Saulės energijos energetinis potencialas. Saulės energija Rusijoje: plėtros perspektyvos ir problemos

4.1.1. Saulės energijos bendrojo energijos resurso (potencialo) įvertinimas

Veiksnių, turinčių įtakos saulės energijos bendrojo energijos šaltinio vertei, analizė.Į Žemę krentančios saulės spinduliuotės energija yra 10 000 kartų didesnė už žmonijos pagaminamos energijos kiekį. Pasaulinė komercinė rinka per metus perka ir parduoda apie 85∙103 milijardus kWh energijos. Itin sunku įvertinti, kiek nekomercinės energijos sunaudoja žmonija. Kai kurie ekspertai mano, kad nekomercinis komponentas sudaro beveik 20% visos sunaudojamos energijos.

Elektros suvartojimas visoje Rusijoje 2015 metais siekė 1,036∙103 milijardus kWh.Rusijos Federacija turi didžiulę bendrųjų išteklių saulės energijos naudojimas. Bendros metinės saulės spinduliuotės, krentančios ant horizontalaus mūsų šalies teritorijos paviršiaus, energija yra apie 20,743∙10 6 mlrd. kWh/metus, o tai apie 20 000 kartų viršija energijos poreikį.

Žemės paviršiaus apšvitinimas saulės spinduliuote, turinčia šviesų, šiluminį ir baktericidinį poveikį, vadinamas insoliacija.

Insoliacija matuojama saulės spinduliuotės energijos kiekiu, patenkančiu į horizontalaus paviršiaus vienetą per laiko vienetą.

Saulės spinduliuotės srautas, einantis per 1 m 2 plotą statmenai srautui spinduliuotė vieno astronominio vieneto atstumu nuo Saulės centro (tai yra už Žemės atmosferos ribų) yra lygi 1367 W / m 2 - saulės konstantai.

Dėl Žemės atmosferos sugerties didžiausias saulės spinduliuotės srautas jūros lygyje yra 1020 W/m 2 . Tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad vidutinė saulės spinduliuotės srauto per vieną plotą paros vertė yra bent tris kartus mažesnė (dėl dienos ir nakties kaitos bei saulės kampo virš horizonto kaitos) . Žiemą vidutinio klimato platumose ši vertė yra du kartus mažesnė. Toks energijos kiekis ploto vienetui lemia saulės energijos galimybes. Saulės energijos gamybos perspektyvos taip pat mažėja dėl visuotinio pritemdymo, žmogaus sukelto saulės spinduliuotės, pasiekiančios Žemės paviršių, sumažėjimo.

Bendrą saulės spinduliuotę Žemės atmosferoje sudaro tiesioginė ir išsklaidyta spinduliuotė . Energijos kiekis, krentantis ploto vienetui per laiko vienetą, priklauso nuo:

- vietovės geografinė platuma,

– vietinis klimatas ir metų laikas,

- atmosferos oro tankis, drėgmė ir užterštumo laipsnis,

– metinis ir kasdienis Žemės judėjimas,

- žemės paviršiaus pobūdis,

- nuo paviršiaus, ant kurio krenta spinduliuotė, pasvirimo kampo Saulės atžvilgiu.

Atmosfera sugeria dalį saulės energijos. Kuo ilgesnis saulės šviesos kelias atmosferoje, tuo mažiau tiesioginės saulės energijos pasiekia žemės paviršių. Saulei esant zenite (spindulių kritimo kampas 90°), jos spinduliai į Žemę atsitrenkia trumpiausiu keliu ir intensyviai atiduoda savo energiją nedideliam plotui. Žemėje tai vyksta aplink pusiaują tropikuose. Tolstant nuo šios zonos į pietus ar šiaurę, saulės spindulių kelio ilgis didėja, o jų kritimo į žemės paviršių kampas mažėja. Kaip rezultatas:

padidėjęs energijos praradimas ore,

saulės spinduliuotė pasiskirsto dideliame plote,

sumažinti tiesioginės energijos kiekį, patenkantį į ploto vienetą, ir

didinant išsklaidytos spinduliuotės dalį.

Be to, paros ilgis skirtingu metų laiku priklauso ir nuo vietovės platumos, nuo kurios priklauso ir į žemės paviršių patenkančios saulės spinduliuotės kiekis. Svarbus veiksnys, lemiantis saulės energijos potencialą, yra saulės spinduliavimo trukmė per metus (4.1 pav.).

Ryžiai. 4.1. Saulės trukmė Rusijoje, valanda/metai

Didelių platumų teritorijose, kur nemaža žiemos laiko dalis patenka į poliarinę naktį, radiacijos srauto skirtumas vasarą ir žiemą gali būti gana didelis. Taigi už poliarinio rato saulės šviesos trukmė svyruoja nuo 0 valandų gruodžio mėnesį iki 200–300 valandų birželio ir liepos mėnesiais, o metinė trukmė yra apie 1200–1600 valandų. Šalies šiaurėje saulės energijos kiekis, pasiekiantis Žemės paviršių žiemą, nuo vidutinės metinės vertės skiriasi mažiau nei 0,8 kWh / (m 2 × para), vasarą - daugiau nei 4 kWh / m 2. Jei žiemos mėnesiais saulės spinduliuotės lygiai šiauriniuose ir pietiniuose Rusijos regionuose labai skiriasi, tai vasaros insoliacijos rodikliai šiose teritorijose dėl ilgo šviesaus paros laiko šiaurinėse platumose yra gana palyginami. Tačiau dėl mažesnės metinės saulės šviesos trukmės aplinkpoliarinės teritorijos pagal bendrą saulės spinduliuotę yra prastesnės nei vidurinės zonos ir pietų regionai, atitinkamai 1,3 ir 1,7 karto.

Klimato sąlygos tam tikroje vietovėje lemia debesuotumo trukmę ir lygį regione, drėgmę ir oro tankį. Debesys – pagrindinis atmosferos reiškinys, mažinantis Žemės paviršių pasiekiančios saulės energijos kiekį. Jų formavimuisi įtakos turi tokie vietinio reljefo ypatumai kaip kalnai, jūros ir vandenynai bei dideli ežerai. Todėl šiose zonose ir šalia jų esančiuose regionuose gaunamos saulės spinduliuotės kiekis gali skirtis.

Žemės paviršiaus ir reljefo prigimtis taip pat turi įtakos jos atspindžiui. Paviršiaus gebėjimas atspindėti spinduliuotę vadinamas albedas (iš lotynų kalbos – baltumas). Nustatyta, kad žemės paviršiaus albedas kinta labai plačiame diapazone. Taigi gryno sniego albedas yra 85-90%, smėlis - 30-35%, chernozem - 5-14%, žali lapai - 20-25%, geltoni lapai - 33-39%, vandens paviršius saulės aukštyje 90 0 – 2 %, vandens paviršius Saulės aukštyje 20 0 – 78 %. Atsispindėjusi spinduliuotė padidina išsklaidytos spinduliuotės komponentą.

Antropogeninė ir natūrali atmosferos tarša taip pat gali apriboti saulės spinduliuotės kiekį, galintį pasiekti žemės paviršių. Miesto smogas, miškų gaisrų dūmai ir ore sklindantys vulkaniniai pelenai mažina saulės energijos naudojimą, padidindami saulės spinduliuotės sklaidą ir sugertį. Šie veiksniai turi didesnę įtaką tiesioginei saulės spinduliuotei nei bendrai. Esant stipriai oro taršai, pavyzdžiui, smogui, tiesioginė spinduliuotė sumažėja 40%, o bendra - tik 15-25%. Stiprus ugnikalnio išsiveržimas gali sumažinti, o dideliame Žemės paviršiaus plote, tiesioginę saulės spinduliuotę 20%, o iš viso - 10% nuo 6 mėnesių iki 2 metų. Sumažėjus vulkaninių pelenų kiekiui atmosferoje, poveikis silpnėja, tačiau visiško atsigavimo procesas gali užtrukti keletą metų.

Saulės energijos kiekis, patenkantis į priimantį paviršių, taip pat keičiasi, kai skirtingais metų mėnesiais keičiasi Saulės padėtis per dieną. Paprastai daugiau saulės spinduliuotės pasiekia Žemę vidurdienį nei anksti ryte ar vėlai vakare. Vidurdienį Saulė yra aukštai virš horizonto, o saulės šviesos praėjimo per Žemės atmosferą kelio ilgis sumažėja. Vadinasi, mažiau išsklaidoma ir sugeriama saulės spinduliuotė, o tai reiškia, kad daugiau jos pasiekia paviršių. Be to, saulės spindulių kritimo į priimantį paviršių kampo nuokrypis nuo 90 ° sumažina energijos kiekį ploto vienete - projekcijos efektą. Šio poveikio įtaka insoliacijos lygiui matyti 4.2 pav.

Ryžiai. 4.2. Saulės spindulių kritimo kampo keitimo įtaka vertei

insoliacija – projekcijos efektas

Vienas 1 km pločio saulės energijos srautas krenta į žemę 90 ° kampu, o kitas tokio pat pločio 30 ° kampu. Abu srautai neša tą patį energijos kiekį. Šiuo atveju įstrižas saulės spindulys išsklaido savo energiją dvigubai didesniame plote nei spindulys, statmenas priimančiam paviršiui, ir todėl per laiko vienetą ploto vienetui tekės perpus mažiau energijos.

Žemės paviršius, sugeriantis saulės spinduliuotę (absorbuota spinduliuotė),įkaista ir išspinduliuoja šilumą į atmosferą (atspindėta spinduliuotė). Apatiniai atmosferos sluoksniai iš esmės atitolina sausumos spinduliuotę. Žemės paviršiaus sugeriama spinduliuotė naudojama dirvožemiui, orui ir vandeniui šildyti.

Ta visos spinduliuotės dalis, kuri lieka po žemės paviršiaus atspindžio ir šiluminės spinduliuotės, vadinama radiacijos balansas.Žemės paviršiaus radiacijos balansas kinta per dieną ir metų laikais.

Informacijos šaltiniai saulės energijos bendrojo resurso (potencialo) vertei įvertinti.Šio saulės energijos bendrojo resurso (potencialo) vertės įvertinimo informacinis pagrindas yra saulės spinduliuotės matavimo duomenys įvairiuose šalies regionuose su vėliau regiono padalijimu į zonas, kurių insoliacijos lygis yra gana vienodas. Šiems tikslams reikalingi duomenys, generuojami naudojant aktinometrinių stebėjimų rezultatus, t.y. duomenys apie tiesioginės, išsklaidytos ir suminės saulės spinduliuotės intensyvumą, apie radiacijos balansą ir spinduliuotės atspindžio nuo žemės paviršiaus pobūdį (albedo).

Atsižvelgiant į tai, kad Rusijoje smarkiai sumažėjo meteorologijos stočių, atliekančių antžeminius aktinometrinius stebėjimus, 2014 m. bendrajam potencialui įvertinti buvo naudojama informacija apie saulės energijos išteklių pasiskirstymą iš NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE) duomenų bazės. saulės energijos (išteklių). Ši bazė buvo suformuota remiantis palydoviniais žemės paviršiaus radiacijos balanso matavimais, atliktais kaip Pasaulio klimato tyrimų programos Tarptautinės palydovinės ir debesų klimatologijos programos (ISCCP) dalis nuo 1983 m. liepos mėn. iki 2005 m. birželio mėn. Remiantis jų rezultatais, atsižvelgiant į spinduliuotės atspindžio nuo žemės paviršiaus pobūdį, debesuotumą, atmosferos taršą aerozoliais ir kitus veiksnius, buvo nustatytos mėnesinės saulės spinduliuotės kiekių, patenkančių į horizontalų paviršių, vertės. apskaičiuojamas 1º × 1º tinkleliui, apimančiam visą Žemės rutulį, įskaitant Rusijos Federacijos teritoriją.

Suminės spinduliuotės, patenkančios į nuožulnų paviršių tam tikru orientacijos kampu, apskaičiavimas. Vertinant potencialą, reikia mokėti nustatyti bendrosios spinduliuotės kiekį, tam tikru metu krentantį ant nuožulnaus paviršiaus, orientuoto į mus dominančiu kampu žemės paviršiaus atžvilgiu.

Prieš pradedant suminės spinduliuotės skaičiavimo metodikos aprašą, būtina supažindinti su pagrindinėmis sąvokomis, susijusiomis su saulės spinduliuotės vertinimu.

Peržiūra vyks m horizontalioji koordinačių sistema.Šioje sistemoje koordinačių pradžia yra stebėtojo vietoje žemės paviršiuje. Horizontali plokštuma veikia kaip pagrindinė plokštuma – plokštuma matematinis horizontas. Viena koordinatė šioje sistemoje yra arba saulės aukštis α, arba jo zenito atstumas z. Kita koordinatė yra azimutas a.

Matematinis horizontas yra didelis dangaus sferos ratas, kurio plokštuma yra statmena svambalai taške, kuriame yra stebėtojas.

Matematinis horizontas nesutampa su matomas horizontas dėl Žemės paviršiaus nelygybių, skirtingų stebėjimo taškų aukščių, taip pat dėl ​​šviesos spindulių kreivumo atmosferoje.

Saulės zenito kampas z yra kampas tarp saulės spindulio ir horizontalios plokštumos normalės stebėjimo taške A.

Saulės aukščio kampas α yra kampas vertikalioje plokštumoje tarp saulės spindulio ir jo projekcijos horizontalioje plokštumoje. α+z suma yra 90°.

Saulės azimutas a- tai kampas horizontalioje plokštumoje tarp saulės spindulio projekcijos ir krypties į pietus.

Paviršiaus azimutas a p matuojamas kaip kampas tarp normalios atitinkamo paviršiaus ir pietų krypties.

Saulės deklinacijos kampas- tai kampas tarp linijos, jungiančios Žemės ir Saulės centrus, ir jos projekcijos pusiaujo plokštumoje. Saulės deklinacija nuolat kinta ištisus metus - nuo -23 ° 27 „žiemos saulėgrįžos dieną gruodžio 22 d. iki + 23 ° 27“ vasaros saulėgrįžos dieną birželio 22 d., o lygi nuliui pavasario ir rudens lygiadienius (kovo 21 ir rugsėjo 23 d.).

Vietinis tikrasis saulės laikas – tai laikas, kurį stebėtojo vietoje nustato regima Saulės padėtis dangaus sferoje. 12 valandų vietinis saulės laikas atitinka laiką, kai Saulė yra savo zenite (aukščiausioje danguje).

Vietinis laikas dažniausiai skiriasi nuo vietinio saulės laiko dėl žemės orbitos ekscentriškumo, žmonių naudojamų laiko juostų ir dirbtinių laiko poslinkių taupant energiją.

