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

4.1.1. Procjena bruto energetskog resursa (potencijala) sunčeve energije

Analiza čimbenika koji utječu 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. Iznimno je teško procijeniti koliko nekomercijalne energije čovječanstvo troši. Neki stručnjaci vjeruju da je nekomercijalna komponenta blizu 20% ukupne potrošene energije.

Potrošnja električne energije u Rusiji kao cjelini u 2015. godini iznosila je 1.036∙103 milijarde kWh.Ruska Federacija ima ogroman bruto resurs korištenje sunčeve energije. Energija ukupnog godišnjeg sunčevog zračenja koje pada na horizontalnu površinu teritorija naše zemlje iznosi oko 20,743∙106 milijardi kWh/god, što oko 20 000 puta premašuje potrebe za energijom.

Ozračivanje zemljine površine sunčevim zračenjem, koje ima svjetlosno, toplinsko i baktericidno djelovanje, 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 središta Sunca (to jest, izvan Zemljine atmosfere), jednako je 1367 W / m 2 - solarna konstanta.

Zbog apsorpcije od strane Zemljine atmosfere, maksimalni tok sunčevog zračenja na razini mora iznosi 1020 W/m 2 . No treba uzeti u obzir da je prosječna dnevna vrijednost toka sunčevog zračenja kroz pojedino područje najmanje tri puta manja (zbog izmjene dana i noći i promjene kuta sunca iznad horizonta) . Zimi, u umjerenim geografskim širinama, ova vrijednost je dva puta manja. Ova količina energije po jedinici površine određuje mogućnosti sunčeve energije. Izgledi za proizvodnju solarne energije također se smanjuju zbog globalnog zatamnjenja, smanjenja sunčevog zračenja koje dopire do Zemljine površine uzrokovano čovjekom.

Ukupno Sunčevo zračenje u Zemljinoj atmosferi sastoji se od izravno i raspršeno zračenje . Količina energije koja pada po jedinici površine u jedinici vremena ovisi o:

- zemljopisna širina područja,

– lokalna klima i doba godine,

- gustoća, vlažnost i stupanj onečišćenja atmosferskog zraka,

– godišnje i dnevno kretanje Zemlje,

- prirodu zemljine površine,

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

Atmosfera apsorbira dio Sunčeve energije. Što je duži put sunčeve svjetlosti u atmosferi, manje izravne sunčeve energije dopire do zemljine površine. Kada je Sunce u zenitu (upadni kut zraka je 90°), njegove zrake najkraćim putem pogađaju Zemlju i intenzivno odaju svoju energiju malom području. Na Zemlji se to događa oko ekvatora u tropima. Kako se udaljavate od ove zone prema jugu ili sjeveru, duljina puta sunčevih zraka se povećava, a kut njihovog upada na površinu zemlje smanjuje. Kao rezultat:

povećan gubitak energije u zraku,

Sunčevo zračenje je raspoređeno na velikom području,

smanjenje količine izravne energije koja pada na jedinicu površine, i

povećanje udjela raspršenog zračenja.

Osim toga, duljina dana u različito doba godine ovisi i o zemljopisnoj širini područja, što također određuje količinu sunčevog zračenja koje ulazi na zemljinu površinu. Važan faktor koji određuje potencijal sunčeve energije je trajanje sunčevog zračenja tijekom godine (slika 4.1).

Riža. 4.1. Trajanje sijanja sunca u Rusiji, sat/godina

Za područja visoke geografske širine, 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 sijanja sunca varira od 0 sati u prosincu do 200-300 sati u lipnju i srpnju, s godišnjim trajanjem od oko 1200-1600 sati. Na sjeveru zemlje količina sunčeve energije koja zimi dopire do površine Zemlje razlikuje se 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 razine sunčevog zračenja u sjevernim i južnim regijama Rusije vrlo različite, tada se pokazatelji ljetne insolacije na tim teritorijima zbog dugog dnevnog svjetla na sjevernim geografskim širinama pokazuju prilično usporedivi. Međutim, zbog manjeg godišnjeg trajanja sunčevog sjaja, cirkumpolarna područja su inferiorna u ukupnom sunčevom zračenju u odnosu na područja srednjeg pojasa i juga, odnosno 1,3 odnosno 1,7 puta.

Klimatski uvjeti na određenom području određuju trajanje i razinu naoblake u regiji, vlažnost i gustoću zraka. Oblaci su glavni atmosferski fenomen koji smanjuje količinu sunčeve energije koja dopire do površine Zemlje. Na njihovo formiranje utječu takve značajke lokalnog reljefa kao što su planine, mora i oceani, kao i velika jezera. Stoga se količina sunčevog zračenja primljena u tim područjima i regijama uz njih može razlikovati.

Priroda zemljine površine i terena također utječe na njenu refleksivnost. Sposobnost površine da reflektira zračenje naziva se 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 pri visini Sunca 20 0 - 78 %. Reflektirano zračenje povećava komponentu raspršenog zračenja.

Antropogeno i prirodno onečišćenje atmosfere također može ograničiti količinu sunčevog zračenja koje može doprijeti do površine Zemlje. Urbani smog, dim od šumskih požara i vulkanski pepeo u zraku smanjuju korištenje sunčeve energije povećanjem disperzije i apsorpcije sunčevog zračenja. Ti čimbenici imaju veći utjecaj na izravno sunčevo zračenje nego na ukupno. S teškim onečišćenjem zraka, na primjer, smogom, izravno zračenje smanjuje se za 40%, a ukupno - samo za 15-25%. Snažna vulkanska erupcija može smanjiti, a na velikoj površini Zemljine površine, izravno sunčevo zračenje za 20%, a ukupno - za 10% u razdoblju od 6 mjeseci do 2 godine. Sa smanjenjem količine vulkanskog pepela u atmosferi, učinak slabi, ali proces potpunog oporavka može trajati nekoliko godina.

Količina sunčeve energije koja pada na primajuću površinu također se mijenja kada se položaj Sunca mijenja tijekom dana u različitim mjesecima u godini. Obično više sunčevog zračenja pada na Zemlju u podne nego rano ujutro ili kasno navečer. Sunce je u podne visoko iznad horizonta, a duljina putanje sunčeve svjetlosti kroz Zemljinu atmosferu je smanjena. Posljedično, manje sunčevog zračenja se raspršuje i apsorbira, što znači da više dolazi do površine. Osim toga, odstupanje kuta upadanja sunčeve svjetlosti na prijamnu površinu od 90 ° dovodi do smanjenja količine energije po jedinici površine - efekt projekcije. Utjecaj ovog učinka na razinu insolacije vidljiv je na slici 4.2.

Riža. 4.2. Utjecaj promjene kuta upadanja sunčevih zraka na vrijednost

insolacija – efekt projekcije

Jedan tok sunčeve energije širine 1 km pada na zemlju pod kutom od 90°, a drugi iste širine pod kutom od 30°. Oba toka nose istu količinu energije. U ovom slučaju kosa sunčeva zraka širi svoju energiju preko dvostruko većeg područja od zrake okomito na prijamnu površinu, pa će prema tome upola manje energije teći po jedinici površine u jedinici vremena.

Zemljina površina, apsorbira sunčevo zračenje (apsorbirano zračenje), zagrijava i isijava toplinu u atmosferu (reflektirano zračenje). Niži slojevi atmosfere u velikoj mjeri odgađaju zemaljsko zračenje. Zračenje koje apsorbira zemljina površina troši se na zagrijavanje tla, zraka i vode.

Onaj dio ukupnog zračenja koji ostaje nakon refleksije i toplinskog zračenja zemljine površine naziva se ravnoteža zračenja. Ravnoteža zračenja Zemljine površine mijenja se tijekom dana i godišnjih doba.

Izvori informacija za procjenu vrijednosti bruto resursa (potencijala) sunčeve energije. Informacijsku osnovu za procjenu vrijednosti ovog bruto resursa (potencijala) sunčeve energije čine podaci mjerenja sunčevog zračenja u različitim regijama zemlje s naknadnom podjelom regije na zone s relativno ujednačenom vrijednošću razine insolacije. U te svrhe potrebni su podaci dobiveni rezultatima aktinometrijskih motrenja, tj. podaci o intenzitetu izravnog, raspršenog i ukupnog Sunčevog zračenja, o bilanci zračenja i naravi odbijanja zračenja od zemljine površine (albedo).

S obzirom na naglo smanjenje broja meteoroloških postaja koje provode zemaljska aktinometrijska motrenja u Rusiji, 2014. godine za procjenu bruto potencijala korištene su informacije o raspodjeli izvora sunčeve energije iz NASA-ine baze podataka površinske meteorologije i sunčeve energije (NASA SSE). (izvor) solarne energije. Ova baza nastala je na temelju satelitskih mjerenja radijacijske bilance zemljine površine, provedenih u sklopu Međunarodnog satelitskog i klimatološkog programa (ISCCP) Svjetskog programa za istraživanje klime od srpnja 1983. do lipnja 2005. godine. Na temelju njihovih rezultata, uzimajući u obzir prirodu refleksije zračenja od zemljine površine, stanje naoblake, onečišćenje atmosfere aerosolima i druge čimbenike, vrijednosti mjesečnih količina sunčevog zračenja koje pada na horizontalnu površinu bile su izračunato za mrežu 1º × 1º koja pokriva cijeli globus, uključujući teritorij Ruske Federacije.

Izračun ukupnog pada zračenja na nagnutu površinu sa zadanim kutom orijentacije. Pri procjeni potencijala potrebno je znati odrediti količinu ukupnog zračenja koje pada u određenom trenutku na nagnutu površinu okrenutu u odnosu na zemljinu površinu pod kutom koji nas zanima.

Prije nego što prijeđemo na opis metodologije izračuna ukupnog zračenja, potrebno je uvesti osnovne pojmove vezane uz procjenu Sunčevog zračenja.

Pregled će se održati u horizontalni koordinatni sustav. U ovom sustavu, ishodište koordinata nalazi se na mjestu promatrača na zemljinoj površini. Vodoravna ravnina djeluje kao glavna ravnina - ravnina matematički horizont. Jedna koordinata u ovom sustavu je bilo visina sunca α, odnosno njegov zenitna udaljenost z. Druga koordinata je azimut a.

Matematički horizont je veliki krug nebeske sfere, čija je ravnina okomita na visak u točki u kojoj se nalazi promatrač.

Matematički horizont ne poklapa se s vidljivi horizont zbog neravnina Zemljine površine, različite visine promatračkih točaka, kao i zakrivljenosti svjetlosnih zraka u atmosferi.

Sunčev zenitni kut z je kut između sunčeve zrake i normale na vodoravnu ravninu u točki promatranja A.

Visinski kut sunca α je kut u okomitoj ravnini između sunčeve zrake i njezine projekcije na vodoravnu ravninu. Zbroj α+z je 90°.

Azimut Sunca a- ovo je kut u vodoravnoj ravnini između projekcije sunčeve zrake i smjera prema jugu.

Azimut površine a p mjeren kao kut između normale na predmetnu površinu i smjera juga.

Kut deklinacije Sunca- ovo je kut između pravca koji povezuje središta Zemlje i Sunca i njegove projekcije na ekvatorijalnu ravninu. Deklinacija Sunca kontinuirano se mijenja tijekom godine - od -23 ° 27 "na dan zimskog solsticija 22. prosinca do + 23 ° 27" na dan ljetnog solsticija 22. lipnja i nula je na dane proljetni i jesenski ekvinocij (21. ožujka i 23. rujna).

Lokalno pravo Sunčevo vrijeme je vrijeme određeno na mjestu promatrača prema prividnom položaju Sunca na nebeskoj sferi. 12 sati lokalnog solarnog vremena odgovara vremenu kada je Sunce u zenitu (najviše na nebu).

