ukupno sunčevo zračenje.

Količina energije koja pada po jedinici površine u jedinici vremena zavisi od niza faktora: geografske širine lokalne klime, godišnjeg doba i ugla nagiba površine u odnosu na Sunce.

vrijeme i mjesto

Količina sunčeve energije koja pada na površinu Zemlje mijenja se zbog kretanja Sunca. Ove promjene zavise od doba dana i godišnjeg doba. Obično više sunčevog zračenja pogađa Zemlju u podne nego rano ujutro ili kasno navečer. U podne je Sunce visoko iznad horizonta, a dužina puta Sunčevih zraka kroz Zemljinu atmosferu je smanjena. Posljedično, manje sunčevog zračenja se raspršuje i apsorbira, što znači da više dolazi do površine.

Količina sunčeve energije koja stiže do površine Zemlje razlikuje se od prosječne godišnje vrijednosti: zimi - manje od 0,8 kWh/m 2 dnevno na sjeveru Evrope i više od 4 kWh / m 2 dnevno ljeti u istom regionu. Razlika se smanjuje kako se približavate ekvatoru.

Količina sunčeve energije također ovisi o geografskoj lokaciji lokacije: što je bliže ekvatoru, to je veća. Na primjer, prosječni godišnji ukupni upad sunčevog zračenja na horizontalnu površinu iznosi: u Centralnoj Evropi, Centralnoj Aziji i Kanadi - približno 1000 kWh/m 2 ; na Mediteranu - oko 1700 kWh / m 2; u većini pustinjskih regija Afrike, Bliskog istoka i Australije - oko 2200 kWh / m 2.

Dakle, količina sunčevog zračenja značajno varira u zavisnosti od doba godine i geografske lokacije. Ovaj faktor se mora uzeti u obzir kada se koristi solarna energija.

solarna energija

Parametri solarnog zračenja

Prije svega, potrebno je procijeniti potencijalne energetske mogućnosti sunčevog zračenja. Ovdje je od najveće važnosti njena ukupna specifična snaga na površini Zemlje i raspodjela te snage u različitim rasponima zračenja.

Snaga solarnog zračenja

Snaga zračenja Sunca, koje se nalazi u zenitu, blizu površine Zemlje procjenjuje se na oko 1350 W/m2. Jednostavna računica pokazuje da je za dobijanje snage od 10 kW potrebno prikupiti sunčevo zračenje sa površine od samo 7,5 m2. Ali ovo je vedrog popodneva u tropskoj zoni visoko u planinama, gdje je atmosfera razrijeđena i kristalno čista. Čim se Sunce počne naginjati prema horizontu, putanja njegovih zraka kroz atmosferu se povećava, odnosno povećavaju se gubici duž ovog puta. Prisustvo prašine ili vodene pare u atmosferi, čak i u količinama koje su neprimjetne bez posebnih uređaja, dodatno smanjuje protok energije. Međutim, čak iu srednjoj traci u ljetnim popodnevnim satima, za svaki kvadratni metar orijentiran okomito na sunčeve zrake, dolazi do protoka sunčeve energije snage približno 1 kW.

Naravno, čak i mala oblačnost drastično smanjuje energiju koja dopire do površine, posebno u infracrvenom (termalnom) opsegu. Međutim, dio energije i dalje prodire kroz oblake. U srednjoj traci, uz veliku oblačnost u podne, snaga sunčevog zračenja koja dopire do površine Zemlje procjenjuje se na oko 100 W/m2, a samo u rijetkim slučajevima, uz posebno gustu oblačnost, može pasti ispod ove vrijednosti. Očigledno je da je u takvim uvjetima, da bi se dobilo 10 kW, potrebno potpuno, bez gubitaka i refleksije, prikupiti sunčevo zračenje ne sa 7,5 m2 zemljine površine, već sa čitavih sto kvadratnih metara (100 m2).

U tabeli su prikazani kratki prosječni podaci o energiji sunčevog zračenja za neke gradove Rusije, uzimajući u obzir klimatske uslove (učestalost i jačinu oblaka) po jedinici horizontalne površine. Detalji ovih podataka, dodatni podaci za druge orijentacije panela osim horizontalnih, kao i podaci za druge regione Rusije i zemlje bivšeg SSSR-a dati su na posebnoj stranici.

Grad	mjesečni minimum (decembar)	mjesečni maksimum (juni ili jul)	ukupno za godinu
Arkhangelsk	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)
Astrakhan	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)
Vladivostok	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)
Jekaterinburg	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)
Moskva	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)
Novosibirsk		638 MJ / m 2 (177,2 kWh / m 2)	4,00 GJ / m2(1110 kWh / m 2)
Omsk	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)
Petrozavodsk	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)
Petropavlovsk-Kamčatski	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)
Rostov na Donu	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)
St. Petersburg	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)
Sochi	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)
Yuzhno-Sakhalinsk	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)

Fiksna ploča, postavljena pod optimalnim uglom nagiba, može apsorbirati 1,2 .. 1,4 puta više energije u odnosu na horizontalnu, a ako se rotira za Suncem, tada će povećanje biti 1,4 .. 1,8 puta. To se može vidjeti, raščlanjeno po mjesecima za fiksne panele orijentirane na jug pod različitim uglovima nagiba, i za sisteme koji prate kretanje Sunca. Karakteristike postavljanja solarnih panela detaljnije su razmotrene u nastavku.

Direktno i difuzno sunčevo zračenje

Razlikovati difuzno i ​​direktno sunčevo zračenje. Da bi efikasno apsorbovao direktnu sunčevu svetlost, panel mora biti orijentisan okomito na tok sunčeve svetlosti. Za percepciju raspršenog zračenja, orijentacija nije toliko kritična, jer dolazi prilično ravnomjerno sa gotovo cijelog neba - ovako je zemljana površina osvijetljena u oblačnim danima (iz tog razloga, po oblačnom vremenu, objekti nemaju jasno definisana senka, a vertikalne površine, poput stubova i zidova kuća, praktično ne bacaju vidljivu senku).

Odnos direktnog i raspršenog zračenja u velikoj meri zavisi od vremenskih uslova u različitim godišnjim dobima. Na primjer, u Moskvi je zima oblačna, a u januaru udio raspršenog zračenja prelazi 90% ukupne insolacije. Ali čak i tokom moskovskog ljeta, raspršena radijacija čini skoro polovinu ukupne sunčeve energije koja dopire do površine Zemlje. Istovremeno, u sunčanom Bakuu, i zimi i ljeti, udio raspršenog zračenja je od 19 do 23% ukupne insolacije, a oko 4/5 sunčevog zračenja je direktno. Više detalja o odnosu rasute i ukupne insolacije za pojedine gradove dato je na posebnoj stranici.

Distribucija energije u sunčevom spektru

Sunčev spektar je praktično neprekidan u izuzetno širokom frekventnom opsegu - od niskofrekventnih radio talasa do ultravisokih rendgenskih zraka i gama zračenja. Naravno, teško je jednako efikasno uhvatiti tako različite vrste zračenja (možda se to može učiniti samo teoretski uz pomoć „idealnog apsolutno crnog tijela“). Ali to nije neophodno – prvo, samo Sunce zrači različitom jačinom u različitim frekvencijskim rasponima, a drugo, ne dopire sve što Sunce emituje do površine Zemlje – određene delove spektra u velikoj meri apsorbuju različite komponente atmosfere – uglavnom ozonski omotač, vodena para i ugljični dioksid.

Stoga nam je dovoljno da odredimo one frekvencijske opsege u kojima se uočava najveći tok sunčeve energije u blizini površine Zemlje i iskoristimo ih. Tradicionalno, solarno i kosmičko zračenje se ne razdvajaju po frekvenciji, već po talasnoj dužini (to je zbog prevelikih eksponenta za frekvencije ovog zračenja, što je vrlo nezgodno - vidljiva svjetlost u hercima odgovara 14. redu). Pogledajmo zavisnost distribucije energije o talasnoj dužini za sunčevo zračenje.

Opseg vidljive svetlosti je definisan kao opseg talasnih dužina od 380 nm (duboko ljubičasta) do 760 nm (tamno crvena). Sve što ima kraću talasnu dužinu ima veću energiju fotona i deli se na opsege ultraljubičastog, rendgenskog i gama zračenja. Uprkos visokoj energiji fotona, samih fotona u ovim rasponima nema toliko, pa je ukupan energetski doprinos ovog dijela spektra vrlo mali. Sve što ima veću talasnu dužinu ima manju energiju fotona od vidljive svetlosti i deli se na infracrveni opseg (termalno zračenje) i različite delove radio opsega. Grafikon pokazuje da u infracrvenom opsegu Sunce emituje skoro istu količinu energije kao i u vidljivom (nivoi su niži, ali je raspon širi), ali je u radiofrekvencijskom opsegu energija zračenja vrlo mala.