Dangaus pusiaujas- tai didelis dangaus sferos ratas, kurio plokštuma yra statmena pasaulio ašiai (žemės sukimosi ašiai) ir sutampa su žemės pusiaujo plokštuma.

Dangaus pusiaujas padalija dangaus sferos paviršių į du pusrutulius: šiaurinį pusrutulį, kurio smailė yra šiauriniame dangaus ašigalyje, ir pietinį pusrutulį, kurio smailė yra pietiniame dangaus ašigalyje.

dangaus dienovidinis- didelis dangaus sferos ratas, kurio plokštuma eina per svambalo liniją ir pasaulio ašį (žemės sukimosi ašį).

valandos kampas- kampinis atstumas, išmatuotas išilgai dangaus pusiaujo į vakarus nuo dangaus dienovidinio (tos jo dalies, kurią saulė kerta viršutinės kulminacijos metu) iki valandos apskritimo, einančio per pasirinktą dangaus sferos tašką.

Valandos kampas yra vietinio saulės laiko pavertimo laipsnių skaičiumi, kurį saulė nukeliauja dangumi. Pagal apibrėžimą valandos kampas vidurdienį yra lygus nuliui. Kadangi Žemė per valandą sukasi 15 0 (360 o / 24 val.), tai kiekvieną valandą po pietų Saulė pasisuka 15 0 . Ryte saulės kampas neigiamas, vakare – teigiamas.

Kaip Papildoma informacija bendrai spinduliuotei apskaičiuoti naudojamos šių rodiklių reikšmės, gautos statistiškai apdorojant stebėjimo duomenis:

- vidutinis mėnesinis bendros saulės spinduliuotės kiekis, krentantis į horizontalų plotą per dieną, ;

yra vidutinis mėnesinis išsklaidytos (difuzinės) saulės spinduliuotės kiekis, krentantis į horizontalų plotą per dieną, ;

– žemės paviršiaus albedas – vidutinis mėnesinis žemės paviršiaus atspindimos saulės spinduliuotės kiekio ir visos žemės paviršiuje krintančios saulės spinduliuotės kiekio (t. y. žemės paviršiaus atspindimos spinduliuotės dalies) santykis.

Visi tolesni skaičiavimai atliekami „vidutinei mėnesio dienai“, t.y. dieną, kai Saulės deklinacijos kampas yra artimiausias vidutiniam mėnesio kampui.

Saulės spinduliuotė ant horizontalaus paviršiaus. Naudojant šią informaciją, visos (ir išsklaidytos () saulės spinduliuotės) vertės horizontalus paviršius per t- stebėjimo valanda:

Ir - perėjimo nuo dienos į valandinę spinduliuotę koeficientai - nustatomi taip:

- valandos kampas t-skaičiuojama paros valanda, laipsniai;

- saulėlydžio valandos kampas (saulėlydis), deg.

saulės valandų kampas apskaičiuojamas naudojant santykį

– Saulės vidurdienio laikas, apie kurį informaciją galima rasti NASA duomenų bazėje, valanda.

Saulėlydžio valandos kampasįvertintas kaip

– platuma, laipsniai;

yra saulės deklinacijos kampas, deg.

Saulės deklinacijos kampas nustatoma pagal šią formulę

– metų diena (nuo 1 iki 365).

Saulės spinduliuotė ant savavališkai orientuoto nuožulnaus paviršiaus . Skaičiavimas valandos bendros saulės spinduliuotės, krentantis ant pasvirusio paviršiaus, orientuoto kampu į horizontą, gaminamas taip

yra tiesioginės saulės spinduliuotės kritimo kampas ant nuožulnaus paviršiaus, savavališkai orientuoto kampu į horizontą t- valanda, laipsniai;

yra Saulės zenito kampas t- valanda, laipsniai;

yra paviršiaus polinkio į horizontą kampas, laipsniai;

Saulės zenito kampas

Kritimo kampas tiesiai saulės radiacija ant nuožulnaus paviršiaus, savavališkai orientuoto kampu į horizontą:

yra Saulės azimutinis kampas t- paros valanda, laipsniai;

yra nuožulniojo paviršiaus azimutas, deg.

Tiesioginės saulės spinduliuotės kritimo kampas į nuožulnų paviršių, savavališkai orientuotą kampu į horizontą, taip pat gali būti apskaičiuojamas naudojant šiuos ryšius:

Aukščiau aptarti santykiai gali būti naudojami saulės energijos potencialui įvertinti, diferencijuojant į valandos (arba trijų valandų) dienos intervalus.

Bendrasis saulės energijos elektros energijos šaltinis (potencialas). Apskaičiuojant mūsų šalies saulės energijos bendrąjį elektros energijos išteklius, buvo naudojamos vidutinės mėnesinės bendros saulės spinduliuotės į 1 m 2 dienos vertės. horizontali plokštuma (kW h / (m 2 ∙ diena)). Remiantis šia informacija, diferencijuojant pagal federacijos subjektus, vidutinis saulės spinduliuotės kiekis buvo įvertintas milijonais kWh, per metus patenkant į 1 kvadratinį kilometrą teritorijos (arba kWh / (m 2 ∙ metai)) pav. 4.3.

Ryžiai. 4.3. Kasmetinių saulės energijos išteklių pasiskirstymas Rusijos Federacijos teritorijoje su išsamia informacija pagal federalinius subjektus

Žemėlapyje kiekvienam federacijos subjektui priskiriamas jo kodas.

Žemiau pateikiamas federacijos subjektų sąrašas su jų kodais su diferencijavimu pagal Rusijos federacinius rajonus. Atsižvelgiant į atsinaujinančių energijos šaltinių energetinio potencialo vertinimo specifiką, Maskvos ir Sankt Peterburgo miestai atitinkamai sujungiami su Maskvos ir Leningrado sritimis, priskiriant jungtinės teritorijos regiono kodą. Federacijos subjektus, turinčius didelę dalį nuo šiaurės iki pietų, galima suskirstyti į dalis: šiaurę, centrą, pietus.

1. Centrinė federalinė apygarda: (31) Belgorodo sritis, (32) Briansko sritis, (33) Vladimiro sritis, (36) Voronežo sritis, (37) Ivanovo sritis, (40) Kalugos sritis, (44) Kostromos sritis, (46) Kursko sritis, ( 48) Lipecko sritis, (50) Maskvos sritis ir Maskva, (57) Oriolio sritis, (62) Riazanės sritis, (67) Smolensko sritis, (68) Tambovo sritis, (69) Tverės sritis, (71) Tulos sritis ( 76) Jaroslavlio sritis.

2. Šiaurės vakarų federalinė apygarda: ( 10) Karelijos Respublika, (11) Komijos Respublika, (29) Archangelsko sritis, (35) Vologdos sritis, (39) Kaliningrado sritis, (47) Leningrado sritis ir Sankt Peterburgas, (51) Murmansko sritis (53) Novgorodo sritis , (60) Pskovo sritis, (83) Nencų autonominė apygarda.

3. Pietų federalinė apygarda: ( 1) Adigėjos Respublika, (8) Kalmukijos Respublika, (23) Krasnodaro sritis, (30) Astrachanės sritis, (34) Volgogrado sritis, (61) Rostovo sritis, (91) Krymo Respublika ir Sevastopolis.

4. Šiaurės Kaukazo federalinė apygarda: ( 5) Dagestano Respublika, 6) Ingušijos Respublika, 7) Kabardino-Balkarijos Respublika, 9) Karačajaus Respublika-Čerkesija, 15) Šiaurės Osetijos Respublika-Alanija, 20) Čečėnijos Respublika, (26) Stavropolio teritorija.

5. Volgos federalinė apygarda: ( 2) Baškirijos Respublika, (12) Mari El Respublika, (13) Mordovijos Respublika, (16) Tatarstano Respublika, (18) Udmurtijos Respublika, (21) Čiuvašijos Respublika, (43) Kirovo sritis (52) ) Nižnij Novgorodo sritis, (56) ) Orenburgo sritis, (58) Penzos sritis, (59) Permės sritis, (63) Samaros sritis, (64) Saratovo sritis, (73) Uljanovsko sritis.

6. Uralo federalinė apygarda: ( 45) Kurgano sritis, (66) Sverdlovsko sritis, (72) Tiumenės sritis, (74) Čeliabinsko sritis, (86) Chanty-Mansiysk Aok-Yugra, (89) Jamal-Nenets Aok.

7. Sibiro federalinė apygarda: (3) Buriatijos Respublika, (4) Altajaus Respublika, (17) Tyvos Respublika, (19) Chakasijos Respublika, (22) Altajaus teritorija, (24) Krasnojarsko teritorija (24-1. Šiaurė, 24-2) Centras, 24 -3. Pietūs), (38) Irkutsko sritis (38-1. Šiaurė, 38-2. Pietūs), (42) Kemerovo sritis, (54) Novosibirsko sritis, (55) Omsko sritis, (70) Tomsko sritis, ( 75) Trans-Baikalo teritorija.

8. Tolimųjų Rytų federalinė apygarda: ( 14) Sachos Respublika (Jakutija) (14-1. Šiaurė, 14-2. Centras, 14-3. Pietūs), (25) Primorskio teritorija, (27) Chabarovsko teritorija, (27-1. Šiaurė, 27-2) Pietūs, (28) Amūro sritis, (41) Kamčiatkos sritis, (49) Magadano sritis, (65) Sachalino sritis, (79) žydų autonominė sritis, (87) Čiukotkos autonominė sritis.

Dabartinė nuomonė, kad Rusija, esanti daugiausia vidutinėse ir aukštosiose platumose, neturi reikšmingų saulės energijos išteklių efektyviam energijos naudojimui, yra neteisinga. Žemiau esančiame žemėlapyje (4.4 pav.) parodytas vidutinis metinis saulės spinduliuotės energijos išteklių pasiskirstymas Rusijos teritorijoje, kuris atkeliauja vidutiniškai per dieną per 1 pietinės orientacijos platformos su optimaliu pasvirimo kampu į horizontą(kiekvienam geografiniam taškui tai yra atskiras kampas, kuriame bendra metinė saulės spinduliuotės energija į vieną vietą yra didžiausia).

4.4 pav. Metinis vidutinis dienos saulės energijos pasiskirstymas

radiacija visoje Rusijos teritorijoje, kW × valanda / (m 2 × para) (optimaliai

į pietus orientuotas paviršius)

Atsižvelgiant į pateiktą žemėlapį matyti, kad dabartinėse Rusijos sienose „saulėčiausi“ yra ne Šiaurės Kaukazo regionai, kaip daugelis mano, o Primorės ir Pietų Sibiro regionai (4,5–5 kWh / (m 2 *). dieną) ir daugiau). Įdomu tai, kad gerai žinomi Juodosios jūros kurortai (Sočis ir kiti) pagal vidutinį metinį saulės spinduliuotės kiekį (pagal natūralų potencialą ir saulės insoliacijos išteklius) priklauso tai pačiai zonai kaip ir didžioji dalis Sibiro, įskaitant Jakutiją (4,0). -4. 5 kW × valanda / (m 2 × para)).

Energetiškai menkai aprūpintoms vietovėms su decentralizuotu energijos tiekimu svarbu, kad daugiau nei 60 % šalies teritorijos, įskaitant daugelį šiaurinių regionų, būtų būdingas vidutinis metinis saulės spinduliuotės suvartojimas nuo 3,5 iki 4,5 kWh / (m 2 × dieną), kuri niekuo nesiskiria nuo pietų Vokietijos, kurioje plačiai naudojami saulės energijos įrenginiai.

Žemėlapio analizė rodo, kad Rusijos Federacijoje didžiausias insoliacijos intensyvumas nuo 4,5 iki 5,0 kWh / m 2 ar daugiau per dieną stebimas Primorėje, Sibiro pietuose, Tuvos Respublikos pietuose ir Pietų Respublikoje. Buriatijoje ir net už poliarinio rato rytinėje Severnaja Zemlijos dalyje, o ne pietiniuose šalies regionuose. Pagal saulės potencialą, 4,0–4,5 kWh / (m 2 * parą), Krasnodaro sritis, Rostovo sritis, pietinė Volgos srities dalis, didžioji dalis Sibiro (įskaitant Jakutiją), pietiniai Novosibirsko regionai, Irkutsko sritis, Buriatija, Tyva, Chakasija , Primorskio ir Chabarovsko teritorijos, Amūro sritis, Sachalino sala, didžiulės teritorijos nuo Krasnojarsko krašto iki Magadano, Severnaja Zemlija, Jamalo-Nencų autonominio apygardos šiaurės rytai priklauso tai pačiai zonai kaip Šiaurės Kaukazas su garsiais Rusijos Juodosios jūros kurortais. Nižnij Novgorodas, Maskva, Sankt Peterburgas, Salechardas, rytinė Čiukotkos ir Kamčiatkos dalis pasižymi vidutine saulės spinduliuote nuo 2,5 iki 3 kWh/m 2 per parą. Likusioje šalies dalyje vyrauja insoliacijos intensyvumas nuo 3 iki 4 kWh/m 2 per parą.

Didžiausias energijos srautas yra gegužės, birželio ir liepos mėnesiais. Šiuo laikotarpiu centrinėje Rusijoje už 1 kv. metras paviršiaus sudaro 5 kWh per dieną. Mažiausias intensyvumas yra gruodžio-sausio mėnesiais, kai 1 kv. metras paviršiaus sudaro 0,7 kWh per dieną.

Atsižvelgiant į esamą situaciją, Ukrainos žemėlapyje (4.3 pav.) galima analizuoti saulės radiacijos lygį Krymo teritorijoje.

Ryžiai. 4.3. Metinis gaunamos saulės spinduliuotės pasiskirstymas pagal

Ukrainos teritorija, kW × valanda / (m 2 × metai) (optimaliai orientuota).

į pietus nukreiptas paviršius)

Bendrasis šiluminės energijos šaltinis saulės energija. Bendrasis šiluminės energijos išteklius (potencialas) nustato didžiausią šiluminės energijos kiekį, atitinkantį saulės spinduliuotės, patenkančios į Rusijos teritoriją, energiją.

Informacija, skirta įvertinti šį išteklį, gali būti insoliacija mega- arba kilokalorijomis paviršiaus vienetui, gaunančiam spinduliuotę per laiko vienetą.

4.4 paveiksle pateikiamas supratimas apie bendros saulės spinduliuotės pasiskirstymą horizontaliame Rusijos Federacijos teritorijos paviršiuje kilokalorijomis 1 cm2 per metus.