Lokalno vrijeme obično se razlikuje od lokalnog solarnog vremena zbog ekscentričnosti Zemljine orbite, ljudske upotrebe vremenskih zona i umjetnih 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 s ravninom Zemljinog ekvatora.

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

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

satni kut- kutna udaljenost mjerena duž nebeskog ekvatora prema zapadu od nebeskog meridijana (onaj njegov dio koji sunce prelazi u trenutku gornjeg vrhunca) do satne kružnice koja prolazi kroz odabranu točku na nebeskoj sferi.

Satni kut rezultat je pretvaranja lokalnog solarnog vremena u broj stupnjeva koje sunce prijeđe preko neba. Po definiciji, satni kut je nula u podne. Budući da se Zemlja okrene 15 0 u jednom satu (360 o / 24 sata), onda se za svaki sat popodne Sunce pomakne 15 0 . Ujutro je kut sunca negativan, a navečer pozitivan.

Kao popratne informacije za izračunavanje ukupnog zračenja koriste se vrijednosti sljedećih pokazatelja dobivenih statističkom obradom podataka promatranja:

- prosječna mjesečna količina ukupnog sunčevog zračenja koje pada na horizontalnu površinu tijekom dana, ;

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

– albedo zemljine površine - prosječni mjesečni omjer količine sunčevog zračenja koje reflektira zemljina površina i količine ukupnog sunčevog zračenja koje pada na zemljinu površinu (tj. udio zračenja reflektiranog od zemljine površine), udio.

Svi daljnji izračuni provode se za "prosječni dan u mjesecu", tj. dan, u kojem je kut deklinacije Sunca najbliži srednjem mjesečnom kutu.

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

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

- satni kut u t-th procijenjeni sat u danu, stupnjevi;

- satni kut zalaska sunca (zalazak sunca), deg.

satni kut sunca izračunato korištenjem omjera

– vrijeme Sunčevog podneva, podaci o kojem se nalaze u NASA bazi podataka, sat.

Satni kut zalaska sunca ocijenjeno kao

– zemljopisna širina, stupnjevi;

je kut deklinacije sunca, deg.

Kut deklinacije Sunca određena sljedećom formulom

– dan u godini (od 1 do 365).

Sunčevo zračenje na proizvoljno usmjerenoj nagnutoj površini . Plaćanje satno ukupno sunčevo zračenje, padajući na nagnutu površinu usmjerenu pod kutom prema horizontu, proizvodi se na sljedeći način

je upadni kut izravnog sunčevog zračenja na nagnutu površinu proizvoljno usmjerenu pod kutom prema horizontu u t-th sat, stupnjevi;

je zenitni kut Sunca u t-th sat, stupnjevi;

je kut nagiba površine prema horizontu, stupnjevi;

Zenitni kut sunca

Upadni kut ravno solarno zračenje na nagnutoj površini proizvoljno usmjerenoj pod kutom prema horizontu:

je azimutalni kut Sunca u t-ti sat u danu, stupnjevi;

je azimut nagnute površine, deg.

Upadni kut izravnog sunčevog zračenja na nagnutu površinu proizvoljno usmjerenu pod kutom prema horizontu također se može izračunati pomoću sljedećih odnosa:

Gore razmotreni odnosi mogu se koristiti za procjenu energetskog potencijala sunca s diferencijacijom na satne (ili trosatne) intervale dana.

Bruto izvor električne energije (potencijal) sunčeve energije. Za procjenu bruto elektroenergetskog resursa sunčeve energije u našoj zemlji korištene su srednje mjesečne dnevne vrijednosti ukupnog pada sunčevog zračenja na 1 m2. horizontalna ravnina (kW h / (m 2 ∙ dan)). Na temelju ovih podataka, uz diferencijaciju po subjektima federacije, procijenjena je prosječna količina sunčevog zračenja u milijunima kWh, koja pada na 1 četvorni kilometar teritorija tijekom godine (ili u kWh / (m 2 ∙ godina)) smokva 4.3.

Riža. 4.3. Raspodjela godišnjih izvora sunčeve energije na području Ruske Federacije s detaljima po federalnim subjektima

Na karti je svakom subjektu federacije dodijeljena šifra.

Popis subjekata federacije s njihovim kodovima s diferencijacijom po saveznim okruzima Rusije prikazan je u nastavku. Uzimajući u obzir specifičnosti procjene energetskog potencijala obnovljivih izvora energije, gradovi Moskva i Sankt Peterburg spajaju se s Moskovskom, odnosno Lenjingradskom regijom, uz dodjelu regionalnog koda jedinstvenog teritorija. Subjekti federacije velikim protežu od sjevera prema jugu mogu se podijeliti na dijelove: sjever, centar, jug.

1. Središnji savezni 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) Lipetska 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 savezni okrug: ( 10) Republika Karelija, (11) Republika Komi, (29) Arhangelska oblast, (35) Vologodska 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) Krasnodarski kraj, (30) Astrahanska oblast, (34) Volgogradska oblast, (61) Rostovska oblast, (91) Republika Krim i Sevastopolj.

4. Sjevernokavkaski savezni okrug: ( 5) Republika Dagestan, (6) Republika Ingušetija, (7) Republika Kabardino-Balkarija, (9) Republika Karačajevo-Čerkezija, (15) Republika Sjeverna Osetija-Alanija, (20) Republika Čečenija, (26) Stavropoljski kraj.

5. Povolški savezni okrug: ( 2) Republika Baškortostan, (12) Republika Mari El, (13) Republika Mordovija, (16) Republika Tatarstan, (18) Republika Udmurtija, (21) Republika Čuvašija, (43) Kirovska oblast, (52) ) Nižnji Novgorodska oblast, (56) ) Orenburška oblast, (58) Penzenska oblast, (59) Permska oblast, (63) Samarska oblast, (64) Saratovska oblast, (73) Uljanovska oblast.

6. Uralski savezni okrug: ( 45) Kurganska oblast, (66) Sverdlovska oblast, (72) Tjumenska oblast, (74) Čeljabinska oblast, (86) Hanti-Mansijska oblast Jugra, (89) Jamalo-Nenecka oblast.

7. Sibirski savezni okrug: (3) Republika Burjatija, (4) Republika Altaj, (17) Republika Tyva, (19) Republika Hakasija, (22) Altajski kraj, (24) Krasnojarsko područje (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) Tomska oblast, ( 75) Transbajkalski teritorij.

8. Dalekoistočni savezni okrug: ( 14) Republika Saha (Jakutija) (14-1. Sjever, 14-2. Središte, 14-3. Jug), (25) Primorski teritorij, (27) Habarovski kraj, (27-1. Sjever, 27-2 Jug), (28) Amurska oblast, (41) Kamčatski teritorij, (49) Magadanska oblast, (65) Sahalinska oblast, (79) Židovska autonomna regija, (87) Čukotska autonomna oblast.

Trenutačno mišljenje da Rusija, smještena uglavnom u srednjim i visokim geografskim širinama, nema značajne izvore solarne energije za učinkovito korištenje energije, nije točno. Donja karta (sl. 4.4) prikazuje prosječnu godišnju raspodjelu energetskih resursa sunčevog zračenja na teritoriju Rusije, koja dolazi u prosjeku dnevno po 1 platforme južne orijentacije s optimalnim kutom nagiba prema horizontu(za svaku geografsku točku, ovo je vlastiti kut pod kojim je ukupni godišnji unos energije sunčevog zračenja na pojedino mjesto maksimalan).

sl.4.4. Distribucija godišnjeg prosjeka dnevnog sunca

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

južno orijentirana površina)

Razmatranje predstavljene karte pokazuje da unutar sadašnjih granica Rusije najsunčanije nisu regije Sjevernog Kavkaza, kako mnogi pretpostavljaju, već regije Primorja i južnog Sibira (4,5-5 kWh / (m 2 * dan) i više). Zanimljivo je da poznata crnomorska ljetovališta (Soči i dr.) prema prosječnom godišnjem unosu sunčevog zračenja (u smislu prirodnog potencijala i resursa sunčeve insolacije) pripadaju istoj zoni kao i veći dio Sibira, uključujući Jakutiju (4,0 -4,5 kW × sat / (m 2 × dan)).

Za energetski slabo opskrbljena područja s decentraliziranom opskrbom energijom važno je da više od 60% teritorija zemlje, uključujući mnoge sjeverne regije, karakterizira prosječni 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 je u Ruskoj Federaciji najveći intenzitet insolacije od 4,5 do 5,0 kWh / m 2 ili više dnevno zabilježen u Primorju, na jugu Sibira, na jugu Republike Tuve i Republike Burjatiji, pa čak i iza Arktičkog kruga u istočnom dijelu Sjeverne Zemlje, a ne u južnim regijama zemlje. Prema solarnom potencijalu, 4,0 - 4,5 kWh / (m 2 * dan), Krasnodarsko područje, Rostovska regija, južni dio regije Volga, veći dio Sibira (uključujući Jakutiju), južne regije Novosibirska, Irkutska regija, Burjatija, Tyva , Khakassia , Primorski i Habarovski kraj, Amurska oblast, otok Sahalin, golema područja od Krasnojarska do Magadana, Sjeverna Zemlja, sjeveroistok Jamalo-Neneckog autonomnog okruga pripadaju istoj zoni kao i Sjeverni Kavkaz s poznatim ruskim crnomorskim odmaralištima. Nižnji Novgorod, Moskva, Sankt Peterburg, Salehard, istočni dio Čukotke i Kamčatka odlikuju se prosječnim sunčevim zračenjem od 2,5 do 3 kWh/m 2 dnevno. U ostatku zemlje prevladava intenzitet insolacije od 3 do 4 kWh/m 2 na dan.

Protok energije ima najveći intenzitet u svibnju, lipnju i srpnju. U tom razdoblju, u središnjoj Rusiji, po 1 m². metar površine iznosi 5 kWh dnevno. Najmanji intenzitet je u prosincu-siječnju, kada je 1 sq. metar površine iznosi 0,7 kWh dnevno.

S obzirom na trenutnu situaciju, na karti Ukrajine (sl. 4.3) moguće je analizirati razinu sunčevog zračenja na području Krima.

Riža. 4.3. Distribucija godišnjeg dolaznog sunčevog zračenja prema

teritorij Ukrajine, kW × sat / (m 2 × godina) (optimalno orijentiran

južno okrenuta površina)

Bruto toplinski izvor sunčeve energije. Bruto izvor toplinske energije (potencijal) postavlja najveću količinu toplinske energije koja odgovara energiji sunčevog zračenja koja ulazi na teritorij Rusije.

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

Slika 4.4 daje ideju raspodjele ukupnog sunčevog zračenja na horizontalnoj površini teritorija Ruske Federacije u kilokalorijama po 1 cm2 godišnje.

sl.4.4. Distribucija godišnjeg dolaznog sunčevog zračenja prema

područje Rusije, kcal / (cm 2 × godina)

Sveobuhvatno zoniranje teritorija Rusije prema potencijalu sunčevog zračenja može se vidjeti na slici 4.6. Dodijeljeno je 10 zona prema prioritetu potencijala korištenja. Očito, južne regije europskog dijela, jug Transbaikalije i Daleki istok imaju najpovoljnije uvjete za praktično korištenje sunčeve energije.

Riža. 19. Zoniranje teritorija Rusije prema potencijalu sunca

zračenje (broj u krugu je broj prema prioritetu potencijala)

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

Pri ocjeni tehničkog potencijala solarne energetike korišteni su pokazatelji tada najzastupljenijih (90%) fotonaponskih ćelija na bazi silicija s učinkovitošću od 15%. Radna površina solarnih instalacija, uzimajući u obzir gustoću postavljanja fotonaponskih ćelija u fotonaponskim modulima, uzeta je jednaka 0,1% površine teritorija razmatrane regije koja je homogena u smislu razine zračenja . Tehnički potencijal izračunat je u tonama standardnog goriva kao umnožak bruto solarnog potencijala teritorija s udjelom površine koju zauzimaju fotonaponske ćelije i njihovom učinkovitošću.