Dakle, sa energetske tačke gledišta, dovoljno nam je da se ograničimo na vidljive i infracrvene frekvencijske opsege, kao i na bliski ultraljubičasti (negde do 300 nm, tvrdi ultraljubičasti kraće talasne dužine se skoro potpuno apsorbuje u takozvani ozonski omotač, koji obezbeđuje sintezu ovog ozona iz atmosferskog kiseonika). A lavovski udio sunčeve energije koja stiže do površine Zemlje koncentriran je u rasponu valnih dužina od 300 do 1800 nm.

Ograničenja pri korištenju solarne energije

Glavna ograničenja povezana s korištenjem solarne energije uzrokovana su njenom nestabilnošću - solarne instalacije ne rade noću i neefikasne su po oblačnom vremenu. To je očigledno gotovo svima.

Međutim, postoji još jedna okolnost koja je posebno relevantna za naše prilično sjeverne geografske širine - to su sezonske razlike u dužini dana. Ako za tropske i ekvatorijalne zone trajanje dana i noći slabo zavisi od doba godine, onda je već na geografskoj širini Moskve najkraći dan skoro 2,5 puta kraći od najdužeg! Ne govorim o polarnim regijama... Kao rezultat toga, po vedrom ljetnom danu, solarna instalacija u blizini Moskve može proizvesti ništa manje energije nego na ekvatoru (Sunce je niže, ali je dan duži). Međutim, zimi, kada je potreba za energijom posebno velika, njena proizvodnja će se, naprotiv, nekoliko puta smanjiti. Uostalom, pored kratkih dnevnih sati, zraci niskog zimskog sunca, čak i u podne, moraju proći kroz mnogo deblji sloj atmosfere i zbog toga usput gube znatno više energije nego ljeti, kada je sunce visoko i zraci prolaze kroz atmosferu gotovo okomito (izraz „hladno zimsko sunce ima najdirektnije fizičko značenje). Međutim, to uopće ne znači da su solarne instalacije u srednjoj traci, pa čak i u mnogo sjevernijim krajevima potpuno beskorisne – iako su zimi od male koristi, to je u periodu dugih dana, najmanje pola godine između prolećne i jesenje ravnodnevice, prilično su efikasne.

Posebno je zanimljiva upotreba solarnih instalacija za pokretanje sve šireg širenja tra-n-nya-y-shchi-sya, ali vrlo "proždrljivih" klima uređaja. Uostalom, što jače sunce sija, to je toplije i potrebno je više klimatizacije. Ali u takvim uslovima, čak i solarne instalacije su u stanju da generišu više energije, a tu energiju će klima uređaj koristiti upravo „ovde i sada“, ne treba je akumulirati i skladištiti! Osim toga, uopće nije potrebno pretvarati energiju u električni oblik – apsorpcijski toplinski motori koriste toplinu direktno, što znači da se umjesto fotonaponskih panela mogu koristiti solarni kolektori, koji su najefikasniji upravo po čistoj vrućini. Istina, vjerujem da su klima-uređaji nezamjenjivi samo u toplim sušnim krajevima iu vlažnoj tropskoj klimi, kao iu modernim gradovima, bez obzira na njihovu lokaciju. Kompetentno dizajnirana i izgrađena seoska kuća, ne samo u srednjoj traci, već i na većem dijelu juga Rusije, ne treba tako energetski proždrljiv, glomazan, bučan i hirovit uređaj.

Nažalost, u uslovima urbanog razvoja, individualna upotreba manje ili više moćnih solarnih instalacija sa bilo kakvom uočljivom praktičnom koristi moguća je samo u retkim slučajevima posebno srećnog spleta okolnosti. Međutim, gradski stan ne smatram punopravnim stanovanjem, jer njegovo normalno funkcioniranje ovisi o previše faktora koji nisu dostupni direktnoj kontroli stanovnika iz čisto tehničkih razloga, pa stoga, u slučaju neuspjeha za više ili manje dugo, barem jedan od uslova sistema za održavanje života neće biti prihvatljiv za život u modernoj stambenoj zgradi (više, stan u višespratnici treba smatrati nekom vrstom hotelske sobe, koju stanari kupljen za trajnu upotrebu ili iznajmljen od opštine). Ali van grada, posebna pažnja na solarnu energiju može biti više nego opravdana čak i na maloj parceli od 6 ari.

Karakteristike postavljanja solarnih panela

Izbor optimalne orijentacije solarnih panela jedno je od najvažnijih pitanja u praktičnoj upotrebi solarnih instalacija bilo koje vrste. Nažalost, na raznim web stranicama o solarnoj energiji postoji vrlo malo pokrivenosti ovog aspekta, iako zanemarivanje može smanjiti efikasnost panela na neprihvatljiv nivo.

Činjenica je da kut upada zraka na površinu uvelike utječe na koeficijent refleksije, a samim tim i na udio neprihvaćene sunčeve energije. Na primjer, za staklo, kada upadni ugao odstupi od okomice na njegovu površinu do 30°, koeficijent refleksije se praktično ne mijenja i iznosi nešto manje od 5%, tj. više od 95% upadnog zračenja prolazi unutra. Nadalje, povećanje refleksije postaje primjetno, a za 60° udio reflektovanog zračenja se udvostručuje, na skoro 10%. Pod upadnim uglom od 70° odbija se oko 20% zračenja, a pri 80° 40%. Za većinu drugih supstanci, ovisnost stupnja refleksije o upadnom kutu je približno ista.

Još važnija je takozvana efektivna površina panela, tj. poprečni presjek fluksa zračenja koji je blokiran. Jednaka je stvarnoj površini ploče pomnoženoj sa sinusom kuta između njegove ravnine i smjera strujanja (ili, ekvivalentno, kosinusom kuta između okomice na ploču i smjera strujanja) . Dakle, ako je ploča okomita na tok, njena efektivna površina je jednaka njenoj stvarnoj površini, ako tok odstupa od okomice za 60° - polovina stvarne površine, a ako je tok paralelan sa panelom, njegova efektivna površina površina je nula. Dakle, značajno odstupanje toka od okomite na panel ne samo da povećava refleksiju, već smanjuje njenu efektivnu površinu, što uzrokuje vrlo primjetan pad izlazne snage.

Očigledno je da je za naše potrebe stalna orijentacija panela okomita na tok sunčeve svjetlosti najefikasnija. Ali to će zahtijevati promjenu položaja panela u dvije ravni, jer položaj Sunca na nebu ovisi ne samo o dobu dana, već i o godišnjem dobu. Iako je takav sistem svakako tehnički moguć, ispostavlja se da je vrlo složen, a samim tim i skup i ne baš pouzdan.

Međutim, imajte na umu da je pri upadnim uglovima do 30° koeficijent refleksije na granici "vazduh-staklo" minimalan i praktično nepromenjen, a tokom godine ugao maksimalnog izlaska Sunca iznad horizonta odstupa od prosečne pozicije za ne više od ±23°. Efektivna površina panela s odstupanjem od okomice za 23° također ostaje prilično velika - najmanje 92% njegove stvarne površine. Stoga se može fokusirati na prosječnu godišnju visinu maksimalnog izlaska Sunca i, praktično bez gubitka efikasnosti, ograničiti se na rotaciju u samo jednoj ravni - oko polarne ose Zemlje brzinom od 1 okretaja dnevno. Ugao nagiba ose takve rotacije u odnosu na horizontalu jednak je geografskoj širini mjesta. Na primjer, za Moskvu, koja se nalazi na geografskoj širini od 56°, os takve rotacije treba biti nagnuta prema sjeveru za 56° u odnosu na površinu (ili, što je ekvivalentno, odstupiti od vertikale za 34°). Ovakvu rotaciju je već mnogo lakše organizirati, međutim, velikom panelu treba puno prostora da se slobodno okreće. Osim toga, potrebno je ili organizirati kliznu vezu koja vam omogućava da preusmjerite svu energiju primljenu od panela koji se stalno rotira, ili se ograničiti na fleksibilne komunikacije sa fiksnom vezom, ali osigurati automatski povratak panela nazad na noću, inače ne možete izbjeći uvrtanje i prekid komunikacija koje uklanjaju energiju. Oba rješenja dramatično povećavaju složenost i smanjuju pouzdanost sistema. Kako se snaga panela (a time i njihova veličina i težina) povećava, tehnički problemi postaju eksponencijalno složeniji.

U vezi sa svim navedenim, gotovo uvijek se paneli pojedinačnih solarnih instalacija montiraju nepomično, što osigurava relativnu jeftinoću i najveću pouzdanost instalacije. Međutim, ovdje izbor kuta postavljanja panela postaje posebno važan. Razmotrimo ovaj problem na primjeru Moskve.

Narandžasta linija - kada se prati položaj Sunca rotacijom oko polarne ose (tj. paralelno sa Zemljinom osom); plava - fiksna horizontalna ploča; zelena - fiksna vertikalna ploča, orijentirana na jug; crvena - fiksna ploča nagnuta na jug pod uglom od 40 ° prema horizontu.