4.4 pav. Metinis gaunamos saulės spinduliuotės pasiskirstymas pagal

Rusijos teritorija, kcal / (cm 2 × metai)

Išsamų Rusijos teritorijos zonavimą pagal saulės spinduliuotės potencialą galima pamatyti 4.6 pav. Pagal naudojimo potencialo prioritetą paskirta 10 zonų. Akivaizdu, kad pietiniuose Europos dalies regionuose, Užbaikalės pietuose ir Tolimuosiuose Rytuose yra palankiausios sąlygos praktiškai panaudoti saulės energiją.

Ryžiai. 19. Rusijos teritorijos zonavimas pagal saulės potencialą

spinduliuotė (skaičius apskritime yra skaičius pagal potencialo prioritetą)

Saulės energijos bendrųjų energijos potencialų vertės su diferencijavimu pagal Rusijos Federacijos federalinius rajonus.

Vertinant saulės energetikos pramonės techninį potencialą, buvo naudojami tuo metu labiausiai paplitusių (90 proc.) silicio pagrindu pagamintų fotovoltinių elementų, kurių efektyvumas siekė 15 proc., rodikliai. Saulės įrenginių darbo plotas, atsižvelgiant į fotovoltinių elementų išdėstymo fotovoltiniuose moduliuose tankį, buvo lygus 0,1% nagrinėjamo regiono teritorijos ploto, kuris yra vienalytis radiacijos lygiu. . Techninis potencialas buvo apskaičiuotas standartinio kuro tonomis kaip teritorijos bendrojo saulės potencialo sandauga iš fotovoltinių elementų užimamo ploto dalies ir jų naudingumo koeficiento.

Regiono techninio šilumos ir elektros potencialo apibrėžimas orientuotas į technines galimybes saulės spinduliuotės energiją paversti šilumine energija efektyviausiuose saulės karšto vandens tiekimo įrenginiuose. Techninio potencialo vertinimas atliktas remiantis duomenimis apie tokių įrenginių šilumos išeigą kiekvienoje iš vienodo insoliacijos lygio teritorijų ir prielaidomis: saulės kolektorių užimamas plotas lygus 1 proc. nagrinėjamos teritorijos ploto, šilumos ir elektros instaliacijos plotų santykis – atitinkamai 0,8 ir 0,2, o kuro įrenginio naudingumo koeficientas – 0,7. Perskaičiavimas į standartinio kuro tonas buvo atliktas naudojant 0,34 tce/kWh koeficientą.

Objektyviausias iš žinomų rodiklių, apibūdinančių galimybę praktiškai panaudoti saulės energijos išteklius, yra laikomas jos ekonominio potencialo rodikliu. Elektrinių ir šiluminių saulės energijos įrenginių ekonominis pagrįstumas ir naudojimo apimtys turėtų būti nustatomos atsižvelgiant į jų konkurencingumą su tradiciniais energijos šaltiniais. Reikiamo kiekio reikalingos ir patikimos informacijos trūkumas lėmė supaprastintus metodus, pagrįstus kvalifikuotų ekspertų nuomonėmis, vertinant ekonominio potencialo dydį.

Ekspertų vertinimu, saulės energijos pramonės ekonominis potencialas buvo išnaudotas lygus 0,05% metinio elektros suvartojimo nagrinėjamame regione (pagal Rosstat), paverčiant jį į tonas standartinio kuro.

Esant žinomam saulės spinduliavimo intensyvumui, bendras saulės spinduliuotės energijos potencialas gali būti apskaičiuojamas standartinio kuro tonomis, kilovatvalandėmis, gigakalorijomis. Atsižvelgiant į fotovoltinių elementų panaudojimą saulės energijoje elektros energijai gaminti ir saulės kolektorių panaudojimą šilumai gaminti, bendras techninis ir ekonominis potencialas pagal aukščiau aptartą metodiką skirstomas į elektros ir šilumos energiją (9 lentelė).

Įvadas

Saulė, kaip žinote, yra pagrindinis ir pagrindinis mūsų planetos energijos šaltinis. Jis sušildo visą Žemę, pajudina upes ir perduoda energiją vėjui. Po jo spinduliais auga 1 kvadrilijonas tonų augalų, kurie savo ruožtu maitina 10 trilijonų tonų gyvūnų ir bakterijų. Tos pačios Saulės dėka žemėje susikaupė angliavandenilių atsargos, tai yra nafta, anglis, durpės ir kt., kurias dabar aktyviai deginame. Kad žmonija šiandien galėtų patenkinti savo energijos išteklių poreikius, per metus reikia apie 10 milijardų tonų standartinio kuro. (Etaloninio kuro kaloringumas yra 7000 kcal/kg).

Užduotys:

Apsvarstykite pagrindinius fizinius principus ir reiškinius;

· formuoti žinias ir įgūdžius, leidžiančius atlikti teorinį pagrindinių parametrų skaičiavimą;

Apsvarstykite saulės energijos naudojimo pranašumus ir trūkumus

Apsvarstykite būdus, kaip gaminti elektrą ir šilumą iš saulės spinduliuotės

saulės energija- saulės spinduliuotės naudojimas bet kokios formos energijai gaminti. Saulės energija naudoja atsinaujinantį energijos šaltinį ir ateityje gali tapti draugiška aplinkai, tai yra, negamina kenksmingų atliekų.

Saulės spinduliuotė yra praktiškai neišsenkantis energijos šaltinis, ji patenka į visus Žemės kampelius, yra „po ranka“ bet kuriam vartotojui ir yra aplinkai nekenksmingas prieinamas energijos šaltinis.

Saulės šviesos ir šilumos naudojimas yra švarus, paprastas ir natūralus būdas gauti visų mums reikalingų energijos formų. Saulės kolektoriai gali šildyti namus ir komercinius pastatus arba aprūpinti juos karštu vandeniu. Saulės šviesa, sukoncentruota paraboliniais veidrodžiais (atšvaitais), naudojama šilumai generuoti (temperatūra iki kelių tūkstančių laipsnių Celsijaus). Jis gali būti naudojamas šildymui arba elektros gamybai. Be to, yra dar vienas būdas gaminti energiją pasitelkus Saulės – fotovoltinės technologijos. Fotovoltiniai elementai yra įrenginiai, kurie saulės spinduliuotę tiesiogiai paverčia elektra.

SAULĖS ENERGIJA

Saulės energija yra gyvybės šaltinis mūsų planetoje. Saulė šildo atmosferą ir žemės paviršių. Saulės energijos dėka pučia vėjai, gamtoje vyksta vandens ciklas, įkaista jūros ir vandenynai, vystosi augalai, gyvūnai turi maisto. Būtent saulės spinduliuotės dėka Žemėje egzistuoja iškastinis kuras. Saulės energiją galima paversti šiluma arba šalčiu, varomąja jėga ir elektra.

Saulės radiacija

Saulės spinduliuotė yra elektromagnetinė spinduliuotė, daugiausia koncentruota 0,28 ... 3,0 mikronų bangų ilgių diapazone. Saulės spektrą sudaro:

Ultravioletinės bangos, kurių ilgis yra 0,28 ... 0,38 mikrono, nematomos mūsų akims ir sudaro apie 2% saulės spektro;

Šviesos bangos 0,38 ... 0,78 mikronų diapazone, sudarančios maždaug 49 % spektro;

Infraraudonosios bangos, kurių ilgis 0,78 ... 3,0 mikronų, kurios sudaro didžiąją dalį likusių 49% saulės spektro. Likusios spektro dalys vaidina nereikšmingą vaidmenį Žemės šilumos balanse.

Kiek saulės energijos pasiekia žemę?

Saulė skleidžia didžiulį energijos kiekį – maždaug 1,1x10 20 kWh per sekundę. Kilovatvalandė – tai energijos kiekis, reikalingas 100 vatų kaitrinei lemputei 10 valandų veikti. Išorinė Žemės atmosfera sulaiko maždaug vieną milijonąją Saulės skleidžiamos energijos arba maždaug 1500 kvadrilijonų (1,5 x 10 18) kWh per metus. Tačiau dėl atmosferos dujų ir aerozolių atspindžio, sklaidos ir absorbcijos Žemės paviršių pasiekia tik 47 % visos energijos arba maždaug 700 kvadrilijonų (7 x 10 17) kWh.

Saulės spinduliuotė Žemės atmosferoje skirstoma į vadinamąją tiesioginę spinduliuotę ir difuzinę spinduliuotę, nukreiptą į atmosferoje esančias oro daleles, dulkes, vandenį ir kt. Jų suma sudaro bendrą saulės spinduliuotę.

Energijos kiekis, krentantis ploto vienetui per laiko vienetą, priklauso nuo daugelio veiksnių: vietinio klimato platumos, metų sezono ir paviršiaus pasvirimo kampo Saulės atžvilgiu.

laikas ir vieta

Saulės energijos kiekis, krentantis į Žemės paviršių, kinta dėl Saulės judėjimo. Šie pokyčiai priklauso nuo paros laiko ir sezono. Paprastai daugiau saulės spinduliuotės pasiekia Žemę vidurdienį nei anksti ryte ar vėlai vakare. Vidurdienį Saulė yra aukštai virš horizonto, todėl Saulės spindulių kelio per Žemės atmosferą ilgis sumažėja. Vadinasi, mažiau išsklaidoma ir sugeriama saulės spinduliuotė, o tai reiškia, kad daugiau jos pasiekia paviršių.

Saulės energijos kiekis, pasiekiantis Žemės paviršių, skiriasi nuo vidutinės metinės vertės: žiemą - mažiau nei 0,8 kWh / m 2 per parą Šiaurės Europoje ir daugiau nei 4 kWh / m 2 per parą vasarą tame pačiame regione. Skirtumas mažėja artėjant prie pusiaujo.

Saulės energijos kiekis priklauso ir nuo vietovės geografinės padėties: kuo arčiau pusiaujo, tuo jis didesnis. Pavyzdžiui, vidutinis metinis bendras saulės spinduliuotės kritimas ant horizontalaus paviršiaus yra: Vidurio Europoje, Centrinėje Azijoje ir Kanadoje – apie 1000 kWh/m 2 ; Viduržemio jūroje - apie 1700 kWh / m 2; daugumoje Afrikos, Artimųjų Rytų ir Australijos dykumų regionų - apie 2200 kWh / m 2.

Taigi saulės spinduliuotės kiekis labai skiriasi priklausomai nuo metų laiko ir geografinės padėties. Į šį veiksnį reikia atsižvelgti naudojant saulės energiją.

saulės energija

Saulės spinduliuotės parametrai

Pirmiausia reikia įvertinti saulės spinduliuotės potencialias energetines galimybes. Čia didžiausią reikšmę turi jo bendra savitoji galia Žemės paviršiuje ir šios galios pasiskirstymas įvairiuose spinduliuotės diapazonuose.

Saulės spinduliuotės galia

Saulės, esančios zenite, netoli Žemės paviršiaus, spinduliuotės galia vertinama apie 1350 W/m2. Paprastas skaičiavimas rodo, kad norint gauti 10 kW galią, reikia surinkti saulės spinduliuotę tik iš 7,5 m2 ploto. Tačiau tai yra giedrą popietę atogrąžų zonoje aukštai kalnuose, kur atmosfera yra reta ir skaidri. Kai tik Saulė pradeda linkti į horizontą, jos spindulių kelias per atmosferą atitinkamai padidėja, o nuostoliai šiame kelyje didėja. Dulkių ar vandens garų buvimas atmosferoje net tokiu kiekiu, kuris nepastebimas be specialių prietaisų, dar labiau sumažina energijos srautą. Tačiau net ir vidurinėje juostoje vasaros popietę kiekvienam kvadratiniam metrui, nukreiptam statmenai saulės spinduliams, tenka maždaug 1 kW galios saulės energijos srautas.

Žinoma, net ir nedidelis debesuotumas smarkiai sumažina paviršių pasiekiančią energiją, ypač infraraudonųjų (terminių) spindulių diapazone. Tačiau dalis energijos vis tiek prasiskverbia pro debesis. Vidurinėje juostoje, esant dideliam debesuotumui vidurdienį, Žemės paviršių pasiekiančios saulės spinduliuotės galia vertinama apie 100 W/m2 ir tik retais atvejais, esant ypač tankiam debesuotumui, gali nukristi žemiau šios vertės. Akivaizdu, kad tokiomis sąlygomis, norint gauti 10 kW, reikia visiškai, be nuostolių ir atspindžių surinkti saulės spinduliuotę ne iš 7,5 m2 žemės paviršiaus, o iš viso šimto kvadratinių metrų (100 m2).

Lentelėje pateikiami trumpi vidutiniai kai kurių Rusijos miestų saulės spinduliuotės energijos duomenys, atsižvelgiant į klimato sąlygas (debesų dažnį ir stiprumą) horizontalaus paviršiaus vienetui. Išsami informacija apie šiuos duomenis, papildomi duomenys apie skydų orientaciją, išskyrus horizontalią, taip pat duomenys apie kitus Rusijos regionus ir buvusios SSRS šalis pateikiami atskirame puslapyje.

Miestas	mėnesio minimumas (gruodžio mėn.)	mėnesio maksimumas (birželio arba liepos mėn.)	iš viso per metus
Archangelskas	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)
Astrachanė	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)
Vladivostokas	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)
Jekaterinburgas	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)
Maskva	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)
Novosibirskas		638 MJ / m 2 (177,2 kWh / m 2)	4,00 GJ / m2(1110 kWh / m 2)
Omskas	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)
Petrozavodskas	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)
Petropavlovskas-Kamčiatskis	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)
Rostovas prie Dono	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 Peterburgas	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)
Sočis	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-Sachalinskas	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)

Fiksuota plokštė, pastatyta optimaliu pasvirimo kampu, gali sugerti 1,2 .. 1,4 karto daugiau energijos lyginant su horizontalia, o jei sukasi paskui Saulę, tai padidės 1,4 .. 1,8 karto. Tai matyti, suskirstyta pagal mėnesius fiksuotoms plokštėms, orientuotoms į pietus skirtingais pasvirimo kampais, ir sistemoms, kurios seka Saulės judėjimą. Saulės kolektorių išdėstymo ypatybės išsamiau aptariamos toliau.

Tiesioginė ir išsklaidyta saulės spinduliuotė

Atskirkite pasklidąją ir tiesioginę saulės spinduliuotę. Norint efektyviai sugerti tiesioginius saulės spindulius, plokštė turi būti nukreipta statmenai saulės spindulių srautui. Išsklaidytos spinduliuotės suvokimui orientacija nėra tokia kritiška, nes ji sklinda gana tolygiai iš beveik viso dangaus – taip debesuotomis dienomis apšviečiamas žemės paviršius (dėl šios priežasties debesuotu oru objektai neturi aiškiai apibrėžtas šešėlis, o vertikalūs paviršiai, tokie kaip stulpai ir namų sienos, praktiškai nemeta matomo šešėlio).