Definiranje tehničkog toplinsko-energetskog potencijala regije usmjereno je na tehničke mogućnosti pretvaranja energije sunčevog zračenja u toplinsku energiju na najučinkovitijim instalacijama solarne tople vode. Procjena tehničkog potencijala provedena je na temelju podataka o toplinskom učinku takvih instalacija u svakom od područja s ujednačenom razinom insolacije i pretpostavkama: na površini koju zauzimaju solarni kolektori jednaka 1% od područje razmatranog teritorija, omjer između područja toplinskih i električnih instalacija - 0,8 odnosno 0,2, a učinkovitost uređaja za gorivo je 0,7. Preračunavanje u tone standardnog goriva izvršeno je pomoću koeficijenta od 0,34 tce/kWh.

Najobjektivniji od poznatih pokazatelja koji karakteriziraju mogućnost praktične uporabe resursa sunčeve energije smatra se pokazateljem njezinog ekonomskog potencijala. Ekonomsku opravdanost i opseg korištenja električnih i toplinskih solarnih instalacija treba odrediti na temelju njihove konkurentnosti tradicionalnim izvorima energije. Nedostatak potrebne količine potrebnih i pouzdanih informacija bio je razlog da se za ocjenu veličine gospodarskog potencijala koriste pojednostavljene metode temeljene na mišljenjima kvalificiranih stručnjaka.

U skladu s procjenama stručnjaka, ekonomski potencijal industrije solarne energije uzet je kao jednak 0,05% godišnje potrošnje električne energije u regiji koja se razmatra (prema Rosstatu) uz njegovu pretvorbu 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 podijeljen je na električnu energiju i toplinsku energiju prema gore navedenoj metodologiji (tablica 9).

Uvod

Sunce je, kao što znate, primarni i glavni izvor energije za naš planet. Grije cijelu Zemlju, pokreće rijeke i daje snagu vjetru. Pod njegovim zrakama raste 1 kvadrilijun tona biljaka, hraneći zauzvrat 10 trilijuna tona životinja i bakterija. Zahvaljujući tom istom Suncu, na zemlji su se nakupile rezerve ugljikovodika, odnosno nafte, ugljena, treseta itd., koje sada aktivno spaljujemo. Da bi čovječanstvo danas moglo zadovoljiti svoje potrebe za energetskim resursima, godišnje je potrebno oko 10 milijardi tona standardnog goriva. (Kalorička vrijednost referentnog goriva je 7000 kcal/kg).

Zadaci:

Razmotriti osnovne fizikalne principe i pojave;

· formiranje znanja i vještina, omogućujući provođenje teorijskog izračuna glavnih parametara;

Razmotrite prednosti i nedostatke korištenja sunčeve energije

Razmotrite načine proizvodnje 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 iu 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 „pri ruci“ i ekološki prihvatljiv 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 im opskrbljivati ​​toplu vodu. Sunčeva svjetlost koncentrirana paraboličnim zrcalima (reflektorima) koristi se za stvaranje topline (s temperaturama do nekoliko tisuća Celzijevih stupnjeva). 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 sunčevo zračenje pretvaraju izravno u električnu energiju.

SOLARNA ENERGIJA

Energija Sunca je izvor života na našem planetu. Sunce zagrijava atmosferu i površinu zemlje. Zahvaljujući sunčevoj energiji pušu vjetrovi, u prirodi se odvija ciklus vode, zagrijavaju se mora i oceani, razvijaju se biljke, životinje imaju hranu. Upravo zahvaljujući sunčevom zračenju postoje fosilna goriva na Zemlji. Sunčeva energija se može pretvoriti u toplinu ili hladnoću, pogonsku snagu i električnu energiju.

Solarno zračenje

Sunčevo zračenje je elektromagnetsko zračenje, koncentrirano uglavnom u području valnih duljina od 0,28 ... 3,0 mikrona. Sunčev spektar se sastoji od:

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

Svjetlosni valovi u rasponu od 0,38 ... 0,78 mikrona, čineći približno 49% spektra;

Infracrveni valovi duljine 0,78 ... 3,0 mikrona, koji čine većinu od preostalih 49% sunčevog spektra. Ostali dijelovi spektra igraju neznatnu ulogu u toplinskoj bilanci Zemlje.

Koliko sunčeve energije pada na Zemlju?

Sunce zrači ogromnu količinu energije - otprilike 1,1x10 20 kWh u sekundi. Kilovat sat je količina energije potrebna za 10 sati rada žarulje sa žarnom niti od 100 W. Zemljina vanjska atmosfera presreće približno jedan milijunti dio energije koju emitira Sunce ili približno 1500 kvadrilijuna (1,5 x 10 18) kWh godišnje. Međutim, zbog refleksije, raspršenja i apsorpcije od strane atmosferskih plinova i aerosola, samo 47% sve energije, ili približno 700 kvadrilijuna (7 x 10 17) kWh, dospijeva do površine Zemlje.

Sunčevo zračenje u Zemljinoj atmosferi dijelimo na tzv. direktno zračenje i difuzno zračenje, na čestice zraka, prašine, vode i sl. sadržane u atmosferi. Njihov zbroj čini ukupno Sunčevo zračenje.

Količina energije koja pada po jedinici površine u jedinici vremena ovisi o nizu čimbenika: geografskoj širini lokalne klime, godišnjem dobu i kutu nagiba površine u odnosu na Sunce.

vrijeme i mjesto

Količina sunčeve energije koja pada na Zemljinu površinu mijenja se zbog kretanja Sunca. Ove promjene ovise o dobu dana i godišnjem dobu. Obično više sunčevog zračenja pada na Zemlju u podne nego rano ujutro ili kasno navečer. U podne je Sunce visoko iznad horizonta, a duljina 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 Zemljine površine razlikuje se od prosječne godišnje vrijednosti: zimi - manje od 0,8 kWh / m 2 dnevno u sjevernoj Europi i više od 4 kWh / m 2 dnevno ljeti u istoj regiji. Razlika se smanjuje kako se približavate ekvatoru.

Količina sunčeve energije također ovisi o geografskom položaju mjesta: što je bliže ekvatoru, to je veća. Na primjer, prosječno godišnje ukupno sunčevo zračenje koje pada na horizontalnu površinu je: u srednjoj Europi, srednjoj Aziji i Kanadi - približno 1000 kWh/m 2 ; u Sredozemlju - oko 1700 kWh / m 2; u većini pustinjskih područja Afrike, Bliskog istoka i Australije - približno 2200 kWh / m 2.

Dakle, količina sunčevog zračenja značajno varira ovisno o dobu godine i geografskom položaju. Ovaj čimbenik treba uzeti u obzir pri korištenju sunčeve energije.

solarna energija

Parametri sunčevog zračenja

Prije svega potrebno je procijeniti potencijalne energetske mogućnosti sunčevog zračenja. Pritom je od najveće važnosti njegova ukupna specifična snaga na površini Zemlje i raspodjela te snage po različitim rasponima zračenja.

Snaga sunčevog zračenja

Snaga zračenja Sunca, smještenog u zenitu, u blizini Zemljine površine, procjenjuje se na oko 1350 W/m2. Jednostavna računica pokazuje da je za dobivanje snage od 10 kW potrebno prikupiti sunčevo zračenje s površine od samo 7,5 m2. Ali ovo je vedro poslijepodne u tropskoj zoni visoko u planinama, gdje je atmosfera rijetka i kristalno čista. Čim se Sunce počne naginjati prema horizontu, povećava se put njegovih zraka kroz atmosferu, odnosno povećavaju se gubici na tom putu. Prisutnost prašine ili vodene pare u atmosferi, čak iu količinama koje su neprimjetne bez posebnih uređaja, dodatno smanjuje protok energije. Međutim, čak iu srednjoj traci u ljetno poslijepodne, za svaki četvorni metar okomito na sunčeve zrake, postoji protok sunčeve energije snage od približno 1 kW.

Naravno, čak i mala naoblaka drastično smanjuje energiju koja dopire do površine, osobito u infracrvenom (toplinskom) području. No, dio energije ipak prodire kroz oblake. U srednjem pojasu, uz jaku naoblaku u podne, snaga sunčevog zračenja koje dopire do površine Zemlje procjenjuje se na oko 100 W/m2, a samo u rijetkim slučajevima, uz posebno gustu naoblaku, može pasti ispod te vrijednosti. Očito, u takvim uvjetima, da bi se dobilo 10 kW, potrebno je potpuno, bez gubitaka i refleksije, prikupiti sunčevo zračenje ne sa 7,5 m2 zemljine površine, već sa cijelih sto četvornih metara (100 m2).

U tablici su prikazani kratki prosječni podaci o energiji sunčevog zračenja za neke gradove Rusije, uzimajući u obzir klimatske uvjete (učestalost i jačinu oblaka) po jedinici horizontalne površine. Pojedinosti o ovim podacima, dodatni podaci za orijentacije ploča koje nisu horizontalne, kao i podaci za druge regije Rusije i zemalja bivšeg SSSR-a dani su na zasebnoj stranici.

Grad	mjesečni minimum (Prosinac)	mjesečni maksimum (lipanj ili srpanj)	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)
Astraganski	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)
Ekaterinburg	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)
Sankt Peterburg	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)
Soči	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)
Južno-Sahalinsk	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 kutom nagiba, može apsorbirati 1,2 .. 1,4 puta više energije u usporedbi s horizontalnom, a ako se okreće nakon Sunca, tada će povećanje biti 1,4 .. 1,8 puta. To se može vidjeti raščlanjeno po mjesecima za fiksne panele orijentirane prema jugu pod različitim kutovima nagiba i za sustave koji prate kretanje Sunca. Značajke postavljanja solarnih panela detaljnije se razmatraju u nastavku.

Izravno i difuzno sunčevo zračenje

Razlikovati difuzno i ​​izravno sunčevo zračenje. Za učinkovito upijanje izravne sunčeve svjetlosti, ploča mora biti usmjerena okomito na tok sunčeve svjetlosti. Za percepciju raspršenog zračenja, orijentacija nije toliko kritična, budući da dolazi prilično ravnomjerno s gotovo cijelog neba - tako je zemljina površina osvijetljena za oblačnih dana (iz tog razloga, za oblačnog vremena, objekti nemaju jasno definirana sjena, a okomite površine, poput stupova i zidova kuća, praktički ne bacaju vidljivu sjenu).

Omjer izravnog i raspršenog zračenja jako ovisi o vremenskim prilikama u pojedinim godišnjim dobima. Na primjer, u Moskvi je zima oblačna, au siječnju udio raspršenog zračenja prelazi 90% ukupne insolacije. Ali čak iu moskovskom ljetu, raspršeno zračenje čini gotovo polovicu ukupne sunčeve energije koja dopire do Zemljine površine. Istodobno, u sunčanom Bakuu, i zimi i ljeti, udio raspršenog zračenja iznosi od 19 do 23% ukupne insolacije, a oko 4/5 sunčevog zračenja je izravno. Detaljnije o omjeru raspršene i ukupne insolacije za pojedine gradove dano je na posebnoj stranici.

Raspodjela energije u Sunčevom spektru

Sunčev spektar je praktički kontinuiran u iznimno širokom frekvencijskom području – od niskofrekventnih radio valova do ultravisokih frekvencija X-zraka i gama zračenja. Naravno, teško je jednako učinkovito uhvatiti tako različite vrste zračenja (možda se to može učiniti samo teoretski uz pomoć “idealnog apsolutno crnog tijela”). Ali to nije nužno - prvo, samo Sunce zrači različitim snagama u različitim frekvencijskim rasponima, i drugo, ne dopire sve što Sunce emitira do Zemljine površine - određene dijelove spektra u velikoj mjeri apsorbiraju različite komponente atmosfere - uglavnom ozonski omotač, vodena para i ugljikov dioksid.