Pogledajmo dijagrame insolacije za različite uglove ugradnje panela. Naravno, panel koji rotira nakon Sunca je van konkurencije (narandžasta linija). Međutim, čak i tokom dugih ljetnih dana, njegova efikasnost premašuje efikasnost stacionarnih horizontalnih (plavih) i optimalno nagnutih (crvenih) panela za samo oko 30%. Ali ovih dana ima dovoljno topline i svjetlosti! Ali u energetski najnedostatnijem periodu od oktobra do februara, prednost rotacionog panela u odnosu na fiksne je minimalna i gotovo neprimjetna. Istina, u ovom trenutku kompanija kosih panela nije horizontalna, već vertikalna ploča (zelena linija). I to nije iznenađujuće - niske zrake zimskog sunca klize duž horizontalne ploče, ali se dobro percipiraju na vertikalnoj, gotovo okomitoj na njih. Dakle, u februaru, novembru i decembru vertikalni panel po svojoj efikasnosti nadmašuje čak i kosi i gotovo se ne razlikuje od rotacionog. U martu i oktobru dani su duži, a gramofon već počinje samopouzdano (iako ne mnogo) da nadmašuje sve fiksne opcije, ali je efikasnost kosih i vertikalnih panela gotovo ista. I samo u periodu dugih dana od aprila do avgusta, horizontalni panel po primljenoj energiji je ispred vertikalnog i približava se nagnutom, au junu ga čak i neznatno premašuje. Ljetni gubitak vertikalnog panela je prirodan - uostalom, recimo, dan ljetne ravnodnevnice u Moskvi traje više od 17 sati, a Sunce može biti u prednjoj (radnoj) hemisferi vertikalnog panela ne više od 12 sati. sati, preostalih 5-ak sati (skoro trećina dnevnog svjetla!) je iza nje. Ako uzmemo u obzir da pri upadnim uglovima većim od 60°, udio svjetlosti reflektirane od površine panela počinje brzo rasti, a njena efektivna površina se smanjuje za polovicu ili više, tada je vrijeme za efektivnu apsorpciju sunčevo zračenje za takav panel ne prelazi 8 sati – odnosno manje od 50 % ukupne dužine dana. Ovo objašnjava činjenicu da se performanse vertikalnih panela stabilizuju tokom čitavog perioda dugih dana - od marta do septembra. I na kraju, januar se malo izdvaja - u ovom mjesecu performanse panela svih usmjerenja su gotovo iste. Činjenica je da je ovaj mjesec u Moskvi veoma oblačan, a više od 90% sve sunčeve energije dolazi od raspršenog zračenja, a za takvo zračenje orijentacija panela nije od velike važnosti (glavno je ne slati ga na tlo). Međutim, nekoliko sunčanih dana, koji se još uvijek javljaju u januaru, smanjuju učinak horizontalnog panela za 20% u odnosu na ostale.

Koji ugao nagiba odabrati? Sve zavisi od toga kada vam je tačno potrebna solarna energija. Ako želite da ga koristite samo tokom toplog perioda (recimo, na selu), onda bi trebalo da izaberete takozvani "optimalni" ugao nagiba, okomit na prosečnu poziciju Sunca između prolećne i jesenje ravnodnevice. To je otprilike 10° .. 15° manje od geografske širine, a za Moskvu je 40° .. 45°. Ako vam je energija potrebna tokom cijele godine, onda biste trebali "iscijediti" maksimum upravo u energetski deficitarnim zimskim mjesecima, što znači da se trebate fokusirati na prosječnu poziciju Sunca između jesenje i proljetne ravnodnevnice i postaviti panele bliže vertikali - 5 ° .. 15 ° više od geografske širine (za Moskvu će to biti 60 ° .. 70 °). Ako se zbog arhitektonskih ili strukturalnih razloga ovaj ugao ne može održati i mora se napraviti izbor između kuta nagiba od 40° ili manje ili vertikalne instalacije, treba dati prednost vertikalnom položaju. Istovremeno, "nestašica" energije tokom dugih ljetnih dana nije toliko kritična - u tom periodu ima puno prirodne topline i svjetlosti, a potreba za proizvodnjom energije obično nije tako velika kao zimi iu izvan sezone. Naravno, nagib panela treba da bude orijentisan na jug, iako se odstupanje od ovog pravca za 10°.. 15° prema istoku ili zapadu malo menja i stoga je sasvim prihvatljivo.

Horizontalno postavljanje solarnih panela širom Rusije je neefikasno i apsolutno neopravdano. Osim prevelikog smanjenja proizvodnje energije u jesensko-zimskom periodu, na horizontalnim pločama se intenzivno nakuplja prašina, a zimi se nakuplja i snijeg koji se odatle može ukloniti samo uz pomoć posebno organiziranog čišćenja (obično ručno) . Ako nagib ploče prelazi 60°, tada se snijeg ne zadržava na njegovoj površini i obično se brzo sam raspada, a tanak sloj prašine dobro se ispere kišom.

Budući da su cijene solarne opreme u posljednje vrijeme u padu, možda bi bilo korisno, umjesto jednog polja solarnih panela orijentiranih na jug, koristiti dva većeg ukupnog kapaciteta, orijentirana na susjedni (jugoistok i jugozapad) pa čak i nasuprot (istok i zapadnoj) strani svijeta. To će omogućiti ujednačeniji učinak u sunčanim danima i veći učinak u oblačnim danima, dok će ostatak opreme ostati dizajniran za istu, relativno malu snagu, te će stoga biti kompaktniji i jeftiniji.

I poslednji. Staklo, čija površina nije glatka, ali ima poseban reljef, u stanju je mnogo efikasnije percipirati bočnu svjetlost i prenositi je na radne elemente solarne ploče. Najoptimalniji je valoviti reljef s orijentacijom izbočina i udubljenja od sjevera prema jugu (za vertikalne ploče - od vrha do dna), - vrsta linearnog sočiva. Valovito staklo može povećati izlaz fiksne ploče za 5% ili više.

Tradicionalni tipovi instalacija za korištenje solarne energije

S vremena na vrijeme stižu izvještaji o izgradnji još jedne solarne elektrane (SPP) ili postrojenja za desalinizaciju. Širom svijeta, od Afrike do Skandinavije, koriste se termalni solarni kolektori i fotonaponski solarni paneli. Ove metode korištenja solarne energije razvijaju se više od desetak godina, posvećene su im mnoge stranice na Internetu. Stoga ću ih ovdje razmotriti u najopštijim crtama. Međutim, jedna najvažnija tačka na Internetu praktički nije pokrivena - to je izbor specifičnih parametara prilikom kreiranja individualnog sistema za napajanje solarnom energijom. U međuvremenu, ovo pitanje nije tako jednostavno kao što se čini na prvi pogled. Primjer odabira parametara za solarni sistem dat je na posebnoj stranici.

Solarni paneli

Uopšteno govoreći, „solarna baterija“ se može shvatiti kao bilo koji skup identičnih modula koji percipiraju sunčevo zračenje i koji su kombinovani u jedan uređaj, uključujući i čisto termalne, ali tradicionalno se ovaj termin pripisuje panelima fotonaponskih pretvarača. Stoga izraz "solarna baterija" gotovo uvijek označava fotonaponski uređaj koji direktno pretvara sunčevo zračenje u električnu struju. Ova tehnologija se aktivno razvija od sredine 20. stoljeća. Ogroman poticaj za njegov razvoj bilo je istraživanje svemira, gdje trenutno samo mali nuklearni izvori energije mogu konkurirati solarnim baterijama po izlaznoj snazi ​​i trajanju rada. Tokom ovog vremena, efikasnost konverzije solarnih ćelija porasla je sa jednog ili dva procenta na 17% ili više u masovnim relativno jeftinim modelima i preko 42% u prototipovima. Značajno produžen vijek trajanja i pouzdanost.

Prednosti solarnih panela

Glavna prednost solarnih panela je njihova ekstremna jednostavnost dizajna i potpuno odsustvo pokretnih dijelova. Kao posljedica toga - mala specifična težina i nepretencioznost u kombinaciji s visokom pouzdanošću, kao i najjednostavnija instalacija i minimalni zahtjevi za održavanjem tokom rada (obično je dovoljno ukloniti prljavštinu sa radne površine kako se nakuplja). Predstavljajući ravne elemente male debljine, prilično se uspješno postavljaju na kosinu krova okrenutu suncu ili na zid kuće, praktički ne zahtijevajući dodatni prostor za sebe i podizanje zasebnih glomaznih konstrukcija. Jedini uslov je da ih ništa ne zaklanja što je duže moguće.

Još jedna važna prednost je ta što se energija proizvodi odmah u obliku električne energije - u najsvestranijem i najprikladnijem obliku do sada.