Tiesioginės ir išsklaidytos spinduliuotės santykis labai priklauso nuo oro sąlygų skirtingais metų laikais. Pavyzdžiui, Maskvoje žiema debesuota, o sausio mėnesį išsklaidytos spinduliuotės dalis viršija 90% visos insoliacijos. Tačiau net Maskvos vasarą išsklaidyta spinduliuotė sudaro beveik pusę visos saulės energijos, pasiekiančios žemės paviršių. Tuo pačiu metu saulėtame Baku tiek žiemą, tiek vasarą išsklaidytos spinduliuotės dalis yra nuo 19 iki 23% visos insoliacijos, o atitinkamai apie 4/5 saulės spinduliuotės yra tiesioginė. Daugiau informacijos apie kai kurių miestų išsklaidytos ir visos insoliacijos santykį pateikiama atskirame puslapyje.

Energijos pasiskirstymas saulės spektre

Saulės spektras praktiškai nenutrūkstamas itin plačiame dažnių diapazone – nuo ​​žemo dažnio radijo bangų iki itin aukšto dažnio rentgeno ir gama spinduliuotės. Žinoma, sunku vienodai efektyviai užfiksuoti tokius skirtingus spinduliuotės tipus (galbūt tai galima padaryti tik teoriškai naudojant „idealų visiškai juodą kūną“). Bet tai nėra būtina – pirma, pati Saulė spinduliuoja skirtingu stiprumu skirtinguose dažnių diapazonuose, antra, ne viskas, ką Saulė skleidžia, pasiekia Žemės paviršių – tam tikras spektro dalis didžiąja dalimi sugeria skirtingi atmosferos komponentai – daugiausia. ozono sluoksnis, vandens garai ir anglies dioksidas.

Todėl mums pakanka nustatyti tuos dažnių diapazonus, kuriuose stebimas didžiausias saulės energijos srautas šalia Žemės paviršiaus, ir jais pasinaudoti. Tradiciškai saulės ir kosminė spinduliuotė yra atskiriama ne pagal dažnį, o pagal bangos ilgį (tai yra dėl per didelių eksponentų šios spinduliuotės dažniams, o tai labai nepatogu – matoma šviesa hercais atitinka 14 eilę). Pažiūrėkime į saulės spinduliuotės energijos pasiskirstymo priklausomybę nuo bangos ilgio.

Matomos šviesos diapazonas apibrėžiamas kaip bangos ilgio diapazonas nuo 380 nm (giliai violetinė) iki 760 nm (giliai raudona). Viskas, kas turi trumpesnį bangos ilgį, turi didesnę fotonų energiją ir skirstoma į ultravioletinės, rentgeno ir gama spinduliuotės diapazonus. Nepaisant didelės fotonų energijos, pačių fotonų šiuose diapazonuose nėra tiek daug, todėl bendras šios spektro dalies energijos indėlis yra labai mažas. Viskas, kas turi ilgesnį bangos ilgį, turi mažiau fotonų energijos nei matoma šviesa ir skirstoma į infraraudonųjų spindulių diapazoną (šiluminę spinduliuotę) ir įvairias radijo diapazono dalis. Grafike matyti, kad infraraudonųjų spindulių diapazone Saulė skleidžia beveik tiek pat energijos, kiek ir matomojoje (lygiai žemesni, bet diapazonas platesnis), tačiau radijo dažnių diapazone spinduliavimo energija labai maža.

Taigi energetiniu požiūriu mums pakanka apsiriboti tik matomu ir infraraudonuoju dažnių diapazonu, taip pat artimu ultravioletiniu (kai kur iki 300 nm trumpesnės bangos kietasis ultravioletinis beveik visiškai absorbuojamas vadinamasis ozono sluoksnis, užtikrinantis šio ozono sintezę iš atmosferos deguonies). O liūto dalis Saulės energijos, pasiekiančios Žemės paviršių, yra sutelkta bangų ilgių diapazone nuo 300 iki 1800 nm.

Apribojimai naudojant saulės energiją

Pagrindinius apribojimus, susijusius su saulės energijos naudojimu, lemia jos nepastovumas – saulės energijos įrenginiai neveikia naktį ir yra neveiksmingi debesuotu oru. Tai akivaizdu beveik kiekvienam.

Tačiau yra ir kita aplinkybė, kuri ypač aktuali mūsų gana šiaurinėms platumoms – tai sezoniniai dienos trukmės skirtumai. Jei atogrąžų ir pusiaujo zonose dienos ir nakties trukmė silpnai priklauso nuo metų laiko, tai jau Maskvos platumoje trumpiausia diena yra beveik 2,5 karto trumpesnė už ilgiausią! Jau nekalbu apie poliarinius regionus... Dėl to giedrą vasaros dieną saulės instaliacija prie Maskvos gali pagaminti ne mažiau energijos nei ties pusiauju (saulė žemiau, bet diena ilgesnė). Tačiau žiemą, kai energijos poreikis ypač didelis, jos gamyba, priešingai, sumažės kelis kartus. Juk be trumpų dienos šviesių valandų žemos žiemos saulės spinduliai net ir vidurdienį turi prasiskverbti per daug storesnį atmosferos sluoksnį ir dėl to pakeliui prarasti žymiai daugiau energijos nei vasarą, kai šviečia saulė. aukštai, o spinduliai pro atmosferą eina beveik vertikaliai (išsireiškimas „šalta žiemos saulė turi tiesiausią fizinę reikšmę). Tačiau tai visiškai nereiškia, kad saulės instaliacijos vidurinėje juostoje ir net kur kas šiauresniuose regionuose yra visiškai nenaudingos – nors žiemą iš jų mažai naudos, tai būna ilgomis dienomis, bent pusmetis tarp pavasario ir rudens lygiadienius, jie yra gana veiksmingi.

Ypač įdomus yra saulės energijos įrenginių naudojimas, siekiant paskatinti vis didesnį tra-n-nya-y-shchi-sya, bet labai „rimtų“ oro kondicionierių plitimą. Juk kuo stipriau šviečia saulė, tuo karščiau ir tuo labiau reikia oro kondicionavimo. Bet tokiomis sąlygomis net saulės instaliacijos sugeba generuoti daugiau energijos, o šią energiją kondicionierius panaudos būtent „čia ir dabar“, jos nereikia kaupti ir kaupti! Be to, visiškai nebūtina energiją paversti elektrine forma – absorbciniai šilumos varikliai šilumą naudoja tiesiogiai, o tai reiškia, kad vietoj fotovoltinių plokščių galima naudoti saulės kolektorius, kurie efektyviausi tiesiog esant giedram karštam orui. Tiesa, tikiu, kad oro kondicionieriai yra nepamainomi tik karštuose sausuose regionuose ir drėgname atogrąžų klimate, taip pat šiuolaikiniuose miestuose, nepaisant jų vietos. Kompetentingai suprojektuotam ir pastatytam kaimo namui, ne tik vidurinėje juostoje, bet ir didžiojoje Rusijos pietų dalyje, nereikia tokio energiją taupančio, didelių gabaritų, triukšmingo ir kaprizingo įrenginio.

Deja, miesto plėtros sąlygomis individualus daugiau ar mažiau galingų saulės energijos įrenginių naudojimas, duodantis pastebimą praktinę naudą, įmanomas tik retais atvejais, ypač sėkmingai susidėjus aplinkybėms. Tačiau aš nelaikau miesto buto visaverčiu būstu, nes normalus jo veikimas priklauso nuo per daug veiksnių, kurių gyventojai negali tiesiogiai kontroliuoti dėl grynai techninių priežasčių, taigi, sugedus ar trumpiau, bent viena iš gyvybės palaikymo sistemų sąlygų ten nebus priimtina gyventi moderniame daugiabutyje (verčiau butą daugiaaukščiame reikėtų laikyti savotišku viešbučio kambariu, kurį nuomininkai pirktas nuolatiniam naudojimui arba nuomojamas iš savivaldybės). Tačiau už miesto ribų ypatingas dėmesys saulės energijai gali būti daugiau nei pateisinamas net ir nedideliame 6 arų sklype.

Saulės kolektorių išdėstymo ypatybės

Optimalios saulės kolektorių orientacijos pasirinkimas yra vienas iš svarbiausių klausimų praktiškai naudojant bet kokio tipo saulės baterijas. Deja, įvairiuose saulės energijos tinklalapiuose šis aspektas apžvelgiamas labai mažai, nors jo nepaisymas gali sumažinti plokščių efektyvumą iki nepriimtino lygio.

Faktas yra tas, kad spindulių kritimo į paviršių kampas labai veikia atspindžio koeficientą, taigi ir nepriimtinos saulės energijos dalį. Pavyzdžiui, stiklui kritimo kampui nukrypus nuo statmens jo paviršiui iki 30° atspindžio koeficientas praktiškai nekinta ir siekia kiek mažiau nei 5 proc., t.y. daugiau nei 95% patenkančios spinduliuotės patenka į vidų. Be to, pastebimas atspindžio padidėjimas, o 60° atspindėtos spinduliuotės dalis padvigubėja, iki beveik 10%. Esant 70° kritimo kampui, atsispindi apie 20% spinduliuotės, o esant 80° – 40%. Daugumos kitų medžiagų atspindžio laipsnio priklausomybė nuo kritimo kampo yra maždaug tokia pati.

Dar svarbesnis yra vadinamasis efektyvus skydo plotas, t.y. jo blokuojamo spinduliuotės srauto skerspjūvis. Jis lygus tikrajam plokštės plotui, padaugintam iš kampo tarp jo plokštumos ir srauto krypties sinuso (arba, lygiaverčiai, iš kampo tarp statmenos plokštės ir srauto krypties kosinuso) . Todėl, jei skydas yra statmenas srautui, jos efektyvusis plotas yra lygus tikrajam plotui, jei srautas nukrypsta nuo statmeno 60° - pusė tikrojo ploto, o jei srautas lygiagretus skydui, jo efektyvusis. plotas lygus nuliui. Taigi, reikšmingas srauto nuokrypis nuo statmenos plokštės atžvilgiu ne tik padidina atspindį, bet ir sumažina jo efektyvų plotą, o tai sukelia labai pastebimą galios sumažėjimą.

Akivaizdu, kad mūsų tikslams efektyviausia yra pastovi plokštės orientacija statmenai saulės šviesos srautui. Tačiau tam reikės pakeisti skydelio padėtį dviejose plokštumose, nes Saulės padėtis danguje priklauso ne tik nuo paros laiko, bet ir nuo sezono. Nors tokia sistema tikrai techniškai įmanoma, ji yra labai sudėtinga, todėl brangi ir nelabai patikima.

Tačiau atminkite, kad esant kritimo kampams iki 30°, atspindžio koeficientas ties „oro-stiklo“ riba yra minimalus ir praktiškai nekinta, o per metus maksimalaus Saulės pakilimo virš horizonto kampas nukrypsta nuo vidutinės padėties. ne daugiau kaip ±23°. Efektyvus skydo plotas, nukrypus nuo statmens 23°, taip pat išlieka gana didelis - mažiausiai 92% jo tikrojo ploto. Todėl galima orientuotis į vidutinį metinį maksimalaus Saulės pakilimo aukštį ir praktiškai neprarandant efektyvumo apsiriboti sukimu tik vienoje plokštumoje – aplink Žemės poliarinę ašį 1 apsisukimo per dieną greičiu. Tokio sukimosi ašies pasvirimo kampas horizontalės atžvilgiu yra lygus vietos geografinei platumai. Pavyzdžiui, Maskvoje, esančioje 56° platumoje, tokio sukimosi ašis paviršiaus atžvilgiu turėtų būti pakreipta 56° į šiaurę (arba, lygiaverčiai, nukrypusi nuo vertikalės 34°). Tokį sukimąsi organizuoti jau daug lengviau, tačiau dideliam skydui laisvai suktis reikia daug vietos. Be to, reikia arba organizuoti slankiojantį ryšį, leidžiantį nukreipti visą energiją, gaunamą iš nuolat besisukančio skydo, arba apsiriboti lanksčia komunikacija su fiksuotu ryšiu, tačiau užtikrinti automatinį skydo grįžimą atgal nakties, kitaip neišvengsite susisukti ir nutraukti energiją atimančias komunikacijas. Abu sprendimai žymiai padidina sistemos sudėtingumą ir sumažina jos patikimumą. Didėjant plokščių galiai (taigi ir jų dydžiui bei svoriui), techninės problemos tampa vis sudėtingesnės.

Atsižvelgiant į tai, kas išdėstyta aukščiau, beveik visada atskirų saulės energijos įrenginių plokštės montuojamos nejudančios, o tai užtikrina santykinį pigumą ir didžiausią įrengimo patikimumą. Tačiau čia ypač svarbus tampa plokštės išdėstymo kampo pasirinkimas. Panagrinėkime šią problemą Maskvos pavyzdžiu.

Oranžinė linija – sekant Saulės padėtį sukant aplink polinę ašį (t.y. lygiagrečiai žemės ašiai); mėlyna - fiksuota horizontali plokštė; žalia - fiksuota vertikali plokštė, orientuota į pietus; raudona - fiksuota plokštė, pakreipta į pietus 40 ° kampu horizonto atžvilgiu.