Dakle, dovoljno nam je odrediti ona frekvencijska područja u kojima se opaža najveći tok Sunčeve energije u blizini površine Zemlje i njima se služiti. Tradicionalno, Sunčevo i kozmičko zračenje ne razdvajaju se po frekvenciji, već po valnoj duljini (to je zbog prevelikih eksponenata za frekvencije ovog zračenja, što je vrlo nezgodno - vidljiva svjetlost u hercima odgovara 14. redu). Pogledajmo ovisnost raspodjele energije o valnoj duljini za Sunčevo zračenje.

Raspon vidljive svjetlosti definiran je kao raspon valnih duljina od 380 nm (tamno ljubičasto) do 760 nm (tamno crveno). Sve što ima kraću valnu duljinu ima veću energiju fotona i dijeli se na ultraljubičasto, rendgensko i gama područje zračenja. Unatoč visokoj energiji fotona, nema toliko samih fotona u tim rasponima, tako da je ukupni energetski doprinos ovog dijela spektra vrlo mali. Sve što ima veću valnu duljinu ima manju energiju fotona od vidljive svjetlosti i dijeli se na infracrveno područje (toplinsko zračenje) i razne dijelove radio područja. Grafikon pokazuje da Sunce u infracrvenom području emitira gotovo istu količinu energije kao u vidljivom (razine su niže, ali je raspon širi), no u radiofrekvencijskom području energija zračenja je vrlo mala.

Dakle, s energetskog stajališta dovoljno je da se ograničimo na vidljivo i infracrveno frekvencijsko područje, kao i blisko ultraljubičasto (negdje do 300 nm, kratkovalno tvrdo ultraljubičasto gotovo se potpuno apsorbira u takozvani ozonski omotač, koji omogućuje sintezu upravo tog ozona iz atmosferskog kisika). A lavovski udio sunčeve energije koja dopire do površine Zemlje koncentriran je u rasponu valnih duljina od 300 do 1800 nm.

Ograničenja pri korištenju sunčeve energije

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

Međutim, postoji još jedna okolnost koja je posebno relevantna za naše prilično sjeverne geografske širine - to su sezonske razlike u duljini dana. Ako za tropsku i ekvatorijalnu zonu trajanje dana i noći slabo ovisi o dobu godine, tada je već na geografskoj širini Moskve najkraći dan gotovo 2,5 puta kraći od najduljeg! Ne govorim o polarnim područjima... Kao rezultat toga, za vedrog ljetnog dana solarna instalacija u blizini Moskve ne može proizvesti ništa manje energije nego na ekvatoru (sunce je niže, ali je dan duži). Međutim, zimi, kada je potreba za energijom posebno velika, njezina će se proizvodnja, naprotiv, smanjiti nekoliko puta. Uostalom, osim kratkog dnevnog svjetla, zrake niskog zimskog sunca, čak iu podne, moraju proći kroz puno deblji sloj atmosfere i stoga putem gube znatno više energije nego ljeti, kada je sunce visoka i zrake prolaze kroz atmosferu gotovo okomito (izraz "hladno zimsko sunce ima najizravniji fizički smisao). Međutim, to uopće ne znači da su solarne instalacije u srednjoj traci, pa čak iu mnogo sjevernijim regijama, potpuno beskorisne - iako su od male koristi zimi, to je u razdoblju dugih dana, najmanje pola godine između proljetni i jesenski ekvinocij, prilično su učinkoviti. .

Posebno je zanimljivo korištenje solarnih instalacija za poticanje sve šireg širenja tra-n-nya-y-shchi-sya, ali vrlo "proždrljivih" klima uređaja. Uostalom, što sunce jače sja, to je toplije i potrebno je više klima uređaja. Ali u takvim uvjetima čak i solarne instalacije mogu generirati više energije, a tu će energiju klima uređaj iskoristiti upravo “ovdje i sada”, ne treba je akumulirati i skladištiti! Osim toga, uopće nije potrebno pretvarati energiju u električni oblik - apsorpcijski toplinski strojevi izravno koriste toplinu, što znači da se umjesto fotonaponskih panela mogu koristiti solarni kolektori koji su najučinkovitiji upravo po vedrom vrućem vremenu. Istina, smatram da su klima uređaji nezamjenjivi samo u toplim i suhim krajevima iu vlažnoj tropskoj klimi, kao iu modernim gradovima, bez obzira na njihov položaj. Kompetentno dizajnirana i izgrađena seoska kuća, ne samo u srednjoj traci, već iu većem dijelu juga Rusije, ne treba tako energetski proždrljiv, glomazan, bučan i kapriciozan uređaj.

Nažalost, u uvjetima urbanog razvoja samo u rijetkim slučajevima posebno sretnog stjecaja okolnosti moguća je pojedinačna uporaba više ili manje snažnih solarnih instalacija s bilo kakvom zamjetnom praktičnom koristi. Međutim, gradski stan ne smatram potpunim stambenim objektom, budući da njegovo normalno funkcioniranje ovisi o previše čimbenika koji nisu dostupni izravnoj kontroli stanara iz čisto tehničkih razloga, pa stoga, u slučaju kvara za više ili kraće vrijeme, barem jedan od uvjeta sustava za održavanje života neće biti prihvatljiv za život u modernoj stambenoj zgradi (naprotiv, stan u visokoj zgradi treba smatrati nekom vrstom hotelske sobe, koju stanari kupljen za trajno korištenje ili iznajmljen od općine). Ali izvan grada, posebna pozornost na solarnu energiju može biti više nego opravdana čak i na maloj parceli od 6 hektara.

Značajke postavljanja solarnih panela

Odabir optimalne orijentacije solarnih panela jedno je od najvažnijih pitanja u praktičnoj uporabi solarnih instalacija bilo koje vrste. Nažalost, postoji vrlo malo pokrivenosti ovog aspekta na raznim web stranicama o solarnoj energiji, iako njegovo zanemarivanje može smanjiti učinkovitost panela na neprihvatljivu razinu.

Činjenica je da upadni kut zraka na površinu uvelike utječe na koeficijent refleksije, a time i na udio neprihvaćene sunčeve energije. Na primjer, kod stakla, kada upadni kut odstupi od okomice na njegovu površinu do 30°, koeficijent refleksije se praktički ne mijenja i iznosi nešto manje od 5%, tj. više od 95% upadnog zračenja prolazi prema unutra. Nadalje, povećanje refleksije postaje vidljivo, a za 60° udio reflektiranog zračenja se udvostručuje, na gotovo 10%. Pri upadnom kutu od 70° reflektira se oko 20% zračenja, a pri 80° 40%. Za većinu drugih tvari ovisnost stupnja refleksije o upadnom kutu približno je ista.

Još važnije je takozvano efektivno područje panela, tj. presjek toka zračenja koji je njime blokiran. Jednaka je stvarnoj površini ploče pomnoženoj sa sinusom kuta između njezine ravnine i smjera strujanja (ili, ekvivalentno, kosinusom kuta između okomice na ploču i smjera strujanja) . Dakle, ako je ploča okomita na tok, njezina efektivna površina jednaka je njezinoj stvarnoj površini, ako tok odstupa od okomice za 60° - pola stvarne površine, a ako je tok paralelan s pločom, njezina efektivna površina površina je nula. Dakle, značajno odstupanje toka od okomice na ploču ne samo da povećava refleksiju, već smanjuje njezinu efektivnu površinu, što uzrokuje vrlo zamjetan pad izlaza.

Očito je da je za naše potrebe najučinkovitija stalna orijentacija panela okomita na protok sunčeve svjetlosti. Ali to će zahtijevati promjenu položaja ploče u dvije ravnine, budući da položaj Sunca na nebu ne ovisi samo o dobu dana, već io sezoni. Iako je takav sustav svakako tehnički moguć, pokazalo se da je vrlo složen, a samim time i skup i ne baš pouzdan.

Međutim, zapamtite da je pri upadnim kutovima do 30 ° koeficijent refleksije na granici "zrak-staklo" minimalan i praktički nepromijenjen, a tijekom godine kut maksimalnog izlaska Sunca iznad horizonta odstupa od prosječnog položaja ne više od ±23°. Efektivno područje ploče s odstupanjem od okomice za 23 ° također ostaje prilično veliko - najmanje 92% njegove stvarne površine. Stoga se može usredotočiti na prosječnu godišnju visinu maksimalnog porasta Sunca i, praktički bez gubitka učinkovitosti, ograničiti se na rotaciju u samo jednoj ravnini - oko polarne osi Zemlje brzinom od 1 okretaja dnevno. Kut nagiba osi 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 okomice za 34 °). Takvu rotaciju već je puno lakše organizirati, međutim, velika ploča treba puno prostora da se slobodno okreće. Osim toga, potrebno je ili organizirati kliznu vezu koja vam omogućuje preusmjeravanje sve energije primljene od stalno rotirajuće ploče, ili se ograničiti na fleksibilne komunikacije s fiksnom vezom, ali osigurati automatski povratak ploče natrag na noću, inače ne možete izbjeći uvijanje i lomljenje komunikacija koje uklanjaju energiju. Oba rješenja dramatično povećavaju složenost i smanjuju pouzdanost sustava. Kako snaga panela (a time i njihova veličina i težina) raste, tehnički problemi postaju eksponencijalno kompliciraniji.

Vezano uz sve navedeno, gotovo uvijek se paneli individualnih solarnih instalacija montiraju nepomično, što osigurava relativnu jeftinost i najveću pouzdanost instalacije. Međutim, ovdje odabir kuta postavljanja panela postaje posebno važan. Razmotrimo ovaj problem na primjeru Moskve.

Narančasta linija - kada se prati položaj Sunca rotacijom oko polarne osi (tj. paralelno sa Zemljinom osi); plava - fiksna vodoravna ploča; zelena - fiksna okomita ploča, okrenuta prema jugu; crvena - fiksna ploča nagnuta prema jugu pod kutom od 40 ° prema horizontu.

Pogledajmo dijagrame insolacije za različite kutove postavljanja panela. Naravno, panel koji se okreće nakon Sunca je izvan konkurencije (narančasta linija). Međutim, čak iu dugim ljetnim danima njegova učinkovitost premašuje učinkovitost stacionarnih vodoravnih (plavi) i optimalno nagnutih (crveni) panela za samo oko 30%. Ali ovih dana ima dovoljno topline i svjetla! No u energetski najdeficitarnijem razdoblju od listopada do veljače prednost rotirajućih panela u odnosu na fiksne je minimalna i gotovo neprimjetna. Istina, u ovom trenutku tvrtka nagnute ploče nije vodoravna, već okomita ploča (zelena linija). I to ne čudi - niske zrake zimskog sunca klize duž vodoravne ploče, ali ih dobro percipira okomita, gotovo okomita na njih. Stoga, u veljači, studenom i prosincu, vertikalna ploča svojom učinkovitošću nadmašuje čak i nagnutu i gotovo se ne razlikuje od rotacijske. U ožujku i listopadu dani su duži, a okretna ploča već počinje pouzdano (iako ne mnogo) nadmašiti sve fiksne opcije, ali učinkovitost nagnutih i okomitih ploča gotovo je ista. I samo u razdoblju dugih dana od travnja do kolovoza, horizontalna ploča po primljenoj energiji je ispred vertikalne i približava se kosoj, au lipnju je čak i malo premašuje. Ljetni gubitak okomite ploče je prirodan - uostalom, recimo, dan ljetnog ekvinocija u Moskvi traje više od 17 sati, a Sunce može biti u prednjoj (radnoj) hemisferi okomite ploče ne više od 12 sati. sati, preostalih 5-ak sati (skoro trećina dnevnog svjetla!) je iza nje. Ako uzmemo u obzir da pri upadnim kutovima većim od 60°, udio svjetlosti reflektirane od površine panela počinje brzo rasti, a njegova efektivna površina se smanjuje za pola ili više, tada je vrijeme za učinkovitu apsorpciju Sunčevo zračenje za takvu ploču ne prelazi 8 sati - odnosno manje od 50 % ukupne duljine dana. To objašnjava činjenicu da se performanse vertikalnih ploča stabiliziraju tijekom cijelog razdoblja dugih dana - od ožujka do rujna. I na kraju, siječanj se malo izdvaja - u ovom mjesecu performanse panela svih orijentacija gotovo su iste. Činjenica je da je ovaj mjesec u Moskvi vrlo oblačan, a više od 90% sve sunčeve energije dolazi od raspršenog zračenja, a za takvo zračenje orijentacija panela nije jako važna (najvažnije je ne slati ga na tlo). Međutim, nekoliko sunčanih dana, koji se još uvijek pojavljuju u siječnju, smanjuju proizvodnju horizontalne ploče za 20% u usporedbi s ostatkom.

