Saules enerģijas enerģijas potenciāls. Saules enerģija Krievijā: attīstības perspektīvas un problēmas

4.1.1. Saules enerģijas bruto enerģijas resursa (potenciāla) novērtējums

Saules enerģijas bruto enerģijas resursa vērtību ietekmējošo faktoru analīze. Saules starojuma enerģija, kas krīt uz Zemi, ir 10 000 reižu lielāka par cilvēces saražotās enerģijas daudzumu. Pasaules komerciālais tirgus pērk un pārdod aptuveni 85∙103 miljardus kWh enerģijas gadā. Ir ārkārtīgi grūti novērtēt, cik daudz nekomerciālas enerģijas patērē cilvēce. Daži eksperti uzskata, ka nekomerciālā sastāvdaļa ir gandrīz 20% no visas izmantotās enerģijas.

Elektroenerģijas patēriņš Krievijā kopumā 2015. gadā sastādīja 1,036∙103 miljardus kWh Krievijas Federācijai ir milzīgs bruto resurss saules enerģijas izmantošana. Kopējā gada saules starojuma enerģija, kas krīt uz mūsu valsts teritorijas horizontālo virsmu, ir aptuveni 20,743∙10 6 miljardi kWh/gadā, kas aptuveni 20 000 reižu pārsniedz enerģijas nepieciešamību.

Tiek saukta zemes virsmas apstarošana ar saules starojumu, kam ir viegla, termiska un baktericīda iedarbība. insolācija.

Insolāciju mēra ar saules starojuma enerģijas daudzumu, kas laika vienībā krīt uz horizontālas virsmas vienību.

Saules starojuma plūsma, kas šķērso 1 m 2 platību perpendikulāri plūsmai starojums vienas astronomiskas vienības attālumā no Saules centra (tas ir, ārpus Zemes atmosfēras) ir vienāds ar 1367 W / m 2 - saules konstante.

Zemes atmosfēras absorbcijas dēļ maksimālā saules starojuma plūsma jūras līmenī ir 1020 W/m 2 . Tomēr jāņem vērā, ka saules starojuma plūsmas vidējā diennakts vērtība caur vienu apgabalu ir vismaz trīs reizes mazāka (sakarā ar dienas un nakts maiņu un saules leņķa maiņu virs horizonta) . Ziemā mērenajos platuma grādos šī vērtība ir divas reizes mazāka. Šis enerģijas daudzums uz laukuma vienību nosaka saules enerģijas iespējas. Arī saules enerģijas ražošanas izredzes samazinās globālās aptumšošanas dēļ, cilvēka radītā saules starojuma samazināšanās, kas sasniedz Zemes virsmu.

Kopējais saules starojums Zemes atmosfērā sastāv no tiešais un izkliedētais starojums . Enerģijas daudzums, kas krīt uz laukuma vienību laika vienībā, ir atkarīgs no:

- apgabala ģeogrāfiskais platums,

- vietējais klimats un gada laiks,

- atmosfēras gaisa blīvums, mitrums un piesārņojuma pakāpe,

- Zemes ikgadējā un ikdienas kustība,

- zemes virsmas raksturs,

- no virsmas, uz kuras krīt starojums, slīpuma leņķa attiecībā pret Sauli.

Atmosfēra absorbē daļu saules enerģijas. Jo garāks saules gaismas ceļš atmosfērā, jo mazāk tiešas saules enerģijas sasniedz zemes virsmu. Kad Saule atrodas zenītā (staru krišanas leņķis ir 90°), tās stari visīsākajā ceļā ietriecas Zemē un intensīvi atdod savu enerģiju nelielā apgabalā. Uz Zemes tas notiek ap ekvatoru tropos. Attālinoties no šīs zonas uz dienvidiem vai ziemeļiem, saules staru ceļa garums palielinās un samazinās to krišanas leņķis uz zemes virsmas. Rezultātā:

palielināts enerģijas zudums gaisā,

saules starojums tiek izplatīts lielā teritorijā,

samazinot tiešās enerģijas daudzumu, kas krīt uz laukuma vienību, un

palielinot izkliedētā starojuma īpatsvaru.

Turklāt diennakts garums dažādos gada laikos ir atkarīgs arī no apgabala platuma, kas arī nosaka saules starojuma daudzumu, kas nonāk zemes virsmā. Svarīgs faktors, kas nosaka saules enerģijas potenciālu, ir saules starojuma ilgums gada laikā (4.1. att.).