Pažvelkime į įvairių plokščių montavimo kampų insoliacijos diagramas. Žinoma, skydelis, kuris sukasi po Saulės, yra nekonkurencinis (oranžinė linija). Tačiau net ir ilgomis vasaros dienomis jo efektyvumas stacionarių horizontalių (mėlynos spalvos) ir optimaliai pasvirusių (raudonos spalvos) plokščių efektyvumą lenkia tik apie 30%. Tačiau šiais laikais šilumos ir šviesos užtenka! Tačiau labiausiai energijos stokojančiu laikotarpiu nuo spalio iki vasario rotacinės plokštės pranašumas prieš stacionarias yra minimalus ir beveik nepastebimas. Tiesa, šiuo metu pasvirusio skydo kompanija yra ne horizontali, o vertikali panelė (žalia linija). Ir tai nenuostabu - žemi žiemos saulės spinduliai slysta išilgai horizontalaus skydelio, tačiau juos gerai suvokia vertikali, beveik statmena jiems. Todėl vasarį, lapkritį ir gruodį vertikalus skydas savo efektyvumu lenkia net pasvirusį ir beveik nesiskiria nuo rotacinio. Kovo ir spalio mėnesiais dienos ilgesnės, o patefonas jau pradeda užtikrintai (nors ir nelabai) pranokti bet kokias fiksuotas galimybes, tačiau pasvirusių ir vertikalių plokščių efektyvumas beveik nesiskiria. Ir tik ilgų dienų laikotarpiu nuo balandžio iki rugpjūčio horizontalioji panelė pagal gaunamą energiją lenkia vertikaliąją ir artėja prie pasvirusiosios, o birželį net šiek tiek ją lenkia. Vertikalios plokštės vasaros praradimas yra natūralus - juk, tarkime, vasaros lygiadienio diena Maskvoje trunka ilgiau nei 17 valandų, o Saulė gali būti vertikalios plokštės priekiniame (darbiniame) pusrutulyje ne ilgiau kaip 12 valandų. valandų, likusios 5 nelyginės valandos (beveik trečdalis šviesiojo paros valandų!) atsilieka. Jei atsižvelgsime į tai, kad esant didesniam nei 60° kritimo kampui, nuo plokštės paviršiaus atsispindėjusios šviesos dalis pradeda sparčiai augti, o jos efektyvusis plotas sumažėja perpus ar daugiau, tada efektyvios sugerties laikas. tokio skydo saulės spinduliuotė neviršija 8 valandų – tai yra mažiau nei 50 % visos dienos trukmės. Tai paaiškina faktą, kad vertikalių plokščių veikimas stabilizuojasi per visą ilgų dienų laikotarpį – nuo ​​kovo iki rugsėjo. Ir galiausiai sausis šiek tiek skiriasi – šį mėnesį visų orientacijų plokščių našumas yra beveik vienodas. Faktas yra tas, kad šis mėnuo Maskvoje yra labai debesuotas ir daugiau nei 90% visos saulės energijos gaunama iš išsklaidytos spinduliuotės, o tokiai spinduliuotei skydelio orientacija nėra labai svarbi (svarbiausia nesiųsti jos į žemė). Tačiau kelios saulėtos dienos, vis dar pasitaikančios sausio mėnesį, sumažina horizontalios plokštės našumą 20%, palyginti su kitomis.

Kokį pasvirimo kampą pasirinkti? Viskas priklauso nuo to, kada tiksliai jums reikia saulės energijos. Jei norite jį naudoti tik šiltuoju periodu (tarkim, užmiestyje), tuomet reikėtų rinktis vadinamąjį „optimalų“ pasvirimo kampą, statmeną vidutinei Saulės padėties tarp pavasario ir rudens lygiadienio. Jis yra maždaug 10° .. 15° mažesnis už geografinę platumą, o Maskvoje – 40° .. 45°. Jei jums reikia energijos ištisus metus, tuomet turėtumėte „išspausti“ maksimumą būtent energijos trūkumo žiemos mėnesiais, o tai reiškia, kad reikia sutelkti dėmesį į vidutinę Saulės padėtį tarp rudens ir pavasario lygiadienio ir išdėstyti plokštes. arčiau vertikalios - 5 ° .. 15 ° daugiau nei geografinė platuma (Maskvai tai bus 60 ° .. 70 °). Jei dėl architektūrinių ar konstrukcinių priežasčių šio kampo išlaikyti nepavyksta ir reikia pasirinkti tarp 40° ar mažesnio pasvirimo kampo arba vertikalios konstrukcijos, pirmenybė turėtų būti teikiama vertikaliai padėčiai. Tuo pačiu energijos „trūkumas“ ilgomis vasaros dienomis nėra toks kritiškas – šiuo laikotarpiu natūralios šilumos ir šviesos daug, o energijos gamybos poreikis dažniausiai nėra toks didelis kaip žiemą ir ne sezono metu. Natūralu, kad plokštės nuolydis turėtų būti orientuotas į pietus, nors nuokrypis nuo šios krypties 10°...15° į rytus ar vakarus mažai keičiasi, todėl yra gana priimtinas.

Horizontalus saulės baterijų išdėstymas visoje Rusijoje yra neefektyvus ir visiškai nepagrįstas. Be per didelio energijos gamybos sumažėjimo rudens-žiemos laikotarpiu, dulkės intensyviai kaupiasi ant horizontalių plokščių, o žiemą taip pat kaupiasi sniegas, kurį iš ten galima pašalinti tik specialiai organizuotu valymu (dažniausiai rankiniu būdu). . Jei plokštės nuolydis viršija 60°, tai sniegas neužsilieka ant jos paviršiaus ir dažniausiai greitai suyra pats, o ploną dulkių sluoksnį gerai nuplauna lietus.

Kadangi saulės energijos įrangos kainos pastaruoju metu mažėja, gali būti naudinga vietoj vieno saulės baterijų lauko, orientuoto į pietus, naudoti dvi didesnės bendros talpos, orientuotas į gretimą (pietryčius ir pietvakarius) ir netgi priešingą (rytus). ir vakarų) pasaulio pusė. Tai užtikrins vienodesnę našumą saulėtomis dienomis ir didesnę našumą debesuotomis dienomis, o likusi įranga išliks skirta tokiai pačiai, palyginti mažai galiai, todėl bus kompaktiškesnė ir pigesnė.

Ir paskutinis. Stiklas, kurio paviršius nėra lygus, bet turi ypatingą reljefą, gali daug efektyviau suvokti šoninę šviesą ir perduoti ją į saulės baterijos darbinius elementus. Optimaliausias yra banguotas reljefas su išsikišimų ir įdubimų orientacija iš šiaurės į pietus (vertikalioms plokštėms - iš viršaus į apačią), - savotiškas linijinis lęšis. Gofruotas stiklas gali padidinti fiksuotos plokštės našumą 5% ar daugiau.

Tradiciniai saulės energijos naudojimo įrenginių tipai

Kartkartėmis pasigirsta pranešimų apie kitos saulės elektrinės (SPP) ar gėlinimo gamyklos statybą. Visame pasaulyje, nuo Afrikos iki Skandinavijos, naudojami šiluminiai saulės kolektoriai ir fotovoltinės saulės baterijos. Šie saulės energijos panaudojimo būdai buvo kuriami daugiau nei tuziną metų, jiems skirta daugybė interneto svetainių. Todėl čia aš juos apžvelgsiu bendrais bruožais. Tačiau vienas svarbiausias dalykas internete praktiškai neaprėpiamas – tai konkrečių parametrų pasirinkimas kuriant individualią saulės energijos tiekimo sistemą. Tuo tarpu šis klausimas nėra toks paprastas, kaip atrodo iš pirmo žvilgsnio. Saulės sistemos parametrų pasirinkimo pavyzdys pateiktas atskirame puslapyje.

Saulės elementai

Paprastai tariant, „saulės baterija“ gali būti suprantama kaip bet koks identiškų modulių rinkinys, kuris suvokia saulės spinduliuotę ir yra sujungtas į vieną įrenginį, įskaitant ir grynai šiluminius, tačiau tradiciškai šis terminas buvo priskirtas fotovoltinių keitiklių plokštėms. Todėl terminas „saulės baterija“ beveik visada reiškia fotovoltinį įrenginį, kuris saulės spinduliuotę tiesiogiai paverčia elektros srove. Ši technologija buvo aktyviai plėtojama nuo XX amžiaus vidurio. Didžiulis stimulas jo plėtrai buvo kosminės erdvės tyrinėjimas, kur šiuo metu tik nedideli branduolinės energijos šaltiniai gali konkuruoti su saulės baterijomis savo galia ir veikimo trukme. Per šį laiką saulės elementų konversijos efektyvumas padidėjo nuo vieno ar dviejų procentų iki 17% ar daugiau masiniuose palyginti pigiuose modeliuose ir daugiau nei 42% prototipuose. Žymiai pailgėjo tarnavimo laikas ir patikimumas.

Saulės baterijų privalumai

Pagrindinis saulės baterijų privalumas yra ypatingas jų dizaino paprastumas ir visiškas judančių dalių nebuvimas. Dėl to - mažas savitasis svoris ir nepretenzingumas kartu su dideliu patikimumu, taip pat paprasčiausias montavimas ir minimalūs priežiūros reikalavimai eksploatacijos metu (dažniausiai pakanka pašalinti nešvarumus nuo darbinio paviršiaus, kai jie kaupiasi). Atstovaujantys mažo storio plokštiems elementams, jie gana sėkmingai dedami ant stogo šlaito, nukreipto į saulę arba ant namo sienos, praktiškai nereikalaujant papildomos vietos sau ir atskirų didelių konstrukcijų statymo. Vienintelė sąlyga – niekas jų neturėtų užgožti kuo ilgiau.

Kitas svarbus privalumas yra tai, kad energija iš karto generuojama elektros pavidalu – pačia universaliausia ir patogiausia iki šiol forma.

Deja, niekas netrunka amžinai – fotovoltinių keitiklių efektyvumas mažėja per visą jų tarnavimo laiką. Puslaidininkinės plokštelės, iš kurių dažniausiai susideda saulės elementai, laikui bėgant degraduoja ir praranda savo savybes, todėl ir taip ne itin aukštas saulės elementų efektyvumas tampa dar mažesnis. Ilgalaikis aukštų temperatūrų poveikis pagreitina šį procesą. Iš pradžių tai pažymėjau kaip fotovoltinių baterijų trūkumą, ypač todėl, kad „negyvų“ fotovoltinių elementų atkurti negalima. Tačiau vargu ar koks nors mechaninis elektros generatorius sugebės demonstruoti bent 1% našumą jau po 10 nepertraukiamo veikimo metų – greičiausiai rimto remonto jį prireiks gerokai anksčiau dėl mechaninio, jei ne guolių, tai dėl mechaninio nusidėvėjimo. šepečiai, - ir šiuolaikiniai fotokonverteriai gali išlaikyti savo efektyvumą dešimtmečius. Optimistiniais skaičiavimais, per 25 metus saulės baterijos efektyvumas sumažėja vos 10%, vadinasi, neįsikišus kitiems veiksniams, tai net ir po 100 metų išliks beveik 2/3 pirminio naudingumo koeficiento. Tačiau masinių komercinių fotovoltinių elementų, kurių pagrindą sudaro polikristalinis ir monokristalinis silicis, sąžiningi gamintojai ir pardavėjai pateikia kiek skirtingus senėjimo duomenis – po 20 metų reikėtų tikėtis iki 20% efektyvumo praradimo (tada teoriškai po 40 metų). , efektyvumas bus 2/3 pradinio, per 60 metų sumažės perpus, o po 100 metų bus šiek tiek mažiau nei 1/3 pradinio našumo). Apskritai, įprastas šiuolaikinių fotokeitiklių eksploatavimo laikas yra mažiausiai 25 .. 30 metų, todėl degradacija nėra tokia kritinė, ir daug svarbiau laiku nuplauti dulkes nuo jų ...

Jei baterijos sumontuotos taip, kad natūraliai nedulkėtų arba jas laiku nuplauna stichinės liūtys, jos gali veikti be jokios priežiūros daugelį metų. Dar vienas didelis privalumas yra tokio ilgo veikimo be priežiūros galimybė.

Galiausiai saulės baterijos gali generuoti energiją nuo aušros iki sutemų net ir debesuotu oru, kai šiluminių saulės kolektorių temperatūra nuo aplinkos temperatūros skiriasi tik nežymiai. Žinoma, palyginti su giedra saulėta diena, jų produktyvumas nukrenta daug kartų, bet bent jau kažkas yra geriau nei nieko! Šiuo atžvilgiu ypač svarbu sukurti baterijas, kurios maksimaliai konvertuotų energiją tuose diapazonuose, kur debesys mažiausiai sugeria saulės spinduliuotę. Be to, renkantis saulės fotokeitiklius, reikėtų atkreipti dėmesį į jų generuojamos įtampos priklausomybę nuo apšvietimo – ji turėtų būti kuo mažesnė (mažėjant apšvietimui pirmiausia turi kristi srovė, o ne įtampa, nes Priešingu atveju, norėdami gauti bent kokį nors naudingą efektą debesuotomis dienomis, turėsite naudoti brangią papildomą įrangą, kuri priverstinai padidina įtampą iki minimumo, kurio pakanka įkrauti baterijas ir valdyti keitiklius).

Saulės baterijų trūkumai

Žinoma, saulės kolektorių trūkumai turi daug. Be to, atsižvelgiant į orą ir paros laiką, galima pastebėti šiuos dalykus.

Mažas efektyvumas. Tas pats saulės kolektorius, tinkamai parinktas formos ir paviršiaus medžiaga, gali sugerti beveik visą ant jo kritusią saulės spinduliuotę beveik visame dažnių spektre, pernešančiame pastebimą energiją – nuo ​​tolimojo infraraudonųjų spindulių iki ultravioletinių spindulių. Saulės baterijos, atvirkščiai, energiją konvertuoja selektyviai – atomų darbiniam sužadinimui reikalingos tam tikros fotonų energijos (spinduliavimo dažniai), todėl kai kuriose dažnių juostose konversija yra labai efektyvi, o kitos dažnių juostos jiems nenaudingos. . Be to, jų užfiksuotų fotonų energija panaudojama kvantiškai – jos „perteklius“, viršijantis reikiamą lygį, atitenka fotokonverterio medžiagos kaitinimui, o tai šiuo atveju kenkia. Daugeliu atžvilgių tai paaiškina mažą jų efektyvumą.
Beje, pasirinkus netinkamą medžiagą apsauginei dangai, akumuliatoriaus efektyvumas gali gerokai sumažėti. Reikalą apsunkina tai, kad paprastas stiklas gana gerai sugeria didelės energijos ultravioletinę diapazono dalį, o kai kurių tipų fotoelementams šis diapazonas yra labai aktualus – infraraudonųjų fotonų energija jiems per maža.