Koji kut nagiba odabrati? Sve ovisi o tome kada točno trebate solarnu energiju. Ako ga želite koristiti samo u toplom razdoblju (recimo, na selu), tada biste trebali odabrati takozvani "optimalni" kut nagiba, okomito na prosječni položaj Sunca između proljetnog i jesenskog ekvinocija. To je otprilike 10° .. 15° manje od geografske širine, a za Moskvu je 40° .. 45°. Ako vam je energija potrebna tijekom cijele godine, onda treba “iscijediti” maksimum upravo u energetski deficitarnim zimskim mjesecima, što znači da se trebate fokusirati na prosječni položaj Sunca između jesenskog i proljetnog ekvinocija i postaviti panele bliže vertikali - 5 ° .. 15 ° više od geografske širine (za Moskvu će biti 60 ° .. 70 °). Ako se, zbog arhitektonskih ili konstrukcijskih razloga, ovaj kut ne može održati i mora se birati između kuta nagiba od 40° ili manje ili okomite instalacije, treba dati prednost okomitom položaju. Istovremeno, "nestašica" energije u dugim ljetnim danima nije toliko kritična - u tom razdoblju ima puno prirodne topline i svjetla, a potreba za stvaranjem energije obično nije tako velika kao zimi iu izvan sezone. Naravno, nagib ploče treba biti usmjeren prema jugu, iako se odstupanje od ovog smjera za 10° .. 15° prema istoku ili zapadu malo mijenja i stoga je sasvim prihvatljivo.

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

Budući da su cijene solarne opreme u zadnje vrijeme u padu, moglo bi biti korisno umjesto jednog polja solarnih panela orijentiranih prema jugu, koristiti dva većeg ukupnog kapaciteta, orijentirana na susjedne (jugoistok i jugozapad), pa čak i nasuprot (istok). i zapadna) strana svijeta. To će omogućiti ujednačeniji učinak za sunčanih dana i veći učinak za oblačnih dana, dok će ostatak opreme ostati dizajniran za istu, relativno nisku snagu, te će stoga biti kompaktniji i jeftiniji.

I zadnji. Staklo, čija površina nije glatka, ali ima poseban reljef, može mnogo učinkovitije percipirati bočno svjetlo i prenijeti ga na radne elemente solarne ploče. Najoptimalniji je valoviti reljef s orijentacijom izbočina i udubljenja od sjevera prema jugu (za okomite ploče - od vrha do dna), - vrsta linearne leće. Valovito staklo može povećati učinak fiksnih ploča za 5% ili više.

Tradicionalni tipovi instalacija za korištenje sunčeve energije

S vremena na vrijeme javljaju se informacije o izgradnji još jedne solarne elektrane (SPE) ili postrojenja za desalinizaciju. Diljem svijeta, od Afrike do Skandinavije, koriste se termalni solarni kolektori i fotonaponski solarni paneli. Ove metode korištenja sunčeve energije razvijane su više od desetak godina, mnoga su mjesta na Internetu posvećena njima. Stoga ću ih ovdje razmotriti u najopćenitijim crtama. Međutim, jedna najvažnija točka na Internetu praktički nije pokrivena - to je izbor specifičnih parametara pri izradi individualnog sustava opskrbe solarnom energijom. U međuvremenu, ovo pitanje nije tako jednostavno kao što se čini na prvi pogled. Primjer odabira parametara za solarni sustav dan je na posebnoj stranici.

Solarni paneli

Općenito govoreći, "solarna baterija" može se shvatiti kao bilo koji skup identičnih modula koji percipiraju sunčevo zračenje i kombiniraju se u jedan uređaj, uključujući čisto toplinske, ali tradicionalno se ovaj izraz dodjeljuje panelima fotonaponskih pretvarača. Stoga se pod pojmom "solarna baterija" gotovo uvijek podrazumijeva fotonaponski uređaj koji izravno pretvara sunčevo zračenje u električnu struju. Ova se tehnologija aktivno razvija od sredine 20. stoljeća. Veliki poticaj za njegov razvoj bilo je istraživanje svemira, gdje trenutno samo mali nuklearni izvori energije mogu konkurirati solarnim baterijama u pogledu snage i trajanja rada. Tijekom tog vremena, učinkovitost pretvorbe solarnih ćelija porasla je s jedan ili dva posto na 17% ili više u masovno relativno jeftinim modelima i preko 42% u prototipovima. Značajno povećan vijek trajanja i pouzdanost.

Prednosti solarnih panela

Glavna prednost solarnih panela je njihova ekstremna jednostavnost dizajna i potpuni nedostatak pokretnih dijelova. Kao posljedica toga - mala specifična težina i nepretencioznost u kombinaciji s visokom pouzdanošću, kao i najjednostavnijom ugradnjom i minimalnim zahtjevima za održavanje tijekom rada (obično je dovoljno ukloniti prljavštinu s radne površine dok se nakuplja). Predstavljajući ravne elemente male debljine, prilično su uspješno postavljeni na nagib krova okrenut prema suncu ili na zid kuće, praktički bez potrebe za dodatnim prostorom za sebe i postavljanjem zasebnih glomaznih konstrukcija. Jedini uvjet je da ih ništa ne zaklanja što je duže moguće.

Još jedna važna prednost je da se energija generira odmah u obliku električne energije - u najsvestranijem i najprikladnijem obliku do sada.

Nažalost, ništa ne traje vječno - učinkovitost fotonaponskih pretvarača opada tijekom njihova vijeka trajanja. Poluvodičke pločice, od kojih se obično sastoje solarne ćelije, s vremenom se razgrađuju i gube svoja svojstva, zbog čega ionako ne baš visoka učinkovitost solarnih ćelija postaje još manja. Dugotrajna izloženost visokim temperaturama ubrzava ovaj proces. Isprva sam to primijetio kao nedostatak fotonaponskih baterija, pogotovo jer se “mrtve” fotonaponske ćelije ne mogu obnoviti. Međutim, malo je vjerojatno da će bilo koji mehanički električni generator moći pokazati barem 1% performansi nakon samo 10 godina neprekidnog rada - najvjerojatnije će zahtijevati ozbiljne popravke mnogo ranije zbog mehaničkog trošenja, ako ne ležajeva, onda kistovi, - a moderni fotopretvarači mogu održati svoju učinkovitost desetljećima. Prema optimističnim procjenama, tijekom 25 godina učinkovitost solarne baterije opada za samo 10%, što znači da će, ako ne interveniraju drugi čimbenici, i nakon 100 godina ostati gotovo 2/3 izvorne učinkovitosti. Međutim, za masovne komercijalne fotonaponske ćelije na bazi poli- i monokristalnog silicija, pošteni proizvođači i prodavači daju nešto drugačije podatke o starenju - nakon 20 godina treba očekivati ​​gubitak učinkovitosti do 20% (teoretski, nakon 40 godina). , učinkovitost će biti 2/3 izvorne, prepolovljena za 60 godina, a za 100 godina bit će nešto manje od 1/3 izvorne produktivnosti). Općenito, normalni vijek trajanja modernih fotopretvarača je najmanje 25 .. 30 godina, tako da degradacija nije toliko kritična, a mnogo je važnije na vrijeme isprati prašinu s njih ...

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

Konačno, solarni paneli mogu generirati energiju od zore do sumraka čak i po oblačnom vremenu, kada toplinski solarni kolektori imaju temperaturu koja se samo malo razlikuje od temperature okoline. Naravno, u usporedbi s jasnim sunčanim danom, njihova produktivnost višestruko pada, ali barem je nešto bolje nego ništa! U tom smislu, od posebnog je interesa razvoj baterija s maksimalnom pretvorbom energije u onim područjima gdje oblaci najmanje apsorbiraju sunčevo zračenje. Osim toga, pri odabiru solarnih fotopretvarača treba obratiti pozornost na ovisnost napona koji oni generiraju o osvjetljenju - on treba biti što manji (kada se osvjetljenje smanjuje, prvo treba padati struja, a ne napon, jer inače, da biste dobili 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 pretvarača).

Nedostaci solarnih panela

Naravno, postoji mnogo nedostataka solarnih panela. Osim ovisnosti o vremenu i dobu dana, može se primijetiti sljedeće.

Niska učinkovitost. Isti solarni kolektor, uz pravilan izbor oblika i materijala površine, u stanju je apsorbirati gotovo svo sunčevo zračenje koje je palo na njega u gotovo cijelom spektru frekvencija koje nose zamjetnu energiju, od dalekog infracrvenog do ultraljubičastog područja. Solarne baterije, s druge strane, pretvaraju energiju selektivno - za radnu pobudu atoma potrebne su određene energije fotona (frekvencije zračenja), stoga je u nekim frekvencijskim pojasima pretvorba vrlo učinkovita, dok su im drugi frekvencijski pojasi beskorisni . Osim toga, energija fotona koju su uhvatili koristi se kvantno - njegov "višak", koji prelazi potrebnu razinu, ide na zagrijavanje materijala fotopretvarača, što je u ovom slučaju štetno. Na mnoge načine to objašnjava njihovu nisku učinkovitost.
Usput, odabir pogrešnog materijala za zaštitni premaz može značajno smanjiti učinkovitost baterije. Stvar je pogoršana činjenicom da obično staklo prilično dobro apsorbira ultraljubičasti dio raspona visoke energije, a za neke vrste fotoćelija ovaj je raspon vrlo relevantan - energija infracrvenih fotona za njih je premala.

Osjetljivost na visoke temperature. S povećanjem temperature, učinkovitost solarnih ćelija, kao i gotovo svih drugih poluvodičkih uređaja, opada. Na temperaturama iznad 100..125°C mogu općenito privremeno izgubiti radnu sposobnost, a još veće zagrijavanje im prijeti nepovratnim oštećenjima. Osim toga, povišena temperatura ubrzava razgradnju solarnih ćelija. Stoga je potrebno poduzeti sve mjere kako bi se smanjilo zagrijavanje koje je neizbježno pod užarenim izravnim sunčevim svjetlom. Tipično, proizvođači ograničavaju nazivni radni temperaturni raspon fotoćelija na +70°..+90°C (što znači zagrijavanje samih ćelija, a temperatura okoline, naravno, trebala bi biti mnogo niža).
Situaciju dodatno komplicira činjenica da je osjetljiva površina prilično krhkih fotoćelija često prekrivena zaštitnim staklom ili prozirnom plastikom. Ako između zaštitnog pokrova 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 konvekcijsko strujanje zraka koje prirodno hladi fotoćelije. Međutim, na jakom suncu i visokim vanjskim temperaturama to možda neće biti dovoljno, štoviše, ova metoda pridonosi ubrzanom otprašivanju radne površine fotoćelija. Stoga solarna baterija, čak i ako nije velika, može zahtijevati poseban sustav hlađenja. Iskreno radi, mora se reći da se takvi sustavi obično lako automatiziraju, a pogon ventilatora ili pumpe troši samo mali dio proizvedene energije. U nedostatku jarkog sunca nema puno grijanja i uopće nije potrebno hlađenje, tako da se energija ušteđena u pogonu rashladnog sustava može koristiti u druge svrhe. Treba napomenuti da u modernim tvornički izrađenim pločama zaštitni premaz obično čvrsto prianja na površinu fotoćelija i odvodi toplinu prema van, ali u samoizrađenim dizajnima mehanički kontakt sa zaštitnim staklom može oštetiti fotoćeliju.