Nažalost, ništa ne traje vječno - efikasnost fotonaponskih pretvarača se smanjuje tokom njihovog radnog vijeka. Poluprovodničke pločice, od kojih se obično sastoje solarne ćelije, vremenom se degradiraju i gube svojstva, zbog čega ionako ne baš visoka efikasnost solarnih ćelija postaje još manja. Dugotrajno izlaganje visokim temperaturama ubrzava ovaj proces. Isprva sam to primijetio kao nedostatak fotonaponskih baterija, pogotovo jer se "mrtve" fotonaponske ćelije ne mogu vratiti. Međutim, malo je vjerovatno da će bilo koji mehanički električni generator moći pokazati barem 1% performansi nakon samo 10 godina neprekidnog rada - najvjerovatnije će zahtijevati ozbiljne popravke mnogo ranije zbog mehaničkog habanja, ako ne ležajeva, onda četke, - i moderni fotokonvertori su u stanju da zadrže svoju efikasnost decenijama. Prema optimističnim procjenama, tokom 25 godina efikasnost solarne baterije opada za samo 10%, što znači da ako drugi faktori ne intervenišu, onda će i nakon 100 godina ostati skoro 2/3 prvobitne efikasnosti. Međutim, za masovne komercijalne fotonaponske ćelije na bazi poli- i monokristalnog silicijuma, pošteni proizvođači i prodavci daju nešto drugačije brojke o starenju - nakon 20 godina treba očekivati ​​gubitak do 20% efikasnosti (onda teoretski, nakon 40 godina). , efikasnost će biti 2/3 originalne, prepolovljena za 60 godina, a za 100 godina će biti nešto manje od 1/3 originalne produktivnosti). Općenito, normalan vijek trajanja modernih fotokonvertera je najmanje 25 .. 30 godina, tako da degradacija nije toliko kritična, a mnogo je važnije oprati prašinu s njih na vrijeme ...

Ako su baterije postavljene na način da praktički nema prirodnog prašenja ili se na vrijeme isperu prirodnim kišama, tada mogu raditi bez ikakvog održavanja dugi niz godina. Mogućnost ovako dugog rada u režimu bez nadzora je još jedna velika prednost.

Konačno, solarni paneli su u stanju da generišu energiju od zore do sumraka čak i po oblačnom vremenu, kada termalni solarni kolektori imaju temperaturu koja se samo malo razlikuje od temperature okoline. Naravno, u poređenju sa vedrim sunčanim danom, njihova produktivnost višestruko opada, ali barem nešto je bolje nego ništa! S tim u vezi, od posebnog je interesa razvoj baterija s maksimalnom konverzijom energije u onim rasponima gdje oblaci najmanje apsorbuju sunčevo zračenje. Osim toga, pri odabiru solarnih fotokonvertera treba obratiti pažnju na ovisnost napona koji oni generiraju od osvjetljenja – on bi trebao biti što manji (kada se osvjetljenje smanji prvo treba pasti struja, a ne napon, jer u suprotnom, da biste postigli barem neki koristan učinak u oblačnim danima, morat ćete koristiti skupu dodatnu opremu koja prisilno povećava napon na minimum dovoljan za punjenje baterija i rad invertera).

Nedostaci solarnih panela

Naravno, postoje mnogi nedostaci solarnih panela. Osim ovisnosti o vremenu i dobu dana, može se uočiti i sljedeće.

Niska efikasnost. Isti solarni kolektor, uz pravilan izbor oblika i materijala površine, u stanju je apsorbirati gotovo sve sunčevo zračenje koje je na njega palo u gotovo cijelom spektru frekvencija koje nose primjetnu energiju, od dalekog infracrvenog do ultraljubičastog opsega. Solarne baterije, s druge strane, selektivno pretvaraju energiju - za radnu pobudu atoma potrebne su određene energije fotona (frekvencije zračenja), pa je u nekim frekventnim opsezima konverzija vrlo efikasna, dok su drugi frekvencijski opsezi za njih beskorisni. . Osim toga, energija fotona koje su oni zarobljeni koristi se kvantno - njen "višak", koji prelazi potrebnu razinu, ide na zagrijavanje materijala fotokonvertera, što je u ovom slučaju štetno. Na mnogo načina to objašnjava njihovu nisku efikasnost.
Usput, odabir pogrešnog materijala za zaštitni premaz može značajno smanjiti efikasnost baterije. Stvar otežava činjenica da obično staklo prilično dobro apsorbira visokoenergetski ultraljubičasti dio raspona, a za neke vrste fotoćelija je ovaj raspon vrlo relevantan - energija infracrvenih fotona je premala za njih.

Osetljivost na visoke temperature. Sa povećanjem temperature, efikasnost solarnih ćelija, kao i gotovo svih ostalih poluvodičkih uređaja, opada. Na temperaturama iznad 100..125°C uglavnom mogu privremeno izgubiti radnu sposobnost, a još veće zagrijavanje prijeti im nepovratnim oštećenjem. Osim toga, povišena temperatura ubrzava degradaciju solarnih ćelija. Stoga je potrebno poduzeti sve mjere da se smanji grijanje koje je neizbježno pod užarenim direktnim sunčevim zracima. Tipično, proizvođači ograničavaju raspon nominalne radne temperature fotoćelija na +70°..+90°C (što znači zagrijavanje samih ćelija, a temperatura okoline bi, naravno, trebala biti mnogo niža).
Situaciju dodatno komplikuje činjenica da je osjetljiva površina prilično krhkih fotoćelija često prekrivena zaštitnim staklom ili prozirnom plastikom. Ako između zaštitnog poklopca i površine fotoćelije ostane sloj zraka, tada se formira neka vrsta "staklenika", što pogoršava pregrijavanje. Istina, povećanjem udaljenosti između zaštitnog stakla i površine fotoćelije i povezivanjem ove šupljine s atmosferom odozgo i odozdo, moguće je organizirati konvekcijski protok zraka koji prirodno hladi fotoćelije. Međutim, na jakom suncu i pri visokim vanjskim temperaturama to možda neće biti dovoljno, štoviše, ova metoda doprinosi ubrzanom zaprašivanju radne površine fotoćelija. Stoga, solarna baterija, čak i ako nije jako velika, može zahtijevati poseban sistem hlađenja. Iskreno, mora se reći da se takvi sistemi obično lako automatiziraju, a pogon ventilatora ili pumpe troše samo mali dio proizvedene energije. U nedostatku jakog sunca nema mnogo grijanja i uopće nije potrebno hlađenje, tako da se energija ušteđena u pogonu rashladnog sistema može koristiti u druge svrhe. Treba napomenuti da u modernim fabrički proizvedenim panelima zaštitni premaz obično čvrsto prianja na površinu fotoćelija i odvodi toplinu prema van, ali kod samostalnih dizajna, mehanički kontakt sa zaštitnim staklom može oštetiti fotoćeliju.

Osetljivost na neravnomerno osvetljenje. U pravilu, kako bi se dobio napon baterije koji je manje-više pogodan za korištenje (12, 24 ili više volti), fotoćelije se spajaju u serijske lance. Struja u svakom takvom lancu, a time i njegova snaga, određuje najslabija karika - fotoćelija sa najlošijim karakteristikama ili sa najmanje osvjetljenja. Stoga, ako je barem jedan element lanca u sjeni, to značajno smanjuje izlaz cijelog lanca - gubici su nesrazmjerni zasjenjenju (štaviše, u nedostatku zaštitnih dioda, takav element će početi rasipati snagu generiran od strane ostalih elemenata!). Nesrazmjerno smanjenje izlazne snage može se izbjeći samo paralelnim povezivanjem svih fotoćelija, međutim, tada će izlaz baterije imati previše struje pri premalom naponu - obično za pojedinačne fotoćelije to je samo 0,5 .. 0,7 V, ovisno o njihovoj vrsti. i opterećenje.

Osetljivost na zagađenje. Čak i suptilni sloj prljavštine na površini fotonaponskih ćelija ili zaštitnog stakla može apsorbirati značajnu količinu sunčeve svjetlosti i značajno smanjiti proizvodnju energije. U prašnjavom gradu to će zahtijevati često čišćenje površine solarnih nizova, posebno onih postavljenih horizontalno ili pod blagim nagibom. Naravno, isti postupak je neophodan nakon svake snježne padavine, te nakon prašne oluje... Međutim, dalje od gradova, industrijskih područja, prometnih puteva i drugih jakih izvora prašine pod uglom nagiba od 45° ili više, padavine su prilično sposoban da ispere prirodnu prašinu sa površine panela, "automatski" ih održavajući prilično čistima. Da, i snijeg na takvoj padini, osim toga, okrenut prema jugu, čak iu vrlo mraznim danima obično se ne zadržava dugo. Dakle, daleko od izvora atmosferskog zagađenja, solarni paneli mogu uspješno raditi godinama bez ikakvog održavanja, bilo bi sunca na nebu!

Konačno, posljednja, ali najvažnija prepreka širokoj i sveprisutnoj distribuciji fotonaponskih solarnih panela je njihova prilično visoka cijena. Trošak elemenata solarne baterije trenutno iznosi najmanje 1 $/W (1 kW - 1000 $), i to za neefikasne modifikacije bez uzimanja u obzir troškova montaže i ugradnje panela, kao i bez uzimanja u obzir cijene baterije, kontroleri punjenja i invertori (pretvarači proizvedene niskonaponske istosmjerne struje u kućni ili industrijski standard). U većini slučajeva, za minimalnu procjenu stvarnih troškova, ove brojke treba pomnožiti sa 3-5 puta za samomontažu iz pojedinačnih fotoćelija i 6-10 puta za kupovinu gotovih kompleta opreme (plus trošak instalacije) .