Jautrumas aukštai temperatūrai. Kylant temperatūrai, saulės elementų, kaip ir beveik visų kitų puslaidininkinių prietaisų, efektyvumas mažėja. Esant aukštesnei nei 100...125°C temperatūrai, jie paprastai gali laikinai netekti darbingumo, o dar didesnis įkaitimas gresia negrįžtama žala. Be to, pakilusi temperatūra pagreitina saulės elementų degradaciją. Todėl būtina imtis visų priemonių, kad sumažintumėte kaitinimą, kuris neišvengiamas deginant tiesioginiams saulės spinduliams. Paprastai gamintojai riboja fotoelementų vardinės darbinės temperatūros diapazoną iki +70°..+90°C (tai reiškia, kad pačių elementų šildymas, o aplinkos temperatūra, žinoma, turėtų būti daug mažesnė).
Situaciją dar labiau apsunkina tai, kad jautrus gana trapių fotoelementų paviršius dažnai yra padengtas apsauginiu stiklu arba permatomu plastiku. Jei tarp apsauginio dangtelio ir fotoelemento paviršiaus lieka oro sluoksnis, susidaro savotiškas „šiltnamis“, kuris apsunkina perkaitimą. Tiesa, padidinus atstumą tarp apsauginio stiklo ir fotoelemento paviršiaus bei sujungus šią ertmę su atmosfera iš viršaus ir apačios, galima organizuoti konvekcinį oro srautą, kuris natūraliai vėsina fotoelementus. Tačiau ryškioje saulėje ir esant aukštai lauko temperatūrai to gali nepakakti, be to, šis būdas prisideda prie pagreitinto fotoelementų darbinio paviršiaus dulkėjimo. Todėl saulės baterijai, net jei ji nėra labai didelė, gali prireikti specialios aušinimo sistemos. Teisybės dėlei reikia pasakyti, kad tokios sistemos dažniausiai nesunkiai automatizuojamos, o ventiliatoriaus arba siurblio pavara sunaudoja tik nedidelę dalį pagaminamos energijos. Trūkstant ryškios saulės, šildoma nedaug ir visiškai nereikia vėsinti, todėl sutaupyta energija vairuojant aušinimo sistemą gali būti panaudota kitiems tikslams. Atkreiptinas dėmesys, kad šiuolaikinėse gamyklinėse plokštėse apsauginė danga dažniausiai tvirtai prilimpa prie fotoelementų paviršiaus ir pašalina šilumą į išorę, tačiau savadarbiuose projektuose mechaninis kontaktas su apsauginiu stiklu gali pažeisti fotoelementą.

Jautrumas netolygiam apšvietimui. Paprastai, norint gauti daugiau ar mažiau patogią akumuliatoriaus įtampą (12, 24 ar daugiau voltų), fotoelementai jungiami nuosekliomis grandinėmis. Srovę kiekvienoje tokioje grandinėje, taigi ir jos galią, lemia silpniausia grandis – prasčiausių charakteristikų arba mažiausiai apšviestas fotoelementas. Todėl jei bent vienas grandinės elementas yra šešėlyje, tai ženkliai sumažina visos grandinės išeigą – nuostoliai neproporcingi šešėliavimui (be to, nesant apsauginių diodų toks elementas pradės išsklaidyti galią sukurta likusių elementų!). Neproporcingo galios sumažėjimo galima išvengti tik lygiagrečiai sujungus visus fotoelementus, tačiau tuomet akumuliatoriaus išėjime bus per daug srovės esant per mažai įtampai – paprastai atskiriems fotoelementams ji yra tik 0,5 .. 0,7 V, priklausomai nuo jų tipo. ir pakrauti.

Jautrumas taršai. Net ir subtilus nešvarumų sluoksnis ant fotovoltinių elementų ar apsauginio stiklo paviršiaus gali sugerti nemažą saulės šviesos kiekį ir žymiai sumažinti energijos gamybą. Dulkėtame mieste tam reikės dažnai valyti saulės masyvų paviršių, ypač tų, kurie sumontuoti horizontaliai arba šiek tiek pasvirę. Žinoma, ta pati procedūra reikalinga ir po kiekvieno sniego, ir po dulkių audros... Tačiau toliau nuo miestų, pramoninių rajonų, judrių kelių ir kitų stiprių dulkių šaltinių 45° ar didesniu pasvirimo kampu liūtis gana pajėgus nuplauti natūralias dulkes nuo plokščių paviršiaus, „automatiškai“ išlaikant jas gana švarias. Taip, ir sniegas ant tokio šlaito, be to, atsuktame į pietus, net ir labai šaltomis dienomis dažniausiai ilgai neužsibūna. Taigi atokiau nuo atmosferos taršos šaltinių saulės baterijos gali sėkmingai veikti daugelį metų be jokios priežiūros, danguje būtų saulės!

Galiausiai, paskutinė, bet pati svarbiausia kliūtis plačiai ir visur platinti fotovoltines saulės baterijas yra gana didelė jų kaina. Saulės baterijų elementų kaina šiuo metu yra ne mažesnė kaip 1 USD / W (1 kW - 1000 USD), ir tai skirta neefektyviems modifikacijoms, neatsižvelgiant į plokščių surinkimo ir montavimo išlaidas, taip pat neatsižvelgiant į jų kainą. akumuliatoriai, įkrovimo valdikliai ir inverteriai (pagamintos žemos įtampos nuolatinės srovės keitikliai į buitinį ar pramoninį standartą). Daugeliu atvejų, norint minimaliai įvertinti realias išlaidas, šie skaičiai turėtų būti padauginti iš 3–5 kartų, kai atliekamas savarankiškas surinkimas iš atskirų fotoelementų, ir 6–10 kartų perkant paruoštus įrangos rinkinius (plius montavimo kaina). .

Baterijos turi trumpiausią tarnavimo laiką iš visų PV maitinimo sistemos elementų, tačiau modernių priežiūros nereikalaujančių baterijų gamintojai teigia, kad jie tarnaus apie 10 metų vadinamuoju buferiniu režimu (arba atliks tradicinius 1000 stipraus įkrovimo ciklų). iškrova - jei skaičiuojate vieną ciklą per metus). dieną, tada tokiu režimu jie truks 3 metus). Atkreipiu dėmesį, kad baterijų kaina paprastai sudaro tik 10-20% visos sistemos kainos, o keitiklių ir įkrovimo valdiklių kaina (abu yra sudėtingi elektroniniai gaminiai, todėl yra tam tikra jų gedimo tikimybė) - net mažiau. Taigi, atsižvelgiant į ilgą tarnavimo laiką ir galimybę dirbti ilgą laiką be jokios priežiūros, fotokeitikliai gali atsipirkti ne kartą gyvenime ir ne tik atokiose, bet ir apgyvendintose vietovėse – jei elektros tarifai toliau augti esamu tempu!

Saulės šilumos kolektoriai

Pavadinimas "saulės kolektoriai" buvo priskirtas įrenginiams, kurie naudoja tiesioginį šildymą saulės šiluma, tiek pavieniams, tiek sudėtiniams (moduliniams). Paprasčiausias šiluminio saulės kolektoriaus pavyzdys – juodo vandens rezervuaras ant jau minėto kaimo dušo stogo (beje, vandens šildymo efektyvumą vasaros duše galima gerokai padidinti aplink baką pastačius mini šiltnamį, a. mažiausiai iš plastikinės plėvelės; pageidautina, kad tarp plėvelės ir rezervuaro sienelių iš viršaus ir šono būtų 4-5 cm tarpas).

Tačiau šiuolaikiniai kolektoriai mažai kuo panašūs į tokį baką. Paprastai tai yra plokščios konstrukcijos, pagamintos iš plonų pajuodusių vamzdžių, išdėstytų grotelių arba gyvatės pavidalu. Vamzdžius galima montuoti ant pajuodinto šilumai laidžio pagrindo lakšto, kuris sulaiko saulės šilumą, patenkančią į tarpus tarp jų – tai leidžia sumažinti bendrą vamzdžių ilgį neprarandant efektyvumo. Siekiant sumažinti šilumos nuostolius ir padidinti šildymą, kolektorius iš viršaus gali būti padengtas stiklo lakštu arba skaidraus korinio polikarbonato lakštu, o kitoje šilumą paskirstančio lakšto pusėje nuo nenaudingų šilumos nuostolių užkertamas šilumos izoliacijos sluoksnis - a. gaunamas savotiškas „šiltnamis“. Vamzdžiu juda pašildytas vanduo ar kitas aušinimo skystis, kurį galima surinkti į termiškai izoliuotą akumuliacinį baką. Aušinimo skysčio judėjimas vyksta veikiant siurbliui arba dėl gravitacijos dėl aušinimo skysčio tankio skirtumo prieš ir už šilumos kolektoriaus. Pastaruoju atveju, norint daugiau ar mažiau efektyviai cirkuliuoti, reikia kruopščiai parinkti šlaitus ir vamzdžių dalis bei paties kolektoriaus išdėstymą kuo žemiau. Bet dažniausiai kolektorius dedamas tose pačiose vietose, kur ir saulės baterija – ant saulėtos sienos arba saulėtame stogo šlaite, nors kur nors reikia pastatyti papildomą akumuliacinį baką. Be tokio rezervuaro, intensyviai išsklaidant šilumą (tarkime, jei reikia išsipilti vonią ar nusiprausti po dušu), kolektoriaus talpos gali neužtekti, o po trumpo laiko iš čiaupo tekės šiek tiek pašildytas vanduo.

Apsauginis stiklas, žinoma, kiek sumažina kolektoriaus efektyvumą, sugerdamas ir atspindėdamas kelis procentus saulės energijos, net jei spinduliai krenta statmenai. Kai spinduliai pasiekia stiklą nedideliu kampu į paviršių, atspindžio koeficientas gali priartėti prie 100%. Todėl, nesant vėjo ir reikia tik šiek tiek pašildyti, palyginti su aplinkiniu oru (5–10 laipsnių, tarkime, sodui laistyti), „atviros“ konstrukcijos gali būti efektyvesnės nei „įstiklintos“. Bet vos tik prireikia kelių dešimčių laipsnių temperatūrų skirtumo arba pakyla net ne itin stiprus vėjas, atvirų konstrukcijų šilumos nuostoliai sparčiai didėja, o apsauginis stiklas su visais trūkumais tampa būtinybe.

Svarbi pastaba – reikia turėti omenyje, kad karštą saulėtą dieną, jei nėra analizės, vanduo gali perkaisti virš virimo temperatūros, todėl projektuojant kolektorių reikia imtis atitinkamų atsargumo priemonių (pasirūpinti apsauginiu vožtuvu). ). Atviruose kolektoriuose be apsauginio stiklo tokio perkaitimo dažniausiai negalima bijoti.

Pastaruoju metu pradedami plačiai naudoti saulės kolektoriai, kurių pagrindą sudaro vadinamieji šilumos vamzdžiai (nepainiokite su „šilumos vamzdžiais“, kuriais šalina šilumą kompiuterių aušinimo sistemose). Priešingai nei aptarta aukščiau, čia kiekvienas šildomas metalinis vamzdis, per kurį cirkuliuoja aušinimo skystis, yra lituojamas stiklinio vamzdžio viduje, o iš tarpo tarp jų išpumpuojamas oras. Pasirodo, termoso analogas, kuriame dėl vakuuminės šilumos izoliacijos šilumos nuostoliai sumažėja 20 ir daugiau kartų. Dėl to, gamintojų teigimu, esant -35°C šalčiui už stiklo, vanduo vidiniame metaliniame vamzdyje su specialia danga, sugeriančia kuo platesnį saulės spindulių spektrą, įkaista iki +50..+70 °C (skirtumas virš 100°C) .Efektyvi absorbcija kartu su puikia šilumos izoliacija leidžia šildyti aušinimo skystį net debesuotame ore, nors šildymo galia, žinoma, yra daug kartų mažesnė nei ryškioje saulėje. Svarbiausia čia yra užtikrinti vakuumo tarpo tarp vamzdžių išsaugojimą, tai yra stiklo ir metalo sandūros vakuuminį sandarumą labai plačiame temperatūrų diapazone, siekiančiame 150 °C, per visą tarnavimo laiką. daugelio metų. Dėl šios priežasties gaminant tokius kolektorius neapsieinama be kruopštaus stiklo ir metalo šiluminio plėtimosi koeficientų derinimo ir aukštųjų technologijų gamybos procesų, o tai reiškia, kad vargu ar pavyks sukurti pilnavertį vakuuminį šilumos vamzdį. pagaminti amatinėmis sąlygomis. Tačiau paprastesnės kolektorių konstrukcijos be problemų gaminamos savarankiškai, nors, žinoma, jų efektyvumas yra šiek tiek mažesnis, ypač žiemą.

Be aukščiau aprašytų skystų saulės kolektorių, yra ir kitų įdomių konstrukcijų tipų: oro (aušinimo skystis yra oras, ir jis nebijo užšalimo), „saulės tvenkiniai“ ir tt Deja, dauguma tyrimų ir plėtros saulės kolektorių srityje yra skirta būtent skystiems modeliams, todėl alternatyvios rūšys praktiškai nėra masiškai gaminamos ir apie jas nėra tiek daug informacijos.

Saulės kolektorių privalumai

Svarbiausias saulės kolektorių privalumas yra gana efektyvių variantų gamybos paprastumas ir santykinis pigumas, kartu su nepretenzingumu eksploatuoti. Minimalus reikalavimas kolektoriui pasigaminti savo rankomis – keli metrai plono vamzdžio (geriausia plonasienis varinis vamzdis – galima sulenkti minimaliu spinduliu) ir truputis juodų dažų, bent jau bituminio lako. Vamzdelį išlenkiame gyvate, nudažome juodais dažais, pastatome saulėtoje vietoje, prijungiame prie vandentiekio, ir štai jau paprasčiausias saulės kolektorius paruoštas! Tuo pačiu metu ritė gali būti lengvai suteikiama beveik bet kokiai konfigūracijai ir maksimaliai išnaudoti visą kolektoriui skirtą erdvę. Veiksmingiausias juodinimas, kurį galima tepti namuose ir kuris taip pat yra labai atsparus aukštai temperatūrai ir tiesioginiams saulės spinduliams, yra plonas suodžių sluoksnis. Tačiau suodžiai lengvai ištrinami ir nuplaunami, todėl tokiam pajuodavimui reikės apsauginio stiklo ir specialių priemonių, kad kondensatas nepatektų į suodžiais padengtą paviršių.

Kitas svarbus kolektorių privalumas – jie, skirtingai nei saulės baterijos, sugeba užfiksuoti ir paversti šiluma iki 90% į juos patekusios saulės spinduliuotės, o sėkmingiausiais atvejais – ir daugiau. Todėl ne tik giedru oru, bet ir nedideliu debesuotumu kolektorių efektyvumas lenkia fotovoltinių baterijų efektyvumą. Galiausiai, skirtingai nuo fotovoltinių baterijų, netolygus paviršiaus apšvietimas nesukelia neproporcingo kolektoriaus efektyvumo sumažėjimo – svarbus tik bendras (integralus) spinduliuotės srautas.