Osjetljivost na neravnomjerno osvjetljenje. U pravilu, da bi se dobio napon baterije koji je više ili manje pogodan za korištenje (12, 24 ili više volti), fotoćelije se spajaju u serijskim lancima. Struja u svakom takvom lancu, a time i njegova snaga, određena je najslabijom karikom - fotoćelijom s najlošijim karakteristikama ili s najmanjim osvjetljenjem. Stoga, ako je barem jedan element lanca u sjeni, to značajno smanjuje izlaz cijelog lanca - gubici su nesrazmjerni sjenčanju (štoviše, u nedostatku zaštitnih dioda, takav element će početi rasipati snagu generiran od strane ostalih elemenata!). Neproporcionalno smanjenje izlaza može se izbjeći samo paralelnim spajanjem svih fotoćelija, međutim, tada će izlaz baterije imati preveliku struju pri premalom naponu - obično za pojedinačne fotoćelije to je samo 0,5 .. 0,7 V, ovisno o njihovoj vrsti i opterećenje.

Osjetljivost na zagađenje. Čak i suptilan 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 polja, posebno onih postavljenih vodoravno ili pod blagim nagibom. Naravno, isti postupak je neophodan nakon svake snježne padaline, te nakon oluje s prašinom... Međutim, daleko od gradova, industrijskih područja, prometnih cesta i drugih jakih izvora prašine pod kutom nagiba od 45° ili više, kiše su prilično sposoban isprati prirodnu prašinu s površine ploča, "automatski" ih održavajući prilično čistima. Da, i snijeg na takvoj padini, štoviše, okrenut prema jugu, čak i za vrlo mraznih dana obično se ne zadržava dugo. Dakle, daleko od izvora atmosferskog onečišćenja, 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 je najmanje 1 $ / W (1 kW - 1000 $), a to je za neučinkovite izmjene bez uzimanja u obzir troškova sastavljanja i ugradnje panela, kao i bez uzimanja u obzir cijene baterije, regulatori punjenja i inverteri (pretvarači proizvedene niskonaponske istosmjerne struje u kućni ili industrijski standard). U većini slučajeva, za minimalnu procjenu stvarnih troškova, ove brojke treba pomnožiti s 3-5 puta za samostalnu montažu iz pojedinačnih fotoćelija i 6-10 puta za kupnju gotovih kompleta opreme (plus trošak instalacije) .

Baterije imaju najkraći životni vijek od svih elemenata PV sustava napajanja, ali proizvođači modernih baterija bez održavanja tvrde da će trajati oko 10 godina u tzv. međuspremniku (ili odraditi tradicionalnih 1000 ciklusa snažnog punjenja- iscjedak - ako računate jedan ciklus godišnje).dan, tada će u ovom načinu trajati 3 godine). Napominjem da su troškovi baterija obično samo 10-20% ukupnih troškova cijelog sustava, a troškovi pretvarača i regulatora punjenja (oboje su složeni elektronički proizvodi, pa postoji vjerojatnost njihovog kvara) - čak i manje. Dakle, uzimajući u obzir dug radni vijek i sposobnost dugog rada bez ikakvog održavanja, fotopretvarači bi se mogli isplatiti više puta u životu, i to ne samo u udaljenim područjima, već iu naseljenim područjima - ako su tarife za električnu energiju nastavi rasti po trenutnoj stopi!

Solarni toplinski kolektori

Naziv "solarni kolektori" dodijeljen je uređajima koji koriste izravno grijanje sunčevom toplinom, pojedinačnim i sklopivim (modularnim). Najjednostavniji primjer toplinskog solarnog kolektora je spremnik crne vode na krovu gore spomenutog seoskog tuša (usput, učinkovitost grijanja vode u ljetnom tušu može se značajno povećati izgradnjom mini staklenika oko spremnika, na barem od plastične folije; poželjno je da između filma i stijenki spremnika odozgo i sa strane postoji razmak od 4-5 cm).

Međutim, moderni kolektori malo podsjećaju na takav spremnik. Obično su to ravne strukture izrađene od tankih crnih 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 omogućuje smanjenje ukupne duljine cijevi bez gubitka učinkovitosti. Kako bi se smanjio gubitak topline i povećalo zagrijavanje, kolektor se može odozgo pokriti staklenom pločom ili prozirnim staničastim polikarbonatom, a na stražnjoj strani ploče za distribuciju topline nepotreban gubitak topline sprječava se slojem toplinske izolacije - dobiva se vrsta "staklenika". Zagrijana voda ili druga rashladna tekućina kreće se kroz cijev, koja se može sakupiti u toplinski izoliranom spremniku. Kretanje rashladne tekućine događa se pod djelovanjem pumpe ili gravitacijom zbog razlike u gustoći rashladne tekućine prije i poslije kolektora topline. U potonjem slučaju, za više ili manje učinkovitu cirkulaciju, potreban je pažljiv odabir padina i dijelova cijevi te postavljanje samog kolektora što je moguće niže. Ali obično se kolektor postavlja na ista mjesta kao i solarna baterija - na osunčani zid ili na osunčanu padinu 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 poteći lagano zagrijana voda.

Zaštitno staklo, naravno, donekle smanjuje učinkovitost kolektora, apsorbirajući i reflektirajući nekoliko postotaka sunčeve energije, čak i ako zrake padaju okomito. Kada zrake pogode staklo pod blagim kutom u odnosu na površinu, koeficijent refleksije može se približiti 100%. Stoga, u nedostatku vjetra i potrebi samo malog zagrijavanja u odnosu na okolni zrak (za 5-10 stupnjeva, recimo, za zalijevanje vrta), "otvorene" strukture mogu biti učinkovitije od "ostakljenih". Ali čim je potrebna temperaturna razlika od nekoliko desetaka stupnjeva, ili ako se digne čak i ne baš jak vjetar, gubitak topline otvorenih konstrukcija naglo raste, a zaštitno staklo, sa svim svojim nedostacima, postaje nužnost.

Važna napomena - mora se imati na umu da se za vrućeg sunčanog dana, ako nema analize, voda može pregrijati iznad točke ključanja, stoga je potrebno poduzeti odgovarajuće mjere opreza pri projektiranju kolektora (osigurati sigurnosni ventil ). U otvorenim kolektorima bez zaštitnog stakla obično se ne može bojati takvog pregrijavanja.

Nedavno se masovno koriste solarni kolektori koji se temelje na takozvanim toplinskim cijevima (ne treba ih brkati s "toplinskim cijevima" koje se koriste za odvođenje topline u rashladnim sustavima računala). Za razliku od gore spomenutog dizajna, ovdje je svaka grijana metalna cijev, kroz koju cirkulira rashladna tekućina, zalemljena unutar staklene cijevi, a zrak se ispumpava iz razmaka 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 -35°C izvan stakla, voda u unutarnjoj metalnoj cijevi s posebnim premazom koji apsorbira najširi mogući spektar sunčevog zračenja zagrijava se do +50..+70 °C (razlika preko 100 °C) .Učinkovita apsorpcija u kombinaciji s izvrsnom toplinskom izolacijom omogućuje zagrijavanje rashladne tekućine čak iu oblačnom vremenu, iako je snaga grijanja, naravno, višestruko manja nego pri jakom suncu. Ovdje je ključno osigurati očuvanje vakuuma u međuprostoru između cijevi, odnosno vakuumsku nepropusnost spoja stakla i metala, u vrlo širokom temperaturnom rasponu, koji doseže 150 °C, tijekom cijelog vijeka trajanja. od mnogo godina. Iz tog razloga, u proizvodnji takvih kolektora ne može se bez pažljivog usklađivanja koeficijenata toplinskog širenja stakla i metala i visokotehnoloških proizvodnih procesa, što znači da je malo vjerojatno da se može napraviti potpuna vakuumska toplinska cijev. izrađen u zanatskim uvjetima. Ali jednostavniji dizajni kolektora izrađuju se samostalno bez problema, iako je, naravno, njihova učinkovitost nešto manja, posebno zimi.

Osim gore opisanih tekućih solarnih kolektora, postoje i druge zanimljive vrste struktura: zrak (rashladna tekućina je zrak i ne boji se smrzavanja), "solarna jezera" itd. Nažalost, većina istraživanja i razvoja solarnih kolektora je posebno posvećen tekućim modelima, stoga se alternativne vrste praktički ne proizvode masovno 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 s tankim stijenkama - može se savijati s minimalnim radijusom) i malo crne boje, barem bitumenskog laka. Savijemo cijev zmijom, obojimo je crnom bojom, postavimo na sunčano mjesto, spojimo na vodovod i sada je najjednostavniji solarni kolektor spreman! U isto vrijeme, zavojnici se lako može dati gotovo bilo koja konfiguracija i maksimalno iskoristiti sav prostor dodijeljen kolektoru. Najučinkovitije crnjenje koje se može primijeniti kod kuće, a koje je također vrlo otporno na visoke temperature i izravnu sunčevu svjetlost, je tanki sloj čađe. Međutim, čađa se lako briše i ispire, stoga će za takvo crnjenje biti potrebno zaštitno staklo i posebne mjere za sprječavanje mogućeg ulaska kondenzata na površinu prekrivenu čađom.

Još jedna važna prednost kolektora je što, za razliku od solarnih panela, oni mogu uhvatiti i pretvoriti u toplinu do 90% sunčevog zračenja koje ih je pogodilo, au najuspješnijim slučajevima i više. Dakle, ne samo pri vedrom vremenu, već i pri maloj naoblaci, učinkovitost kolektora premašuje učinkovitost fotonaponskih baterija. Konačno, za razliku od fotonaponskih baterija, neravnomjerno osvjetljenje površine ne uzrokuje neproporcionalno smanjenje učinkovitosti kolektora – važan je samo ukupni (integralni) tok zračenja.

Nedostaci solarnih kolektora

Ali solarni kolektori su osjetljiviji na vremenske prilike od solarnih panela. Čak i pri jakom suncu, svježi vjetar može višestruko smanjiti učinkovitost grijanja otvorenog izmjenjivača topline. Zaštitno staklo, naravno, drastično smanjuje gubitak topline vjetrom, ali u slučaju guste naoblake i ono je nemoćno. U oblačnom vjetrovitom vremenu praktički nema smisla od kolektora, a solarna baterija proizvodi barem malo energije.

Od ostalih nedostataka solarnih kolektora, prije svega ću istaknuti njihovu sezonalnost. Dovoljni su kratki proljetni ili jesenski noćni mrazevi da led koji se stvori u cijevima grijača stvori opasnost od njihovog pucanja. Naravno, to se može eliminirati grijanjem "staklenika" pomoću spirale s izvorom topline treće strane u hladnim noćima, međutim, u tom slučaju ukupna energetska učinkovitost kolektora može lako postati negativna! Druga opcija - dvokružni kolektor s antifrizom u vanjskom krugu - neće zahtijevati potrošnju energije za grijanje, ali će biti mnogo kompliciranija od opcija s jednim krugom s izravnim grijanjem vode, kako u proizvodnji tako i tijekom rada. Zračne strukture, u načelu, ne mogu se zamrznuti, ali postoji još jedan problem - niska specifična toplina zraka.