Baterije imaju najkraći vek trajanja od svih elemenata PV sistema napajanja, ali proizvođači modernih baterija bez održavanja tvrde da će trajati oko 10 godina u tzv. pražnjenje - ako računate jedan ciklus godišnje).dan, tada će u ovom režimu trajati 3 godine). Napominjem da je cijena baterija obično samo 10-20% ukupne cijene cijelog sistema, a cijena pretvarača i kontrolera punjenja (obojica su složeni elektronski proizvodi, pa stoga postoji određena vjerovatnoća njihovog kvara) - čak manje. Dakle, uzimajući u obzir dug radni vijek i sposobnost dugotrajnog rada bez ikakvog održavanja, fotokonverteri se mogu isplatiti više puta u životu, i to ne samo u udaljenim područjima, već iu naseljenim mjestima - ako su tarife električne energije nastaviti da raste trenutnim tempom!

Solarni termalni kolektori

Naziv "solarni kolektori" dodijeljen je uređajima koji koriste direktno grijanje solarnom toplinom, pojedinačnim i slagavim (modularnim). Najjednostavniji primjer termalnog solarnog kolektora je crni rezervoar za vodu na krovu pomenutog seoskog tuša (inače, efikasnost grijanja vode na ljetnom tušu može se značajno povećati izgradnjom mini staklenika oko rezervoara, na adresi najmanje od plastične folije; poželjno je da između filma i zidova rezervoara odozgo i sa strane postoji razmak od 4-5 cm).

Međutim, moderni kolektori malo liče na takav rezervoar. Obično su to ravne konstrukcije napravljene od tankih pocrnjelih cijevi položenih u obliku rešetke ili zmije. Cijevi se mogu montirati na pocrnjelu toplinski vodljivu podlogu koja zadržava sunčevu toplinu koja ulazi u praznine između njih - to vam omogućava da smanjite ukupnu dužinu cijevi bez gubitka efikasnosti. Da bi se smanjio gubitak topline i povećao grijanje, kolektor se odozgo može prekriti staklenim ili prozirnim celularnim polikarbonatom, a na poleđini ploče za distribuciju topline beskorisni gubitak topline sprječava se slojem toplinske izolacije - a dobija se neka vrsta "staklenika". Zagrijana voda ili druga rashladna tekućina kreće se kroz cijev, koja se može prikupiti u toplinski izoliranom spremniku. Kretanje rashladnog sredstva nastaje pod dejstvom pumpe ili gravitacijom zbog razlike u gustini rashladnog sredstva pre i posle kolektora toplote. U potonjem slučaju, za manje ili više efikasnu cirkulaciju, potreban je pažljiv odabir nagiba i dijelova cijevi i postavljanje samog kolektora što je moguće niže. Ali obično se kolektor postavlja na ista mjesta kao i solarna baterija - na sunčanom zidu ili na sunčanoj padini krova, iako se negdje mora postaviti dodatni spremnik. Bez takvog spremnika, s intenzivnim odvođenjem topline (recimo, ako trebate napuniti kadu ili se istuširati), kapacitet kolektora možda neće biti dovoljan, a nakon kratkog vremena iz slavine će teći blago zagrijana voda.

Zaštitno staklo, naravno, donekle umanjuje efikasnost kolektora, apsorbujući i reflektujući nekoliko procenata sunčeve energije, čak i ako zraci padaju okomito. Kada zraci udare u staklo pod blagim uglom u odnosu na površinu, koeficijent refleksije može se približiti 100%. Stoga, u nedostatku vjetra i potrebi za samo blagim zagrijavanjem u odnosu na okolni zrak (za 5-10 stepeni, recimo, za zalijevanje bašte), „otvorene“ strukture mogu biti efikasnije od „zastakljenih“. Ali čim je potrebna temperaturna razlika od nekoliko desetina stupnjeva, ili ako čak i ne jako jak vjetar poraste, gubitak topline otvorenih konstrukcija se brzo povećava, a zaštitno staklo, sa svim svojim nedostacima, postaje neophodno.

Važna napomena - mora se imati na umu da se po toplom sunčanom danu, ako nema analize, voda može pregrijati iznad tačke ključanja, stoga se moraju poduzeti odgovarajuće mjere opreza u dizajnu kolektora (obezbediti sigurnosni ventil ). U otvorenim kolektorima bez zaštitnog stakla takvog pregrijavanja se obično ne može bojati.

U posljednje vrijeme, solarni kolektori zasnovani na takozvanim toplotnim cijevima (ne treba ih brkati sa "toplotnim cijevima" koje se koriste za odvođenje topline u sistemima za hlađenje računara) počinju da se široko koriste. Za razliku od gore opisanog dizajna, ovdje je svaka zagrijana metalna cijev, kroz koju cirkulira rashladna tekućina, zalemljena unutar staklene cijevi, a zrak se ispumpava iz otvora između njih. Ispada analog termosa, gdje se, zbog vakuumske toplinske izolacije, gubici topline smanjuju 20 puta ili više. Kao rezultat toga, prema proizvođačima, kada je mraz izvan stakla -35°C, voda u unutrašnjoj metalnoj cijevi sa posebnim premazom koji apsorbira najširi mogući spektar sunčevog zračenja zagrijava se do +50..+70 °C (razlika preko 100°C). Efikasna apsorpcija u kombinaciji sa odličnom toplotnom izolacijom omogućava zagrevanje rashladne tečnosti čak i po oblačnom vremenu, iako je grejna snaga, naravno, višestruko manja nego pri jakom suncu. Ključna stvar ovdje je osigurati očuvanje vakuuma u procjepu između cijevi, odnosno vakuumske nepropusnosti spoja stakla i metala, u vrlo širokom temperaturnom rasponu, koji dostiže 150°C, tokom cijelog vijeka trajanja. dugi niz godina. Iz tog razloga, u proizvodnji ovakvih kolektora ne može se bez pažljive koordinacije koeficijenata toplinskog širenja stakla i metala i visokotehnoloških proizvodnih procesa, što znači da je malo vjerovatno da se može napraviti punopravna vakuumska toplinska cijev. izrađene u zanatskim uslovima. Ali jednostavniji dizajn kolektora izrađuje se samostalno bez problema, iako je, naravno, njihova efikasnost nešto manja, posebno zimi.

Osim gore opisanih tečnih solarnih kolektora, postoje i druge zanimljive vrste konstrukcija: zrak (rashladno sredstvo je zrak i ne boji se smrzavanja), „solarni ribnjaci“ itd. Nažalost, većina istraživanja i razvoja solarnih kolektora je posebno posvećen tekućim modelima, pa se alternativne vrste praktički ne masovno proizvode i nema toliko informacija o njima.

Prednosti solarnih kolektora

Najvažnija prednost solarnih kolektora je jednostavnost i relativna jeftinost proizvodnje njihovih prilično učinkovitih opcija, u kombinaciji s nepretencioznošću u radu. Minimum potreban za izradu kolektora vlastitim rukama je nekoliko metara tanke cijevi (po mogućnosti bakrene cijevi tankih stijenki - može se savijati s minimalnim radijusom) i malo crne boje, barem bitumenskog laka. Savijamo cijev zmijom, bojimo je crnom bojom, postavljamo na sunčano mjesto, spajamo na vodovod i sada je spreman najjednostavniji solarni kolektor! U isto vrijeme, zavojnici se lako može dati gotovo bilo koja konfiguracija i maksimalno iskoristiti sav prostor dodijeljen kolektoru. Najefikasnije zacrnjenje koje se može primeniti kod kuće, a koje je takođe veoma otporno na visoke temperature i direktnu sunčevu svetlost je tanak sloj čađi. Međutim, čađ se lako briše i ispere, stoga će za takvo zacrnjenje biti potrebno zaštitno staklo i posebne mjere za sprječavanje mogućeg prodora kondenzata na površinu prekrivenu čađom.

Još jedna bitna prednost kolektora je ta što su, za razliku od solarnih panela, u stanju uhvatiti i pretvoriti u toplinu do 90% sunčevog zračenja koje ih je pogodilo, au najuspješnijim slučajevima i više. Stoga, ne samo pri vedrom vremenu, već iu maloj oblačnosti, efikasnost kolektora je veća od efikasnosti fotonaponskih baterija. Konačno, za razliku od fotonaponskih baterija, neravnomjerno osvjetljenje površine ne uzrokuje nesrazmjerno smanjenje efikasnosti kolektora – važan je samo ukupni (integralni) fluks zračenja.