Saulės kolektorių trūkumai

Tačiau saulės kolektoriai yra jautresni oro sąlygoms nei saulės kolektoriai. Net ir šviečiant ryškiai saulei gaivus vėjas gali daug kartų sumažinti atviro šilumokaičio šildymo efektyvumą. Apsauginis stiklas, žinoma, drastiškai sumažina vėjo šilumos nuostolius, tačiau esant tankiems debesims, jis taip pat yra bejėgis. Esant debesuotam vėjuotam orui, iš kolektoriaus praktiškai nėra prasmės, o saulės baterija pagamina bent šiek tiek energijos.

Iš kitų saulės kolektorių trūkumų pirmiausia išskirsiu jų sezoniškumą. Pakanka trumpų pavasario ar rudens naktinių šalnų, kad šildytuvo vamzdžiuose susidaręs ledas sukeltų jų plyšimo pavojų. Žinoma, tai galima pašalinti šaltomis naktimis šildant „šiltnamį“ gyvatuku su trečiosios šalies šilumos šaltiniu, tačiau tokiu atveju bendras kolektoriaus energinis efektyvumas gali lengvai tapti neigiamas! Kitas variantas - dvigubos grandinės kolektorius su antifrizu išorinėje grandinėje - nereikės energijos sąnaudų šildymui, tačiau jis bus daug sudėtingesnis nei vienos grandinės variantai su tiesioginiu vandens šildymu tiek gaminant, tiek eksploatuojant. Oro konstrukcijos iš esmės negali užšalti, tačiau yra ir kita problema – maža savitoji oro šiluma.

Ir vis dėlto, ko gero, pagrindinis saulės kolektoriaus trūkumas yra tas, kad tai yra būtent šildymo įrenginys, ir nors pramoniniu būdu pagaminti mėginiai, nesant šilumos analizės, gali įkaitinti aušinimo skystį iki 190..200 °C, temperatūra paprastai pasiekiama retai viršija 60..80 °C. Todėl išgaunamą šilumą labai sunku panaudoti dideliems mechaninio darbo ar elektros energijos kiekiams gauti. Juk net ir norint veikti žemiausios temperatūros garo-vandens turbiną (pavyzdžiui, tokią, kurią kažkada aprašė V. A. Zysinas), reikia vandenį perkaitinti bent iki 110 °C! Tačiau tiesiogiai šilumos pavidalu energija, kaip žinote, nėra saugoma ilgą laiką ir net esant žemesnei nei 100 ° C temperatūrai, ji paprastai gali būti naudojama tik karšto vandens tiekimui ir namų šildymui. Tačiau, atsižvelgiant į mažą kainą ir gamybos paprastumą, tai gali būti pakankamai gera priežastis įsigyti savo saulės kolektorių.

Teisybės dėlei reikia pažymėti, kad „normalus“ šiluminio variklio veikimo ciklas gali būti organizuojamas ir esant žemesnei nei 100 °C temperatūrai – arba jei virimo temperatūra sumažinama sumažinus slėgį garintuvo dalyje, išpumpuojant iš ten garus. , arba naudojant skystį, kurio virimo temperatūra yra tarp temperatūros saulės kolektoriaus šildymo ir aplinkos temperatūros (optimaliai - 50...60°С). Tiesa, galiu prisiminti tik vieną neegzotišką ir palyginti saugų skystį, kuris daugiau ar mažiau atitinka šias sąlygas – tai etilo alkoholis, kuris normaliomis sąlygomis verda 78 °C temperatūroje. Akivaizdu, kad tokiu atveju tikrai teks organizuoti uždarą ciklą, sprendžiant daugybę susijusių problemų. Kai kuriose situacijose gali būti perspektyvu naudoti variklius su išoriniu šildymu (Stirlingo variklius). Šiuo atžvilgiu lydinių, turinčių formos atminties efektą, naudojimas, aprašytas šioje svetainėje I. V. straipsnyje.

Saulės energijos koncentracija

Saulės kolektoriaus efektyvumo didinimas visų pirma yra nuolatinis šildomo vandens temperatūros didėjimas virš virimo temperatūros. Tam dažniausiai naudojama saulės energijos koncentracija ant kolektoriaus naudojant veidrodžius. Būtent šiuo principu grindžiama dauguma saulės elektrinių, skiriasi tik veidrodžių ir kolektoriaus skaičius, konfigūracija ir išdėstymas, taip pat veidrodžių valdymo būdai. Dėl to fokusavimo taške visiškai įmanoma pasiekti net ne šimtų, o tūkstančių laipsnių temperatūrą - esant tokiai temperatūrai, jau gali įvykti tiesioginis terminis vandens skilimas į vandenilį ir deguonį (susidaręs vandenilis gali būti sudegintas naktį ir debesuotomis dienomis)!

Deja, efektyvus tokio įrenginio veikimas neįmanomas be sudėtingos koncentratorių veidrodžių valdymo sistemos, kuri turi sekti nuolat besikeičiančią Saulės padėtį danguje. Priešingu atveju po kelių minučių fokusavimo taškas išeis iš kolektoriaus, kurio matmenys tokiose sistemose dažnai būna labai maži, o darbinio skysčio šildymas sustos. Net ir paraboloidinių veidrodžių naudojimas problemą išsprendžia tik iš dalies – jei jie periodiškai nepasukami paskui Saulę, tai po kelių valandų ji nebeįkris į jų dubenį arba apšvies tik jos kraštą – prasmės iš to bus mažai.

Lengviausias būdas sutelkti saulės energiją „namų“ sąlygomis – šalia kolektoriaus horizontaliai pastatyti veidrodį, kad didžiąją dienos dalį „saulės spindulys“ kristų ant kolektoriaus. Įdomus variantas – kaip tokį veidrodį naudoti specialiai šalia namo sukurto rezervuaro paviršių, ypač jei tai ne įprastas rezervuaras, o „saulės tvenkinys“ (nors tai padaryti nėra lengva, o atspindžio efektyvumas būti daug mažesnis nei įprasto veidrodžio). Gerą rezultatą galima pasiekti sukūrus vertikalių veidrodžių stebulių sistemą (dažniausiai toks darbas yra daug sudėtingesnis, tačiau kai kuriais atvejais gali būti visiškai pagrįsta tiesiog įrengti didelį veidrodį ant gretimos sienos, jei jis sudaro vidinį kampą su kolektorius – viskas priklauso nuo pastato ir kolektoriaus konfigūracijos bei vietos).

Saulės spinduliuotės nukreipimas naudojant veidrodžius taip pat gali padidinti fotovoltinės matricos našumą. Tačiau tuo pačiu metu jo šildymas didėja ir jis gali išjungti akumuliatorių. Todėl šiuo atveju turite apsiriboti santykinai nedideliu prieaugiu (keleto dešimčių procentų, bet kartais ne), ir turite atidžiai kontroliuoti akumuliatoriaus temperatūrą, ypač karštomis, giedromis dienomis! Būtent dėl ​​perkaitimo pavojaus kai kurie fotovoltinių baterijų gamintojai aiškiai draudžia naudoti savo gaminius su padidintu apšvietimu, sukurtu naudojant papildomus atšvaitus.

Saulės energijos pavertimas mechanine

Tradiciniai saulės energijos įrenginių tipai neapima tiesioginio mechaninio darbo. Norėdami tai padaryti, elektros variklis turi būti prijungtas prie saulės baterijos ant fotokeitiklių, o naudojant terminį saulės kolektorių - perkaitintus garus (o vargu ar pavyks apsieiti be veidrodinių koncentratorių perkaitimui) garo turbinos įleidimo anga arba į garo variklio cilindrus. Santykinai mažai šilumos turintys kolektoriai gali paversti šilumą mechaniniu judesiu egzotiškesniais būdais, pavyzdžiui, formuoti atminties lydinio pavaras.

Tačiau yra įrenginių, kuriuose saulės šiluma paverčiama mechaniniu darbu, tiesiogiai įtraukta į jų dizainą. Be to, jų dydžiai ir galingumas labai skiriasi – tai didžiulio šimtų metrų aukščio saulės bokšto ir kuklaus saulės siurblio projektas, kuriame yra vieta vasarnamiui.

Saulė yra neišsenkantis, aplinkai saugus ir pigus energijos šaltinis. Ekspertų teigimu, saulės energijos kiekis, pasiekiantis Žemės paviršių per savaitę, viršija visų pasaulio naftos, dujų, anglies ir urano atsargų energiją 1 . Pasak akademiko Zh.I. Alferovas, „žmonija turi patikimą natūralų termobranduolinį reaktorių - Saulę. Tai Zh-2 klasės žvaigždė, labai vidutinė, kurios galaktikoje yra iki 150 mlrd. Bet tai yra mūsų žvaigždė, ir ji siunčia į Žemę milžiniškas galias, kurių transformacija leidžia patenkinti beveik bet kokį žmonijos energijos poreikį daugelį šimtų metų. Be to, saulės energija yra „švari“ ir neturi neigiamos įtakos planetos ekologijai 2 .

Svarbus dalykas yra tai, kad žaliava saulės elementų gamybai yra vienas iš labiausiai paplitusių elementų - silicis. Žemės plutoje silicis yra antrasis elementas po deguonies (29,5 % masės) 3 . Daugelio mokslininkų nuomone, silicis yra „XX pirmojo amžiaus nafta“: 30 metų vienas kilogramas silicio fotovoltinėje elektrinėje pagamina tiek pat elektros energijos, kiek 75 tonos naftos šiluminėje elektrinėje.

Tačiau kai kurie ekspertai mano, kad saulės energijos negalima vadinti nekenksminga aplinkai dėl to, kad gryno silicio gamyba fotovoltikai yra labai „nešvari“ ir daug energijos reikalaujanti gamyba. Be to, statant saulės elektrines reikia skirti didžiules žemes, kurių plotas prilygsta hidroelektrinių rezervuarams. Kitas saulės energijos trūkumas, pasak specialistų, yra didelis nepastovumas. Energetikos sistemos, kurios elementai yra saulės elektrinės, efektyvų veikimą galima užtikrinti, jei:
- didelių rezervinių pajėgumų buvimas naudojant tradicinius energijos nešiklius, kuriuos galima prijungti naktį arba debesuotomis dienomis;
- didelio masto ir brangiai kainuojantis elektros tinklų modernizavimas 4 .

Nepaisant šio trūkumo, saulės energija toliau vystosi pasaulyje. Visų pirma, atsižvelgiant į tai, kad spinduliavimo energija atpigs ir po kelerių metų taps reikšmingu naftos ir dujų konkurentu.

Šiuo metu pasaulyje yra fotovoltiniai įrenginiai, paverčiant saulės energiją į elektros energiją, remiantis tiesioginio konversijos metodu, ir termodinaminiai įrenginiai, kuriame saulės energija pirmiausia paverčiama šiluma, vėliau termodinaminiame šilumos variklio cikle paverčiama mechanine, o generatoriuje – į elektros energiją.

Saulės elementai kaip energijos šaltinis gali būti naudojami:
- pramonėje (aviacijos pramonėje, automobilių pramonėje ir kt.),
- žemės ūkyje,
- namų ūkio sektoriuje,
- statybos pramonėje (pavyzdžiui, ekologiniai namai),
- saulės elektrinėse,
- autonominėse vaizdo stebėjimo sistemose,
- autonominėse apšvietimo sistemose,
– kosmoso pramonėje.

Energetikos strategijos instituto duomenimis, teorinis saulės energijos potencialas Rusijoje yra daugiau nei 2300 milijardų tonų standartinio kuro, ekonominis potencialas – 12,5 milijono tonų kuro ekvivalento. Trims dienoms į Rusijos teritoriją patekusios saulės energijos potencialas viršija visos mūsų šalies metinės elektros gamybos energiją.
Dėl Rusijos padėties (tarp 41 ir 82 laipsnių šiaurės platumos) saulės radiacijos lygis labai skiriasi: nuo 810 kWh/m 2 per metus atokiuose šiauriniuose regionuose iki 1400 kWh/m 2 per metus pietiniuose regionuose. Dideli sezoniniai svyravimai taip pat turi įtakos saulės radiacijos lygiui: esant 55 laipsnių pločiui, saulės spinduliuotė sausio mėnesį yra 1,69 kWh / m 2, o liepos mėnesį - 11,41 kWh / m 2 per parą.

Didžiausias saulės energijos potencialas yra pietvakariuose (Šiaurės Kaukaze, Juodosios ir Kaspijos jūrų regione) ir Pietų Sibire bei Tolimuosiuose Rytuose.

Perspektyviausi regionai saulės energijos naudojimo požiūriu: Kalmukija, Stavropolio teritorija, Rostovo sritis, Krasnodaro sritis, Volgogrado sritis, Astrachanės sritis ir kiti regionai pietvakariuose, Altajaus, Primorės, Čitos sritis, Buriatija ir kiti regionai pietryčiuose . Be to, kai kurios Vakarų ir Rytų Sibiro bei Tolimųjų Rytų sritys viršija saulės spinduliuotės lygį pietiniuose regionuose. Taigi, pavyzdžiui, Irkutske (52 laipsniai šiaurės platumos) saulės spinduliuotės lygis siekia 1340 kWh/m2, o Jakutijos-Sachos Respublikoje (62 laipsniai šiaurės platumos) šis rodiklis siekia 1290 kWh/m2. 5

Šiuo metu Rusija turi pažangių technologijų saulės energiją paversti elektros energija. Yra nemažai įmonių ir organizacijų, kurios sukūrė ir tobulina fotoelektrinių keitiklių technologiją: tiek ant silicio, tiek ant kelių jungčių konstrukcijų. Yra daug pokyčių, susijusių su koncentravimo sistemų naudojimu saulės elektrinėse.

Teisės aktų sistema, remianti saulės energijos plėtrą Rusijoje, tik pradeda kurtis. Tačiau pirmieji žingsniai jau žengti:
- 2008 m. liepos 3 d.: Vyriausybės nutarimas Nr. 426 „Dėl atsinaujinančių energijos išteklių naudojimo pagrindu veikiančio gamybos įrenginio kvalifikavimo“;
- 2009 m. sausio 8 d.: Rusijos Federacijos Vyriausybės dekretas N 1-r „Dėl pagrindinių valstybės politikos krypčių elektros energijos pramonės energijos vartojimo efektyvumo didinimo, remiantis atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimu, srityje laikotarpiu iki iki 2020"

Patvirtinti tikslai iki 2015 ir 2020 m. padidinti AEI dalį bendrame Rusijos energijos balanso lygyje atitinkamai iki 2,5 ir 4,5 procento 6 .