Pa ipak, možda je glavni nedostatak solarnog kolektora to što je to upravo uređaj za grijanje, i iako industrijski proizvedeni uzorci, u nedostatku toplinske analize, mogu zagrijati rashladnu tekućinu do 190..200 ° C, temperatura obično dosegnuta rijetko prelazi 60..80 °C. Stoga je vrlo teško iskoristiti ekstrahiranu toplinu za dobivanje značajnih količina mehaničkog rada ili električne energije. Uostalom, čak i za rad najniže temperaturne parno-vodene turbine (na primjer, one koju je jednom opisao V.A. Zysin), potrebno je pregrijati vodu na najmanje 110 ° C! Ali izravno u obliku topline, energija se, kao što znate, ne pohranjuje dugo, pa čak i na temperaturi nižoj od 100 ° C, obično se može koristiti samo u opskrbi toplom vodom i grijanju kuće. No, s obzirom na nisku cijenu i jednostavnost izrade, ovo bi mogao biti dovoljno dobar razlog da nabavite vlastiti solarni kolektor.

Iskreno radi, treba napomenuti da se "normalni" radni ciklus toplinskog stroja može organizirati i na temperaturama ispod 100 ° C - bilo ako se vrelište snizi snižavanjem tlaka u dijelu isparivača ispumpavanjem pare od tamo , ili korištenjem tekućine čije se vrelište nalazi između temperature zagrijavanja solarnog kolektora i temperature okoline (optimalno - 50..60°S). Istina, mogu se sjetiti samo jedne neegzotične i relativno sigurne tekućine koja više ili manje zadovoljava ove uvjete - to je etilni alkohol, koji u normalnim uvjetima vrije na 78 ° C. Očito, u ovom slučaju, svakako ćete morati organizirati zatvoreni ciklus, rješavajući mnoge povezane probleme. U nekim situacijama može biti obećavajuće koristiti motore s vanjskim grijanjem (Stirlingovi motori). S tim u vezi, upotreba legura s učinkom pamćenja oblika, koja je opisana na ovom mjestu u članku I.V.

Koncentracija sunčeve energije

Povećanje učinkovitosti solarnog kolektora prvenstveno se sastoji u ravnomjernom porastu temperature zagrijane vode iznad točke vrelišta. Da biste to učinili, obično se koristi koncentracija sunčeve energije na kolektoru pomoću ogledala. Upravo je to načelo temelj većine solarnih elektrana, a razlike su samo u broju, konfiguraciji i rasporedu zrcala i kolektora te u načinu upravljanja zrcalima. Kao rezultat toga, u točki fokusiranja sasvim je moguće postići temperaturu od čak ne stotine, već tisuće stupnjeva - na ovoj temperaturi već može doći do izravne toplinske razgradnje vode na vodik i kisik (nastali vodik može se spaliti noću i za oblačnih dana)!

Nažalost, učinkovit rad takve instalacije je nemoguć bez složenog sustava upravljanja zrcalima koncentratora, koji moraju pratiti stalno mijenjanje položaja Sunca na nebu. U suprotnom, nakon nekoliko minuta, fokusna točka će napustiti kolektor, koji u takvim sustavima često ima vrlo male dimenzije, a zagrijavanje radnog fluida će prestati. Čak i korištenje paraboloidnih zrcala samo djelomično rješava problem - ako se povremeno ne okreću za Suncem, ono za nekoliko sati više neće pasti u njihovu zdjelu ili će samo osvijetliti njegov rub - od toga će biti malo smisla.

Sunčevu energiju u „kućnim“ uvjetima najlakše ćete koncentrirati tako da blizu kolektora vodoravno postavite ogledalo tako da veći dio dana „sunčeva zraka“ pada na kolektor. Zanimljiva opcija je korištenje površine rezervoara posebno stvorenog u blizini kuće kao takvog ogledala, pogotovo ako to nije obični rezervoar, već "solarni ribnjak" (iako to nije lako učiniti, a učinkovitost refleksije će biti mnogo manji nego kod konvencionalnog ogledala). Dobar rezultat može se postići stvaranjem sustava okomitih zrcalnih čvorišta (ovaj je pothvat obično mnogo problematičniji, ali u nekim slučajevima može biti sasvim opravdano jednostavno postaviti veliko zrcalo na susjedni zid ako ono čini unutarnji kut s kolektor - sve ovisi o konfiguraciji i položaju 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 desetaka postotaka, ali ne s vremena na vrijeme), a morate pažljivo kontrolirati temperaturu baterije, osobito u vrućim, vedrim danima! Upravo zbog opasnosti od pregrijavanja neki proizvođači fotonaponskih baterija izričito zabranjuju rad svojih proizvoda s pojačanim osvjetljenjem koje se stvara uz pomoć dodatnih reflektora.

Pretvaranje sunčeve energije u mehaničku

Tradicionalne vrste solarnih instalacija ne uključuju izravno dobivanje mehaničkog rada. Da biste to učinili, električni motor mora biti spojen na solarnu bateriju na fotopretvaračima, a kada se koristi toplinski solarni kolektor, pregrijana para (i malo je vjerojatno da će biti moguće bez zrcalnih koncentratora za pregrijavanje) mora se dovoditi u ulaz u parnu turbinu ili u cilindre parnog stroja. Razdjelnici s relativno malo topline mogu pretvoriti toplinu u mehaničko gibanje na egzotičnije načine, kao što su aktuatori od legura s pamćenjem oblika.

Međutim, postoje instalacije koje uključuju pretvorbu sunčeve topline u mehanički rad, što je izravno uključeno u njihov dizajn. Štoviše, njihove veličine i snaga vrlo su različite - ovo je projekt ogromnog solarnog tornja visokog stotinama metara i skromne solarne pumpe, koja je mjesto za ljetnu kućicu.

Sunce je neiscrpan, ekološki siguran i jeftin izvor energije. Prema stručnjacima, količina sunčeve energije koja tijekom tjedan dana stigne do površine Zemlje premašuje energiju svih svjetskih rezervi nafte, plina, ugljena i urana 1 . Prema akademiku Zh.I. Alferov, “čovječanstvo ima pouzdan prirodni termonuklearni reaktor - Sunce. To je zvijezda klase Zh-2, vrlo prosječna, kojih u Galaksiji ima do 150 milijardi. Ali ovo je naša zvijezda i šalje goleme moći na Zemlju, čija nam transformacija omogućuje da zadovoljimo gotovo sve energetske potrebe čovječanstva tijekom mnogo stotina godina.” Štoviše, solarna energija je "čista" i nema negativan utjecaj na ekologiju planeta 2 .

Važna točka je činjenica da je sirovina za proizvodnju solarnih ćelija jedan od najčešćih elemenata - silicij. U zemljinoj kori silicij je drugi element nakon kisika (29,5% po masi) 3 . Prema mnogim znanstvenicima, silicij je "nafta dvadeset i prvog stoljeća": za 30 godina jedan kilogram silicija u fotonaponskom postrojenju proizvede električne energije koliko i 75 tona nafte u termoelektrani.

Međutim, neki stručnjaci smatraju da se solarna energija ne može nazvati ekološki prihvatljivom jer je proizvodnja čistog silicija za fotonapon vrlo „prljava“ i energetski vrlo intenzivna proizvodnja. Uz to, izgradnja solarnih elektrana zahtijeva izdvajanje ogromnih površina, koje se po površini mogu usporediti s akumulacijama hidroelektrana. Još jedan nedostatak solarne energije, prema stručnjacima, je velika volatilnost. Osiguranje učinkovitog rada energetskog sustava čiji su elementi solarne elektrane moguće je pod uvjetom:
- prisutnost značajnih rezervnih kapaciteta koji koriste tradicionalne nositelje energije koji se mogu spojiti noću ili u oblačnim danima;
- provođenje velike i skupe modernizacije elektroenergetskih mreža 4 .

Unatoč tom nedostatku, solarna energija nastavlja svoj razvoj u svijetu. Prije svega s obzirom na to da će energija zračenja pojeftiniti i za nekoliko godina biti značajan konkurent nafti i plinu.

Trenutno u svijetu postoje fotonaponske instalacije, pretvaranje sunčeve energije u električnu energiju na temelju metode izravne pretvorbe, i termodinamičke instalacije, kod kojih se sunčeva energija najprije pretvara u toplinu, zatim se u termodinamičkom ciklusu toplinskog stroja pretvara u mehaničku energiju, au generatoru se pretvara u električnu energiju.

Solarne ćelije kao izvor energije mogu se koristiti:
- u industriji (zrakoplovna industrija, automobilska industrija, itd.),
- u poljoprivredi,
- u sektoru kućanstva,
- u građevinskoj industriji (na primjer, eko-kuće),
- na solarnim elektranama,
- u autonomnim sustavima videonadzora,
- u autonomnim sustavima rasvjete,
- u svemirskoj industriji.

Prema Institutu za energetsku strategiju, teoretski potencijal solarne energije u Rusiji je više od 2300 milijardi tona standardnog goriva, ekonomski potencijal je 12,5 milijuna tona ekvivalentnog goriva. Potencijal sunčeve energije koja tri dana ulazi na teritorij Rusije premašuje energiju cjelokupne godišnje proizvodnje električne energije u našoj zemlji.
Zbog položaja Rusije (između 41 i 82 stupnja sjeverne širine), razina sunčevog zračenja značajno varira: od 810 kWh/m 2 godišnje u udaljenim sjevernim regijama do 1400 kWh/m 2 godišnje u južnim regijama. Velike sezonske fluktuacije također utječu na razinu sunčevog zračenja: na širini od 55 stupnjeva, sunčevo zračenje u siječnju iznosi 1,69 kWh / m 2, au srpnju - 11,41 kWh / m 2 dnevno.

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

Regije koje najviše obećavaju u pogledu korištenja sunčeve energije: Kalmikija, Stavropoljski kraj, Rostovska oblast, Krasnodarski kraj, Volgogradska oblast, Astrahanska oblast i druge regije na jugozapadu, Altaj, Primorje, Čitanska oblast, Burjatija i druge regije na jugoistoku . Štoviše, neka područja zapadnog i istočnog Sibira i Dalekog istoka premašuju razinu sunčevog zračenja u južnim regijama. Tako, na primjer, u Irkutsku (52 stupnja sjeverne širine) razina sunčevog zračenja doseže 1340 kWh/m2, dok je u Republici Yakutia-Sakha (62 stupnja sjeverne širine) ta brojka 1290 kWh/m2. pet

Trenutno Rusija ima napredne tehnologije za pretvaranje sunčeve energije u električnu energiju. Postoji niz poduzeća i organizacija koje su razvile i unapređuju tehnologiju fotoelektričnih pretvarača: i na siliciju i na višespojnim strukturama. Postoji niz razvoja u korištenju koncentrirajućih sustava za solarne elektrane.

Zakonodavni okvir za potporu razvoju solarne energije u Rusiji je u povojima. Međutim, prvi koraci su već poduzeti:
- 3. srpnja 2008.: Uredba Vlade br. 426 "O kvalifikaciji proizvodnog objekta koji radi na temelju korištenja obnovljivih izvora energije";
- 8. siječnja 2009.: Uredba Vlade Ruske Federacije N 1-r "O glavnim pravcima državne politike u području povećanja energetske učinkovitosti elektroprivrede na temelju korištenja obnovljivih izvora energije za razdoblje do do 2020"

Odobreni su ciljevi za povećanje udjela OIE u ukupnoj razini ruske energetske bilance do 2015. i 2020. na 2,5%, odnosno 4,5% 6 .

Prema različitim procjenama, trenutno u Rusiji ukupna količina solarnih proizvodnih kapaciteta puštenih u pogon nije veća od 5 MW, od čega većina otpada na kućanstva. Najveći industrijski objekt u ruskoj solarnoj elektrani je solarna elektrana snage 100 kW puštena u rad u regiji Belgorod 2010. (za usporedbu, najveća solarna elektrana na svijetu nalazi se u Kanadi s kapacitetom od 80 000 kW).