Nedostaci solarnih kolektora

Ali solarni kolektori su osjetljiviji na vremenske prilike od solarnih panela. Čak i na jakom suncu, svjež vjetar može višestruko smanjiti efikasnost grijanja otvorenog izmjenjivača topline. Zaštitno staklo, naravno, drastično smanjuje gubitak toplote od vjetra, ali je u slučaju gustih oblaka i nemoćno. Po oblačnom vjetrovitom vremenu, praktički nema smisla od kolektora, a solarna baterija proizvodi barem nešto energije.

Među ostalim nedostacima solarnih kolektora, prije svega, istaći ću njihovu sezonskost. Kratki proljetni ili jesenji noćni mrazevi su dovoljni da led koji se stvorio u cijevima grijača stvori opasnost od njihovog pucanja. Naravno, to se može eliminirati grijanjem "staklenika" sa zavojnicom sa vanjskim izvorom topline u hladnim noćima, međutim, u ovom slučaju, ukupna energetska efikasnost kolektora lako može postati negativna! Druga opcija - kolektor s dvostrukim krugom s antifrizom u vanjskom krugu - neće zahtijevati potrošnju energije za grijanje, ali će biti mnogo kompliciranije od opcija s jednim krugom s direktnim grijanjem vode, kako u proizvodnji tako i tijekom rada. Zračne konstrukcije se u principu ne mogu smrznuti, ali postoji još jedan problem - niska specifična toplina zraka.

Pa ipak, možda je glavni nedostatak solarnog kolektora to što je on upravo uređaj za grijanje, i iako industrijski proizvedeni uzorci, u nedostatku toplinske analize, mogu zagrijati rashladnu tekućinu do 190..200 °C, temperatura obično dostiže rijetko prelazi 60..80 °C. Zbog toga je veoma teško iskoristiti ekstrahovanu toplotu za dobijanje značajnih količina mehaničkog rada ili električne energije. Uostalom, čak i za rad najniže temperature parne vodene turbine (na primjer, one koju je jednom opisao V.A. Zysin), potrebno je pregrijati vodu na najmanje 110 ° C! Ali direktno u obliku topline, energija se, kao što znate, ne pohranjuje dugo vremena, pa čak i na temperaturi manjoj od 100 ° C, obično se može koristiti samo u opskrbi toplom vodom i grijanju kuće. Međutim, s obzirom na nisku cijenu i lakoću proizvodnje, ovo može biti dovoljno dobar razlog da nabavite vlastiti solarni kolektor.

Pošteno radi, treba napomenuti da se "normalni" radni ciklus toplotnog motora može organizirati i na temperaturama ispod 100°C - bilo ako se temperatura ključanja snizi snižavanjem tlaka u dijelu isparivača ispumpavanjem pare odatle. , ili korištenjem tekućine čija tačka ključanja leži između temperature grijanja solarnog kolektora i temperature okoline (optimalno - 50..60°C). Istina, mogu se sjetiti samo jedne neegzotične i relativno sigurne tekućine koja manje-više zadovoljava ove uvjete - to je etil alkohol, koji ključa na 78 ° C u normalnim uvjetima. Očigledno je da ćete u ovom slučaju svakako morati organizirati zatvoreni ciklus, rješavajući mnoge povezane probleme. U nekim situacijama može biti obećavajuće korištenje motora sa vanjskim grijanjem (Stirling motori). S tim u vezi, upotreba legura s efektom memorije oblika, koja je opisana na ovoj stranici u članku I.V.

Koncentracija sunčeve energije

Povećanje efikasnosti solarnog kolektora prvenstveno se sastoji u stalnom porastu temperature zagrijane vode iznad tačke ključanja. Za to se obično koristi koncentracija sunčeve energije na kolektoru pomoću ogledala. Upravo ovaj princip je u osnovi većine solarnih elektrana, a razlike su samo u broju, konfiguraciji i rasporedu ogledala i kolektora, kao i u načinu upravljanja ogledalima. Kao rezultat toga, u tački fokusa, sasvim je moguće postići temperaturu ne čak ni stotina, već hiljada stepeni - na ovoj temperaturi već može doći do direktnog termičkog razlaganja vode na vodik i kisik (nastali vodik se može spaliti noću i oblačnim danima)!

Nažalost, efikasan rad takve instalacije je nemoguć bez složenog sistema upravljanja za ogledala koncentratora, koja moraju pratiti stalno promjenljivu poziciju Sunca na nebu. U suprotnom, nakon nekoliko minuta, tačka fokusa će napustiti kolektor, koji u takvim sistemima često ima vrlo male dimenzije, a zagrijavanje radnog fluida će prestati. Čak i korištenje paraboloidnih ogledala rješava problem samo djelomično - ako se povremeno ne okreću za Suncem, onda za nekoliko sati više neće padati u njihovu zdjelu ili će samo osvjetljavati njen rub - od toga će biti malo smisla.

Najlakši način za koncentrisanje sunčeve energije u "kućnim" uslovima je postavljanje ogledala horizontalno blizu kolektora tako da veći dio dana "sunčeva zraka" pada na kolektor. Zanimljiva opcija je korištenje površine rezervoara posebno stvorene u blizini kuće kao takvog ogledala, pogotovo ako nije običan rezervoar, već „solarni ribnjak“ (iako to nije lako učiniti, a efikasnost refleksije će biti mnogo manji od onog kod konvencionalnog ogledala). Dobar rezultat može se postići stvaranjem sistema vertikalnih glavčina ogledala (ovaj poduhvat je obično mnogo problematičniji, ali u nekim slučajevima može biti sasvim opravdano jednostavno ugraditi veliko ogledalo na susjedni zid ako formira unutrašnji ugao sa kolektor - sve ovisi o konfiguraciji i lokaciji zgrade i kolektora).

Preusmjeravanje sunčevog zračenja pomoću ogledala također može povećati izlaz fotonaponskog niza. Ali u isto vrijeme, njegovo zagrijavanje se povećava i može onemogućiti bateriju. Stoga se u ovom slučaju morate ograničiti na relativno mali dobitak (za nekoliko desetina posto, ali ne na trenutke), a morate pažljivo kontrolirati temperaturu baterije, posebno u vrućim, vedrim danima! Upravo zbog opasnosti od pregrijavanja neki proizvođači fotonaponskih baterija izričito zabranjuju rad svojih proizvoda uz pojačano osvjetljenje stvoreno uz pomoć dodatnih reflektora.

Pretvaranje solarne energije u mehaničku

Tradicionalni tipovi solarnih instalacija ne uključuju direktno dobijanje mehaničkih radova. Da biste to učinili, električni motor mora biti spojen na solarnu bateriju na fotokonverterima, a kada se koristi termalni solarni kolektor, pregrijana para (a malo je vjerovatno da će to biti moguće bez zrcalnih koncentratora za pregrijavanje) mora se dovoditi u ulaz parne turbine ili u cilindre parne mašine. Razdjelnici s relativno malo topline mogu pretvoriti toplinu u mehaničko kretanje na egzotičnije načine, kao što su aktuatori legure s memorijom oblika.

Međutim, postoje instalacije koje uključuju pretvaranje sunčeve topline u mehanički rad, direktno ugrađene u njihov dizajn. Štaviše, njihove veličine i snaga su veoma različite - ovo je projekat ogromnog solarnog tornja visokog stotina metara i skromne solarne pumpe, koja je mesto za vikendicu.

Sunce je neiscrpan, ekološki siguran i jeftin izvor energije. Prema mišljenju stručnjaka, količina sunčeve energije koja dospe na površinu Zemlje tokom jedne sedmice premašuje energiju svih svjetskih rezervi nafte, plina, uglja i uranijuma 1 . Prema riječima akademika Zh.I. Alferov, „čovječanstvo ima pouzdan prirodni termonuklearni reaktor - Sunce. To je zvijezda klase Zh-2, vrlo prosječna, kojih u Galaksiji ima i do 150 milijardi. Ali ovo je naša zvijezda i šalje ogromne moći na Zemlju, čija nam transformacija omogućava da zadovoljimo gotovo sve energetske potrebe čovječanstva za mnogo stotina godina.” Štaviše, solarna energija je „čista“ i nema negativan uticaj na ekologiju planete 2 .

Važna stvar je činjenica da je sirovina za proizvodnju solarnih ćelija jedan od najčešćih elemenata - silicij. U zemljinoj kori silicijum je drugi element nakon kiseonika (29,5% mase) 3 . Prema mnogim naučnicima, silicijum je "ulje dvadeset prvog veka": za 30 godina jedan kilogram silicijuma u fotonaponskoj elektrani proizvede toliko električne energije kao 75 tona nafte u termoelektrani.

Međutim, neki stručnjaci smatraju da se solarna energija ne može nazvati ekološki prihvatljivom zbog činjenice da je proizvodnja čistog silicija za fotonaponske uređaje vrlo „prljava“ i energetski vrlo intenzivna proizvodnja. Uz to, izgradnja solarnih elektrana zahtijeva dodjelu ogromnog zemljišta, po površini uporedivo sa hidroakumulacijama. Još jedan nedostatak solarne energije, prema mišljenju stručnjaka, je visoka volatilnost. Osiguranje efikasnog rada energetskog sistema čiji su elementi solarne elektrane moguće je pod uslovom:
- prisustvo značajnih rezervnih kapaciteta koristeći tradicionalne energente koji se mogu priključiti noću ili oblačnim danima;
- sprovođenje obimne i skupe modernizacije elektroenergetskih mreža 4 .