Įvairiais vertinimais, šiuo metu Rusijoje bendras pradėtas eksploatuoti saulės energijos gamybos pajėgumas yra ne didesnis kaip 5 MW, iš kurių didžioji dalis tenka namų ūkiams. Didžiausias pramonės objektas Rusijos saulės energetikos pramonėje yra 2010 metais Belgorodo srityje pradėta eksploatuoti 100 kW saulės elektrinė (palyginimui – Kanadoje yra didžiausia pasaulyje saulės elektrinė, kurios galia siekia 80 000 kW).

Šiuo metu Rusijoje įgyvendinami du projektai: saulės energijos parkų statyba Stavropolio teritorijoje (galia – 12 MW) ir Dagestano Respublikoje (10 MW) 7 . Nepaisant paramos stokos atsinaujinančiai energetikai, nemažai įmonių įgyvendina nedidelius projektus saulės energetikos srityje. Pavyzdžiui, „Sakhaenergo“ Jakutijoje įrengė nedidelę 10 kW galios stotį.

Maskvoje yra nedidelių įrenginių: Leontievsky Lane ir Michurinsky prospekte kelių namų įėjimai ir kiemai apšviečiami saulės modulių pagalba, o tai sumažino apšvietimo išlaidas 25%. Timiryazevskaya gatvėje ant vienos iš autobusų stotelių stogo sumontuotos saulės baterijos, kurios suteikia nuorodų ir informacijos perdavimo sistemą bei Wi-Fi.

Saulės energijos plėtrą Rusijoje lemia keli veiksniai:

1) klimato sąlygos:šis veiksnys įtakoja ne tik tinklo pariteto pasiekimo metus, bet ir saulės energijos įrengimo technologijos pasirinkimą, kuris geriausiai tinka konkrečiam regionui;

2)valstybės parama: Teisiškai nustatytų ekonominių paskatų saulės energijai buvimas yra labai svarbus
jo plėtra. Iš valstybės paramos rūšių, kurios sėkmingai naudojamos daugelyje Europos šalių ir JAV, galima išskirti: supirkimo tarifą saulės elektrinėms, subsidijas saulės elektrinių statybai, įvairius mokesčių lengvatų variantus, kompensacijas. daliai paskolų, skirtų saulės energijos įrenginiams įsigyti, aptarnavimo išlaidų;

3)SFEU (saulės fotovoltinės įrangos) kaina:Šiandien saulės elektrinės yra viena brangiausių naudojamų elektros energijos gamybos technologijų. Tačiau mažėjant 1 kWh pagamintos elektros sąnaudoms, saulės energija tampa konkurencinga. SPPM paklausa priklauso nuo 1W SPPM instaliuotos galios kainos sumažėjimo (~3 000 USD 2010 m.). Sąnaudų mažinimas pasiekiamas didinant efektyvumą, mažinant technologinius kaštus ir mažinant gamybos pelningumą (konkurencijos poveikį). Galimybė sumažinti 1 kW galios kainą priklauso nuo technologijos ir svyruoja nuo 5% iki 15% per metus;

4) aplinkosaugos standartai: saulės energijos rinką gali teigiamai paveikti dėl galimo Kioto protokolo peržiūros sugriežtinti aplinkosaugos reglamentai (apribojimai ir baudos). Apyvartinių taršos leidimų pardavimo mechanizmų tobulinimas gali suteikti naują ekonominį postūmį urėdijų rinkai;

5) elektros energijos paklausos ir pasiūlos balansas: esamų ambicingų gamybos ir elektros tinklų statybos ir rekonstrukcijos planų įgyvendinimas
vykdant pramonės reformą nuo RAO „UES of Russia“ atsiskyrusių įmonių pajėgumai ženkliai padidins elektros tiekimą ir gali padidinti spaudimą kainai.
didmeninėje rinkoje. Tačiau senų pajėgumų pašalinimas ir kartu didėjanti paklausa lems kainos padidėjimą;

6)technologinio ryšio problemų buvimas: delsimas patenkinti paraiškas dėl technologinio prisijungimo prie centralizuotos elektros energijos tiekimo sistemos yra paskata pereiti prie alternatyvių energijos šaltinių, įskaitant SFEU. Tokius vėlavimus lemia tiek objektyvus pajėgumų trūkumas, tiek tinklo įmonių neefektyvus technologinio prisijungimo organizavimas arba technologinio prisijungimo nefinansavimas iš tarifo;

7) vietos valdžios iniciatyvos: regionų ir savivaldybių vyriausybės gali įgyvendinti savo programas saulės energijos arba apskritai atsinaujinančių / netradicinių energijos šaltinių plėtrai. Šiandien tokios programos jau įgyvendinamos Krasnojarsko ir Krasnodaro teritorijose, Buriatijos Respublikoje ir kt.;

8) savos gamybos plėtra: Rusijos SFEU gamyba gali turėti teigiamos įtakos Rusijos saulės energijos vartojimo plėtrai. Pirma, dėl savo produkcijos didėja bendras gyventojų informuotumas apie saulės technologijų prieinamumą ir jų populiarumą. Antra, SFEM kaina galutiniams vartotojams sumažinama sumažinus tarpines platinimo grandinės grandis ir transporto komponentą 8 .

6 http://www.ng.ru/energy/2011-10-11/9_sun_energy.html
7 Organizatorius – Hevel LLC, kurios steigėjai yra įmonių grupė „Renova“ (51 proc.) ir valstybinė korporacija Rusijos nanotechnologijų korporacija (49 proc.).

Saulė skleidžia didžiulį energijos kiekį – maždaug 1,1x1020 kWh per sekundę. Kilovatvalandė – tai energijos kiekis, reikalingas 100 vatų kaitrinei lemputei 10 valandų veikti. Išorinė Žemės atmosfera sulaiko maždaug vieną milijonąją Saulės skleidžiamos energijos arba maždaug 1500 kvadrilijonų (1,5 x 1018) kWh per metus. Tačiau dėl atmosferos dujų ir aerozolių atspindžio, sklaidos ir absorbcijos Žemės paviršių pasiekia tik 47 % visos energijos arba maždaug 700 kvadrilijonų (7 x 1017) kWh.

Saulės spinduliuotė Žemės atmosferoje skirstoma į vadinamąją tiesioginę spinduliuotę ir yra išsklaidyta atmosferoje esančių oro dalelių, dulkių, vandens ir kt. Jų suma sudaro bendrą saulės spinduliuotę. Energijos kiekis, patenkantis į ploto vienetą per laiko vienetą, priklauso nuo kelių veiksnių:

• platumos
• vietinis metų klimatas
• paviršiaus pasvirimo kampas saulės atžvilgiu.

Laikas ir geografinė vieta

Saulės energijos kiekis, krentantis į Žemės paviršių, kinta dėl Saulės judėjimo. Šie pokyčiai priklauso nuo paros laiko ir sezono. Paprastai daugiau saulės spinduliuotės pasiekia Žemę vidurdienį nei anksti ryte ar vėlai vakare. Vidurdienį Saulė yra aukštai virš horizonto, todėl Saulės spindulių kelio per Žemės atmosferą ilgis sumažėja. Vadinasi, mažiau išsklaidoma ir sugeriama saulės spinduliuotė, o tai reiškia, kad daugiau jos pasiekia paviršių.

Saulės energijos kiekis, pasiekiantis Žemės paviršių, skiriasi nuo vidutinės metinės vertės: žiemą – mažiau nei 0,8 kWh/m2 per parą Šiaurės Europoje ir daugiau nei 4 kWh/m2 per parą vasarą tame pačiame regione. Skirtumas mažėja artėjant prie pusiaujo.

Saulės energijos kiekis priklauso ir nuo vietovės geografinės padėties: kuo arčiau pusiaujo, tuo jis didesnis. Pavyzdžiui, vidutinis metinis bendras saulės spinduliuotės kritimas ant horizontalaus paviršiaus yra: Vidurio Europoje, Centrinėje Azijoje ir Kanadoje – apie 1000 kWh/m2; Viduržemio jūroje - apie 1700 kWh / m2; daugumoje Afrikos, Artimųjų Rytų ir Australijos dykumų regionų – apie 2200 kWh/m2.

Taigi saulės spinduliuotės kiekis labai skiriasi priklausomai nuo metų laiko ir geografinės padėties (žr. lentelę). Į šį veiksnį reikia atsižvelgti naudojant saulės energiją.

	Pietų Europa	Vidurio Europa	Šiaurės Europa	Karibų regionas
sausio mėn	2,6	1,7	0,8	5,1
vasario mėn	3,9	3,2	1,5	5,6
Kovas	4,6	3,6	2,6	6,0
Balandis	5,9	4,7	3,4	6,2
Gegužė	6,3	5,3	4,2	6,1
birželis	6,9	5,9	5,0	5,9
liepos mėn	7,5	6,0	4,4	6,0
Rugpjūtis	6,6	5,3	4,0	6,1
rugsėjis	5,5	4,4	3,3	5,7
Spalio mėn	4,5	3,3	2,1	5,3
lapkritis	3,0	2,1	1,2	5,1
gruodį	2,7	1,7	0,8	4,8
METAI	5,0	3,9	2,8	5,7

Debesų įtaka saulės energijai

Saulės spinduliuotės kiekis, pasiekiantis Žemės paviršių, priklauso nuo įvairių atmosferos reiškinių ir nuo Saulės padėties tiek dieną, tiek ištisus metus. Debesys – pagrindinis atmosferos reiškinys, nulemiantis Žemės paviršių pasiekiančios saulės spinduliuotės kiekį. Bet kuriame Žemės taške saulės spinduliuotė, pasiekianti Žemės paviršių, mažėja didėjant debesuotumui. Todėl šalys, kuriose vyrauja debesuotas oras, gauna mažiau saulės spinduliuotės nei dykumos, kuriose oras dažniausiai būna be debesų.

Debesų susidarymui įtakos turi vietiniai ypatumai, tokie kaip kalnai, jūros ir vandenynai, taip pat dideli ežerai. Todėl šiose zonose ir šalia jų esančiuose regionuose gaunamos saulės spinduliuotės kiekis gali skirtis. Pavyzdžiui, kalnai gali gauti mažiau saulės spinduliuotės nei gretimos papėdės ir lygumos. Vėjai, pučiantys link kalnų, dalį oro pakyla ir, aušindami ore esančią drėgmę, susidaro debesys. Saulės spinduliuotės kiekis pakrantės zonose taip pat gali skirtis nuo fiksuojamų teritorijose, esančiose sausumoje.

Saulės energijos kiekis, gaunamas per dieną, labai priklauso nuo vietinių atmosferos reiškinių. Vidurdienį su giedru dangumi, visa saulės energija

spinduliuotė, krentanti ant horizontalaus paviršiaus, gali siekti (pavyzdžiui, Vidurio Europoje) 1000 W/m2 (esant labai palankioms oro sąlygoms šis rodiklis gali būti didesnis), o esant labai debesuotam orui – žemiau 100 W/m2 net vidurdienį.

Atmosferos taršos poveikis saulės energijai

Antropogeniniai ir gamtos reiškiniai taip pat gali apriboti Žemės paviršių pasiekiančios saulės spinduliuotės kiekį. Miesto smogas, miškų gaisrų dūmai ir ore sklindantys vulkaniniai pelenai mažina saulės energijos naudojimą, padidindami saulės spinduliuotės sklaidą ir sugertį. Tai yra, šie veiksniai turi didesnę įtaką tiesioginei saulės spinduliuotei nei bendrai. Esant stipriai oro taršai, pavyzdžiui, smogui, tiesioginė spinduliuotė sumažėja 40%, o bendra - tik 15-25%. Stiprus ugnikalnio išsiveržimas gali sumažinti, o dideliame Žemės paviršiaus plote, tiesioginę saulės spinduliuotę 20%, o iš viso - 10% nuo 6 mėnesių iki 2 metų. Sumažėjus vulkaninių pelenų kiekiui atmosferoje, poveikis silpnėja, tačiau visiško atsigavimo procesas gali užtrukti keletą metų.

Saulės energijos potencialas

Saulė suteikia mums 10 000 kartų daugiau nemokamos energijos nei iš tikrųjų sunaudojama visame pasaulyje. Vien pasaulinė komercinė rinka per metus nuperka ir parduoda kiek mažiau nei 85 trilijonus (8,5 x 1013) kWh energijos. Kadangi neįmanoma sekti viso proceso, negalima tiksliai pasakyti, kiek nekomercinės energijos suvartoja žmonės (pavyzdžiui, kiek surenkama ir sudegina medienos ir trąšų, kiek vandens sunaudojama mechaninei ar elektrai gaminti). energija). Kai kurie ekspertai skaičiuoja, kad tokia nekomercinė energija sudaro penktadalį visos sunaudojamos energijos. Tačiau net jei tai tiesa, bendra žmonijos per metus suvartojama energija yra tik maždaug septyni tūkstantoji saulės energijos, kuri tuo pačiu laikotarpiu pasiekia Žemės paviršių.

Išsivysčiusiose šalyse, tokiose kaip JAV, energijos suvartojimas yra maždaug 25 trilijonai (2,5 x 1013) kWh per metus, o tai atitinka daugiau nei 260 kWh vienam asmeniui per dieną. Tai prilygsta daugiau nei 100 100 W kaitrinių lempučių eksploatavimui kasdien visą dieną. Vidutinis JAV pilietis suvartoja 33 kartus daugiau energijos nei indas, 13 kartų daugiau nei kinas, du su puse karto daugiau nei japonas ir du kartus daugiau nei švedas.

Saulės energijos kiekis, pasiekiantis Žemės paviršių, yra daug kartų didesnis nei jos suvartojimas net ir tokiose šalyse kaip JAV, kur energijos suvartojimas yra didžiulis. Jei 10% efektyvumu veikiančiai saulės įrangai (fotovoltinėms plokštėms arba saulės karšto vandens sistemoms) įrengti būtų panaudota tik 1% šalies teritorijos, tai JAV būtų pilnai aprūpinta energija. Tą patį galima pasakyti ir apie visas kitas išsivysčiusias šalis. Tačiau tam tikra prasme tai nerealu – pirma, dėl fotovoltinių sistemų brangumo, antra, tokių didelių plotų padengti saulės įranga nepakenkiant ekosistemai neįmanoma. Bet pats principas yra teisingas.

Tą patį plotą galima padengti išsklaidant įrenginius ant pastatų stogų, ant namų, pakelėse, iš anksto nustatytuose žemės plotuose ir kt. Be to, daugelyje šalių jau daugiau nei 1% žemės yra skirta energijos gavybai, konversijai, gamybai ir transportavimui. Ir kadangi didžioji šios energijos dalis žmogaus egzistavimo mastu yra neatsinaujinanti, tokia energijos gamyba yra daug kenksmingesnė aplinkai nei saulės sistemos.