U Rusiji se trenutno provode dva projekta: izgradnja solarnih parkova u Stavropoljskom kraju (kapacitet - 12 MW) i u Republici Dagestan (10 MW) 7 . Unatoč nedostatku potpore obnovljivim izvorima energije, brojne tvrtke provode manje projekte u području solarne energije. Na primjer, Sakhaenergo je instalirao malu stanicu u Yakutiji s kapacitetom od 10 kW.

U Moskvi postoje male instalacije: u Leontievsky Lane i na Michurinsky Prospektu, ulazi i dvorišta nekoliko kuća osvijetljeni su uz pomoć solarnih modula, što je smanjilo troškove rasvjete za 25%. U ulici Timiryazevskaya na krovu jedne od autobusnih stanica postavljeni su solarni paneli koji pružaju referentni i informacijski transportni sustav i Wi-Fi.

Razvoj solarne energije u Rusiji posljedica je niza čimbenika:

1) klimatski uvjeti: ovaj čimbenik utječe ne samo na godinu postizanja pariteta mreže, već i na izbor tehnologije solarne instalacije koja je najprikladnija za određenu regiju;

2)državna potpora: prisutnost zakonski utvrđenih ekonomskih poticaja za solarnu energiju ključna je za
njegov razvoj. Među vrstama državnih potpora koje se uspješno koriste u nizu europskih zemalja i SAD-u mogu se izdvojiti: feed-in tarifa za solarne elektrane, subvencije za izgradnju solarnih elektrana, razne mogućnosti poreznih poticaja, naknade. za dio troškova servisiranja kredita za kupnju solarnih instalacija;

3)trošak SFEU (solarne fotonaponske instalacije): Danas su solarne elektrane jedna od najskupljih tehnologija proizvodnje električne energije u uporabi. Međutim, kako se cijena 1 kWh proizvedene električne energije smanjuje, solarna energija postaje konkurentna. Potražnja za SPPM-om ovisi o smanjenju cijene 1W instaliranog kapaciteta SPPM-a (~3000 USD u 2010.). Smanjenje troškova postiže se povećanjem učinkovitosti, smanjenjem tehnoloških troškova i smanjenjem isplativosti proizvodnje (utjecaj konkurencije). Potencijal smanjenja cijene 1 kW snage ovisi o tehnologiji i kreće se od 5% do 15% godišnje;

4) ekološki standardi: na tržište solarne energije moglo bi pozitivno utjecati pooštravanje ekoloških propisa (restrikcije i kazne) zbog moguće revizije Protokola iz Kyota. Poboljšanje mehanizama za prodaju emisijskih jedinica može pružiti novi gospodarski poticaj za SFE tržište;

5) ravnoteža ponude i potražnje električne energije: realizacija postojećih ambicioznih planova izgradnje i rekonstrukcije proizvodne i elektroenergetske mreže
kapacitet tvrtki izdvojenih iz RAO "UES Rusije" tijekom reforme industrije, značajno će povećati opskrbu električnom energijom i može povećati pritisak na cijenu
na veletržnici. Međutim, povlačenje starih kapaciteta i istovremeno povećanje potražnje za sobom povlači povećanje cijene;

6)prisutnost problema s tehnološkim priključkom: kašnjenja u ispunjavanju zahtjeva za tehnološko priključenje na centralizirani elektroenergetski sustav poticaj su za prelazak na alternativne izvore energije, uključujući i SFEU. Takva kašnjenja uvjetovana su kako objektivnim nedostatkom kapaciteta, tako i neučinkovitošću organiziranja tehnološkog priključka od strane mrežnih kompanija ili nedostatkom financiranja tehnološkog priključka iz tarife;

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

8) razvoj vlastite proizvodnje: Ruska proizvodnja SFEU može pozitivno utjecati 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 smanjuje se smanjenjem posrednih karika distribucijskog 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 Renova Group of Companies (51%) i Državna korporacija Russian Corporation of Nanotechnologies (49%).

Sunce zrači ogromnu količinu energije - otprilike 1,1x1020 kWh u sekundi. Kilovat sat je količina energije potrebna za 10 sati rada žarulje sa žarnom niti od 100 W. Zemljina vanjska atmosfera presreće približno jedan milijunti dio energije koju emitira Sunce ili približno 1500 kvadrilijuna (1,5 x 1018) kWh godišnje. Međutim, zbog refleksije, raspršenja i apsorpcije od strane atmosferskih plinova i aerosola, samo 47% sve energije, ili približno 700 kvadrilijuna (7 x 1017) kWh, dospijeva do površine Zemlje.

Sunčevo zračenje u Zemljinoj atmosferi dijeli se na tzv. direktno zračenje i raspršeno zračenje česticama zraka, prašine, vode i dr. sadržanih u atmosferi. Njihov zbroj čini ukupno Sunčevo zračenje. Količina energije koja pada po jedinici površine po jedinici vremena ovisi o nizu čimbenika:

• zemljopisna širina
• lokalno klimatsko doba godine
• kut nagiba površine u odnosu na sunce.

Vrijeme i geografski položaj

Količina sunčeve energije koja pada na Zemljinu površinu mijenja se zbog kretanja Sunca. Ove promjene ovise o dobu dana i godišnjem dobu. Obično više sunčevog zračenja pada na Zemlju u podne nego rano ujutro ili kasno navečer. U podne je Sunce visoko iznad horizonta, a duljina 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 Europi i više od 4 kWh/m2 dnevno ljeti u istoj regiji. Razlika se smanjuje kako se približavate ekvatoru.

Količina sunčeve energije također ovisi o geografskom položaju mjesta: što je bliže ekvatoru, to je veća. Na primjer, prosječno godišnje ukupno sunčevo zračenje koje pada na horizontalnu površinu je: u srednjoj Europi, srednjoj Aziji i Kanadi - približno 1000 kWh/m2; u Sredozemlju - oko 1700 kWh / m2; u većini pustinjskih područja Afrike, Bliskog istoka i Australije, približno 2200 kWh/m2.

Dakle, količina sunčevog zračenja značajno varira ovisno o dobu godine i geografskom položaju (vidi tablicu). Ovaj čimbenik treba uzeti u obzir pri korištenju sunčeve energije.

	Južna Europa	Srednja Europa	sjeverna Europa	Karipska regija
siječnja	2,6	1,7	0,8	5,1
veljača	3,9	3,2	1,5	5,6
ožujak	4,6	3,6	2,6	6,0
travanj	5,9	4,7	3,4	6,2
svibanj	6,3	5,3	4,2	6,1
lipanj	6,9	5,9	5,0	5,9
srpanj	7,5	6,0	4,4	6,0
kolovoz	6,6	5,3	4,0	6,1
rujan	5,5	4,4	3,3	5,7
listopad	4,5	3,3	2,1	5,3
studeni	3,0	2,1	1,2	5,1
prosinac	2,7	1,7	0,8	4,8
GODINA	5,0	3,9	2,8	5,7

Utjecaj oblaka na sunčevu energiju

Količina sunčevog zračenja koja dopire do površine Zemlje ovisi o različitim atmosferskim pojavama i položaju Sunca kako tijekom dana tako i tijekom godine. Oblaci su glavni atmosferski fenomen koji određuje količinu sunčevog zračenja koje dopire do površine Zemlje. Na bilo kojem mjestu na Zemlji, sunčevo zračenje koje dopire do površine Zemlje smanjuje se s povećanjem naoblake. Posljedično, zemlje s pretežno oblačnim vremenom primaju manje sunčevog zračenja nego pustinje, gdje je vrijeme uglavnom bez oblaka.

Na formiranje oblaka utječe prisutnost lokalnih obilježja kao što su planine, mora i oceani, kao i velika jezera. Stoga se količina sunčevog zračenja primljena u tim područjima i regijama uz njih može razlikovati. Na primjer, planine mogu primati manje sunčevog zračenja od susjednih podnožja i ravnica. Vjetrovi koji pušu prema planinama uzrokuju podizanje dijela zraka i hlađenje vlage u zraku stvaraju oblake. Količina sunčevog zračenja u obalnim područjima također se može razlikovati od one zabilježene u područjima u unutrašnjosti.

Količina sunčeve energije primljena tijekom dana uvelike ovisi o lokalnim atmosferskim pojavama. U podne uz vedro nebo, totalno sunčano

zračenje koje pada na horizontalnu površinu može doseći (npr. u srednjoj Europi) vrijednost od 1000 W/m2 (u vrlo povoljnim vremenskim uvjetima ta brojka može biti i veća), dok je za vrlo oblačnog vremena ispod 100 W/m2 čak i pri podne.

Učinci atmosferskog onečišćenja na sunčevu energiju

Antropogeni i prirodni fenomeni također mogu ograničiti količinu sunčevog zračenja koje dopire do površine Zemlje. Urbani smog, dim od šumskih požara i vulkanski pepeo u zraku smanjuju korištenje sunčeve energije povećanjem disperzije i apsorpcije sunčevog zračenja. Naime, ovi čimbenici imaju veći utjecaj na izravno sunčevo zračenje nego na ukupno. S teškim onečišćenjem zraka, na primjer, smogom, izravno zračenje smanjuje se za 40%, a ukupno - samo za 15-25%. Snažna vulkanska erupcija može smanjiti, a na velikoj površini Zemljine površine, izravno sunčevo zračenje za 20%, a ukupno - za 10% u razdoblju od 6 mjeseci do 2 godine. Sa smanjenjem količine vulkanskog pepela u atmosferi, učinak slabi, ali proces potpunog oporavka može trajati nekoliko godina.

Potencijal solarne energije

Sunce nam daje 10.000 puta više besplatne energije nego što se zapravo koristi u cijelom svijetu. Samo globalno komercijalno tržište godišnje kupi i proda nešto manje od 85 bilijuna (8,5 x 1013) kWh energije. Budući da je nemoguće pratiti cijeli proces, nije moguće sa sigurnošću reći koliko nekomercijalne energije ljudi troše (primjerice, koliko drva i gnojiva se sakupi i spali, koliko se vode koristi za proizvodnju mehaničkih ili električnih energije). Neki stručnjaci procjenjuju da takva nekomercijalna energija čini jednu petinu ukupne potrošene energije. Ali čak i ako je to točno, tada je ukupna energija koju čovječanstvo potroši tijekom godine samo otprilike jedna sedam tisućitina sunčeve energije koja udari na površinu Zemlje u istom razdoblju.

U razvijenim zemljama, poput SAD-a, potrošnja energije iznosi približno 25 bilijuna (2,5 x 1013) kWh godišnje, što odgovara više od 260 kWh po osobi dnevno. To je jednako uključivanju više od 100 žarulja sa žarnom niti od 100 W dnevno tijekom cijelog dana. Prosječan građanin SAD-a troši 33 puta više energije od Indijca, 13 puta više od Kineza, dva i pol puta više od Japanca i dvostruko više od Šveđanina.

Količina sunčeve energije koja dospijeva do površine Zemlje višestruko je veća od njezine potrošnje, čak iu zemljama poput Sjedinjenih Država, gdje je potrošnja energije ogromna. Kad bi se samo 1% teritorija zemlje koristio za instaliranje solarne opreme (fotonaponskih panela ili solarnih sustava tople vode) koji rade s 10% učinkovitosti, tada bi SAD bio u potpunosti opskrbljen energijom. Isto se može reći i za sve ostale razvijene zemlje. Međutim, to je u određenom smislu nerealno - prvo, zbog visoke cijene fotonaponskih sustava, a drugo, nemoguće je pokriti tako velika područja solarnom opremom bez štete po ekosustav. Ali sam princip je točan.

Moguće je pokriti isto područje raspršivanjem instalacija na krovovima zgrada, na kućama, uz ceste, na unaprijed određenim površinama zemlje itd. Osim toga, u mnogim zemljama već je više od 1% zemlje namijenjeno za vađenje, pretvorbu, proizvodnju i transport energije. A budući da je većina te energije neobnovljiva na razini ljudskog postojanja, ova vrsta proizvodnje energije puno je štetnija za okoliš od solarnih sustava.