Uprkos ovom nedostatku, solarna energija nastavlja svoj razvoj u svijetu. Prije svega, s obzirom na to da će energija zračenja pojeftiniti i za nekoliko godina biti značajna konkurencija nafti i plinu.

U ovom trenutku u svijetu postoje fotonaponskih instalacija, pretvaranje sunčeve energije u električnu na osnovu metode direktne konverzije, i termodinamičke instalacije, u kojem se sunčeva energija prvo pretvara u toplinu, zatim se u termodinamičkom ciklusu toplotnog motora pretvara u mehaničku energiju, a u generatoru se pretvara u električnu energiju.

Solarne ćelije kao izvor energije mogu se koristiti:
- u industriji (avioindustrija, automobilska industrija, itd.),
- u poljoprivredi,
- u sektoru domaćinstava,
- u građevinskoj industriji (na primjer, eko kuće),
- u solarnim elektranama,
- u autonomnim sistemima video nadzora,
- u autonomnim sistemima osvetljenja,
- u svemirskoj industriji.

Prema Institutu za energetsku strategiju, teoretski potencijal solarne energije u Rusiji je više od 2.300 milijardi tona standardnog goriva, ekonomski potencijal je 12,5 miliona tona ekvivalenta goriva. Potencijal solarne energije da tri dana uđe na teritoriju Rusije premašuje energiju cjelokupne godišnje proizvodnje električne energije u našoj zemlji.
Zbog položaja Rusije (između 41 i 82 stepena severne geografske širine), nivo sunčevog zračenja značajno varira: od 810 kWh/m 2 godišnje u udaljenim severnim regionima do 1400 kWh/m 2 godišnje u južnim regionima. Velike sezonske fluktuacije utiču i na nivo sunčevog zračenja: na širini od 55 stepeni sunčevo zračenje u januaru iznosi 1,69 kWh/m 2, au julu - 11,41 kWh/m 2 dnevno.

Potencijal solarne energije najveći je na jugozapadu (Sjeverni Kavkaz, područje Crnog i Kaspijskog mora) i u južnom Sibiru i Dalekom istoku.

Regije koje najviše obećavaju u pogledu korišćenja solarne energije: Kalmikija, Stavropoljska teritorija, Rostovska oblast, Krasnodarska oblast, Volgogradska oblast, Astrahanska oblast i drugi regioni na jugozapadu, Altaj, Primorje, Čita oblast, Burjatija i drugi regioni na jugoistoku . Štaviše, neka područja zapadnog i istočnog Sibira i Dalekog istoka premašuju nivo sunčevog zračenja u južnim regionima. Tako, na primjer, u Irkutsku (52 stepena sjeverne geografske širine) nivo sunčevog zračenja dostiže 1340 kWh/m2, dok je u Republici Jakutija-Sakha (62 stepena sjeverne geografske širine) ova brojka 1290 kWh/m2. 5

Trenutno Rusija ima napredne tehnologije za pretvaranje solarne energije u električnu energiju. Postoji niz preduzeća i organizacija koje su razvile i unapređuju tehnologiju fotoelektričnih pretvarača: kako na silicijumskim tako i na višespojnim strukturama. Postoji niz razvoja u korištenju sistema za koncentraciju za solarne elektrane.

Zakonodavni okvir za podršku razvoju solarne energije u Rusiji je u povojima. Međutim, prvi koraci su već napravljeni:
- 3. jula 2008. godine: Uredba Vlade br. 426 „O kvalifikaciji proizvodnog objekta koji radi na osnovu korišćenja obnovljivih izvora energije“;
- 8. januara 2009. godine: Uredba Vlade Ruske Federacije br. 1-r „O glavnim pravcima državne politike u oblasti povećanja energetske efikasnosti elektroprivrede na osnovu korišćenja obnovljivih izvora energije za period do do 2020"

Odobreni su ciljevi da se do 2015. i 2020. godine poveća udio OIE u ukupnom nivou ruskog energetskog bilansa na 2,5%, odnosno 4,5% 6 .

Prema različitim procjenama, u ovom trenutku u Rusiji ukupni kapacitet solarne proizvodnje pušten u rad nije veći od 5 MW, od čega većina otpada na domaćinstva. Najveći industrijski objekat u ruskoj solarnoj elektrani je solarna elektrana snage 100 kW koja je puštena u rad u Belgorodskoj oblasti 2010. godine (za poređenje, najveća solarna elektrana na svetu nalazi se u Kanadi sa kapacitetom od 80.000 kW).

U Rusiji se trenutno realizuju dva projekta: izgradnja solarnih parkova u Stavropoljskoj teritoriji (kapacitet - 12 MW) i u Republici Dagestan (10 MW) 7 . Uprkos nedostatku podrške za obnovljive izvore energije, određeni broj kompanija implementira male projekte u oblasti solarne energije. Na primjer, Sakhaenergo je instalirao malu stanicu u Jakutiji kapaciteta 10 kW.

U Moskvi postoje male instalacije: u Leontjevskoj ulici i na Mičurinskom prospektu, ulazi i dvorišta nekoliko kuća su osvetljeni pomoću solarnih modula, što je smanjilo troškove osvetljenja za 25%. U ulici Timiryazevskaya, na krovu jedne od autobuskih stanica postavljeni su solarni paneli koji obezbeđuju referentni i informacioni transportni sistem i Wi-Fi.

Razvoj solarne energije u Rusiji uzrokovan je nizom faktora:

1) klimatski uslovi: ovaj faktor ne utiče samo na godinu postizanja pariteta mreže, već i na izbor tehnologije solarne instalacije koja je najprikladnija za određeni region;

2)državna podrška: prisustvo zakonski utvrđenih ekonomskih podsticaja za solarnu energiju je od ključnog značaja za
njegov razvoj. Među vrstama državne potpore koje se uspješno koriste u nizu europskih zemalja i SAD-a mogu se izdvojiti: fid-in tarifa za solarne elektrane, subvencije za izgradnju solarnih elektrana, razne mogućnosti poreznih olakšica, kompenzacije za dio troškova servisiranja kredita za kupovinu solarnih instalacija;

3)cijena SFEU (solarne fotonaponske instalacije): Danas su solarne elektrane jedna od najskupljih tehnologija za proizvodnju električne energije u upotrebi. Međutim, kako se cijena 1 kWh proizvedene električne energije smanjuje, solarna energija postaje konkurentna. Potražnja za SPPM-om zavisi od smanjenja cijene 1W instaliranog kapaciteta SPPM-a (~3.000 USD u 2010.). Smanjenje troškova postiže se povećanjem efikasnosti, smanjenjem tehnoloških troškova i smanjenjem rentabilnosti proizvodnje (uticaj konkurencije). Potencijal za smanjenje troškova 1 kW snage zavisi od tehnologije i kreće se od 5% do 15% godišnje;

4) ekološki standardi: na tržište solarne energije može pozitivno uticati pooštravanje ekoloških propisa (ograničenja i kazne) zbog moguće revizije Protokola iz Kjota. Unapređenje mehanizama za prodaju emisionih dozvola može dati novi ekonomski podsticaj tržištu SFE;

5) bilans potražnje i ponude električne energije: realizacija postojećih ambicioznih planova za izgradnju i rekonstrukciju proizvodne i elektroenergetske mreže
kapacitet kompanija izdvojenih iz RAO "UES Rusije" u toku reforme industrije, značajno će povećati snabdevanje električnom energijom i može povećati pritisak na cenu
na veletržnici. Međutim, penzionisanje starih kapaciteta i istovremeno povećanje tražnje će dovesti do povećanja cijene;

6)prisustvo problema sa tehnološkim povezivanjem: kašnjenja u ispunjavanju zahtjeva za tehnološko povezivanje na centralizirani sistem napajanja poticaj su za prelazak na alternativne izvore energije, uključujući SFEU. Ovakva kašnjenja su uslovljena kako objektivnim nedostatkom kapaciteta, tako i neefikasnošću organizovanja tehnološkog povezivanja od strane mrežnih kompanija ili nedostatkom finansiranja tehnološkog povezivanja iz tarife;

7) inicijative lokalne samouprave: regionalne i općinske vlasti mogu implementirati vlastite programe za razvoj solarne energije ili, općenito, obnovljivih/netradicionalnih izvora energije. Danas se takvi programi već provode u Krasnojarskim i Krasnodarskim teritorijama, Republici Burjatiji itd.;

8) razvoj vlastite proizvodnje: Ruska proizvodnja SFEU može imati pozitivan uticaj na razvoj ruske potrošnje solarne energije. Prvo, zbog vlastite proizvodnje raste opća svijest stanovništva o dostupnosti solarnih tehnologija i njihovoj popularnosti. Drugo, trošak SFEM-a za krajnje korisnike se smanjuje smanjenjem međukarika distributivnog lanca i smanjenjem transportne komponente 8 .

6 http://www.ng.ru/energy/2011-10-11/9_sun_energy.html
7 Organizator je Hevel LLC, čiji su osnivači Grupa kompanija Renova (51%) i Državna korporacija Ruska korporacija za nanotehnologije (49%).

Sunce zrači ogromnu količinu energije - otprilike 1,1x1020 kWh u sekundi. Kilovat sat je količina energije potrebna da sijalica sa žarnom niti od 100 vati radi 10 sati. Zemljina vanjska atmosfera presreće otprilike milioniti dio energije koju emituje Sunce, ili otprilike 1500 kvadriliona (1,5 x 1018) kWh godišnje. Međutim, zbog refleksije, raspršivanja i apsorpcije atmosferskih plinova i aerosola, samo 47% ukupne energije, ili otprilike 700 kvadriliona (7 x 1017) kWh, dospijeva na površinu Zemlje.

Sunčevo zračenje u Zemljinoj atmosferi dijeli se na takozvano direktno zračenje i raspršeno česticama zraka, prašine, vode itd. sadržanih u atmosferi. Njihov zbir čini ukupno sunčevo zračenje. Količina energije koja pada po jedinici površine u jedinici vremena zavisi od više faktora:

• geografska širina
• lokalne klimatske sezone u godini
• ugao nagiba površine u odnosu na sunce.

Vrijeme i geografska lokacija

Količina sunčeve energije koja pada na površinu Zemlje mijenja se zbog kretanja Sunca. Ove promjene zavise od doba dana i godišnjeg doba. Obično više sunčevog zračenja pogađa Zemlju u podne nego rano ujutro ili kasno navečer. U podne je Sunce visoko iznad horizonta, a dužina puta Sunčevih zraka kroz Zemljinu atmosferu je smanjena. Posljedično, manje sunčevog zračenja se raspršuje i apsorbira, što znači da više dolazi do površine.

Količina sunčeve energije koja dopire do površine Zemlje razlikuje se od prosječne godišnje vrijednosti: zimi - manje od 0,8 kWh/m2 dnevno u sjevernoj Evropi i više od 4 kWh/m2 dnevno ljeti u ovoj istoj regiji. Razlika se smanjuje kako se približavate ekvatoru.

Količina sunčeve energije također ovisi o geografskoj lokaciji lokacije: što je bliže ekvatoru, to je veća. Na primjer, prosječni godišnji ukupni upad sunčevog zračenja na horizontalnu površinu iznosi: u Centralnoj Evropi, Centralnoj Aziji i Kanadi - približno 1000 kWh/m2; na Mediteranu - oko 1700 kWh/m2; u većini pustinjskih regija Afrike, Bliskog istoka i Australije, približno 2200 kWh/m2.

Dakle, količina sunčevog zračenja značajno varira u zavisnosti od doba godine i geografske lokacije (vidi tabelu). Ovaj faktor se mora uzeti u obzir kada se koristi solarna energija.

	Južna Evropa	Centralna Evropa	Sjeverna Evropa	Caribbean region
Januar	2,6	1,7	0,8	5,1
februar	3,9	3,2	1,5	5,6
mart	4,6	3,6	2,6	6,0
april	5,9	4,7	3,4	6,2
maja	6,3	5,3	4,2	6,1
juna	6,9	5,9	5,0	5,9
jula	7,5	6,0	4,4	6,0
avgust	6,6	5,3	4,0	6,1
septembra	5,5	4,4	3,3	5,7
oktobar	4,5	3,3	2,1	5,3
novembar	3,0	2,1	1,2	5,1
decembar	2,7	1,7	0,8	4,8
GODINA	5,0	3,9	2,8	5,7

Uticaj oblaka na sunčevu energiju

Količina sunčevog zračenja koja dopire do površine Zemlje zavisi od različitih atmosferskih pojava i položaja Sunca kako tokom dana tako i tokom cijele godine. Oblaci su glavni atmosferski fenomen koji određuje količinu sunčevog zračenja koja dopire do površine Zemlje. U bilo kojoj tački na Zemlji, sunčevo zračenje koje dopire do površine Zemlje opada sa povećanjem oblačnosti. Posljedično, zemlje s pretežno oblačnim vremenom primaju manje sunčevog zračenja nego pustinje, gdje je vrijeme uglavnom bez oblaka.

Na formiranje oblaka utiče prisustvo lokalnih karakteristika kao što su planine, mora i okeani, kao i velika jezera. Stoga se količina sunčevog zračenja primljena u ovim područjima i regijama uz njih može razlikovati. Na primjer, planine mogu primiti manje sunčevog zračenja od susjednih podnožja i ravnica. Vjetrovi koji duvaju prema planinama uzrokuju podizanje dijela zraka i, hladeći vlagu u zraku, formiraju oblake. Količina sunčevog zračenja u obalnim područjima također se može razlikovati od onih zabilježenih u područjima koja se nalaze u unutrašnjosti.

Količina sunčeve energije koja se prima tokom dana u velikoj meri zavisi od lokalnih atmosferskih pojava. U podne uz vedro nebo, totalna solarna

zračenje koje pada na horizontalnu površinu može dostići (npr. u srednjoj Evropi) vrednost od 1000 W/m2 (u veoma povoljnim vremenskim uslovima ova cifra može biti veća), dok je u veoma oblačnom vremenu ispod 100 W/m2 čak i pri podne.

Efekti zagađenja atmosfere na solarnu energiju

Antropogeni i prirodni fenomeni također mogu ograničiti količinu sunčevog zračenja koja dopire do površine Zemlje. Urbani smog, dim šumskih požara i vulkanski pepeo u zraku smanjuju upotrebu sunčeve energije povećavajući disperziju i apsorpciju sunčevog zračenja. Odnosno, ovi faktori imaju veći uticaj na direktno sunčevo zračenje nego na ukupno. Uz ozbiljno zagađenje zraka, na primjer, smogom, direktno zračenje se smanjuje za 40%, a ukupno - samo za 15-25%. Jaka vulkanska erupcija može smanjiti, i to na velikoj površini Zemljine površine, direktno sunčevo zračenje za 20%, a ukupno - za 10% u periodu od 6 mjeseci do 2 godine. Sa smanjenjem količine vulkanskog pepela u atmosferi, učinak slabi, ali proces potpunog oporavka može potrajati nekoliko godina.

Potencijal solarne energije

Sunce nam daje 10.000 puta više besplatne energije nego što se stvarno koristi širom svijeta. Samo globalno komercijalno tržište kupuje i prodaje nešto manje od 85 triliona (8,5 x 1013) kWh energije godišnje. Budući da je nemoguće pratiti cijeli proces, nije moguće sa sigurnošću reći koliko ljudi troše nekomercijalne energije (na primjer, koliko se drva i gnojiva skupi i spali, koliko vode se koristi za proizvodnju mehaničkih ili električnih energija). Neki stručnjaci procjenjuju da takva nekomercijalna energija čini jednu petinu ukupne potrošnje energije. Ali čak i ako je to tačno, onda je ukupna energija koju čovječanstvo potroši tokom godine samo otprilike jedan sedamhiljaditi dio sunčeve energije koja pogodi površinu Zemlje u istom periodu.

U razvijenim zemljama, kao što su SAD, potrošnja energije iznosi približno 25 triliona (2,5 x 1013) kWh godišnje, što odgovara više od 260 kWh po osobi dnevno. Ovo je ekvivalent pokretanju više od 100 sijalica sa žarnom niti od 100 W dnevno tokom cijelog dana. Prosječan američki građanin troši 33 puta više energije od Indijca, 13 puta više od Kineza, dva i po puta više od Japanca i dvostruko više od Šveđanina.

Količina sunčeve energije koja dopire do površine Zemlje je višestruko veća od njene potrošnje, čak i u zemljama poput Sjedinjenih Država, gdje je potrošnja energije ogromna. Kada bi se samo 1% teritorije zemlje koristio za instaliranje solarne opreme (fotonaponskih panela ili solarnih sistema tople vode) koja bi radila sa efikasnošću od 10%, tada bi SAD bile u potpunosti opskrbljene energijom. Isto se može reći i za sve ostale razvijene zemlje. Međutim, u određenom smislu, to je nerealno – prvo, zbog visoke cijene fotonaponskih sistema, a drugo, nemoguće je pokriti tako velika područja solarnom opremom bez štete po ekosistem. Ali sam princip je tačan.

Istu površinu moguće je pokriti disperzirajućim instalacijama na krovovima zgrada, na kućama, uz rubove puteva, na unaprijed određenim površinama zemljišta, itd. Osim toga, u mnogim zemljama već je više od 1% zemljišta dodijeljeno za vađenje, konverziju, proizvodnju i transport energije. A budući da je većina ove energije neobnovljiva u razmjerima ljudskog postojanja, ova vrsta proizvodnje energije je mnogo štetnija za okoliš od solarnih sistema.