Rīsi. 4.1. Saules spīdēšanas ilgums Krievijā, stunda/gads

Teritorijās ar augstu platuma grādu, kur ievērojama ziemas laika daļa iekrīt polārajā naktī, radiācijas pieplūduma atšķirība vasarā un ziemā var būt diezgan liela. Tātad aiz polārā loka saules spīdēšanas ilgums svārstās no 0 stundām decembrī līdz 200-300 stundām jūnijā un jūlijā, un gada ilgums ir aptuveni 1200-1600 stundas. Valsts ziemeļos Saules enerģijas daudzums, kas sasniedz Zemes virsmu ziemā, atšķiras no gada vidējās vērtības mazāk nekā par 0,8 kWh / (m 2 × diennaktī), vasarā - par vairāk nekā 4 kWh / m 2. Ja ziemas mēnešos saules radiācijas līmeņi Krievijas ziemeļu un dienvidu reģionos ir ļoti atšķirīgi, tad vasaras insolācijas rādītāji šajās teritorijās garo diennakts gaišo stundu dēļ ziemeļu platuma grādos izrādās visai salīdzināmi. Tomēr mazāka gada saules spīdēšanas ilguma dēļ apkārtējās teritorijas kopējā saules starojuma ziņā ir zemākas par vidējās zonas un dienvidu reģioniem, attiecīgi, 1,3 un 1,7 reizes.

Klimata apstākļi noteiktā apgabalā nosaka mākoņainības ilgumu un līmeni reģionā, mitrumu un gaisa blīvumu. Mākoņi ir galvenā atmosfēras parādība, kas samazina Saules enerģijas daudzumu, kas sasniedz Zemes virsmu. To veidošanos ietekmē tādas vietējā reljefa iezīmes kā kalni, jūras un okeāni, kā arī lieli ezeri. Tāpēc šajās zonās un tiem piegulošajos reģionos saņemtais saules starojuma daudzums var atšķirties.

Zemes virsmas un reljefa raksturs ietekmē arī tās atstarošanas spēju. Virsmas spēju atspoguļot starojumu sauc albedo (no latīņu valodas - baltums). Ir noskaidrots, ka zemes virsmas albedo mainās ļoti plašā diapazonā. Tātad tīra sniega albedo ir 85-90%, smilts - 30-35%, melnzeme - 5-14%, zaļās lapas - 20-25%, dzeltenās lapas - 33-39%, ūdens virsma Saules augstumā 90 0 - 2 %, ūdens virsma Saules augstumā 20 0 - 78 %. Atstarots starojums palielina izkliedētā starojuma komponentu.

Antropogēnais un dabiskais atmosfēras piesārņojums var ierobežot arī saules starojuma daudzumu, kas var sasniegt zemes virsmu. Pilsētas smogs, mežu ugunsgrēku dūmi un gaisā esošie vulkāniskie pelni samazina saules enerģijas izmantošanu, palielinot saules starojuma izkliedi un absorbciju. Šiem faktoriem ir lielāka ietekme uz tiešo saules starojumu nekā uz kopējo. Ar smagu gaisa piesārņojumu, piemēram, ar smogu, tiešais starojums samazinās par 40%, bet kopējais - tikai par 15-25%. Spēcīgs vulkāna izvirdums var samazināt, un lielā Zemes virsmas laukumā, tiešo saules starojumu par 20%, bet kopumā - par 10% laika posmā no 6 mēnešiem līdz 2 gadiem. Samazinoties vulkānisko pelnu daudzumam atmosfērā, efekts vājinās, bet pilnīgas atveseļošanās process var ilgt vairākus gadus.

Saules enerģijas daudzums, kas krīt uz uztverošās virsmas, mainās arī, mainoties Saules pozīcijai dienas laikā dažādos gada mēnešos. Parasti vairāk saules starojuma Zemi sasniedz pusdienlaikā nekā agri no rīta vai vēlu vakarā. Pusdienlaikā Saule atrodas augstu virs horizonta, un saules gaismas caurlaidības ceļa garums Zemes atmosfērā ir samazināts. Līdz ar to tiek izkliedēts un absorbēts mazāk saules starojuma, kas nozīmē, ka vairāk sasniedz virsmu. Turklāt saules gaismas krišanas leņķa novirze uz uztverošās virsmas no 90 ° samazina enerģijas daudzumu uz laukuma vienību - projekcijas efektu. Šīs ietekmes ietekmi uz insolācijas līmeni var redzēt 4.2. attēlā.

Rīsi. 4.2. Saules staru krišanas leņķa maiņas ietekme uz vērtību

insolācija - projekcijas efekts

Viena saules enerģijas straume 1 km platumā nokrīt uz zemes 90 ° leņķī, bet otra tāda paša platuma 30 ° leņķī. Abas plūsmas pārvadā vienādu enerģijas daudzumu. Šajā gadījumā slīps saules stars izplata savu enerģiju pa laukumu, kas ir divreiz lielāks par staru kūli, kas ir perpendikulāra uztverošajai virsmai, un līdz ar to uz laukuma vienību laika vienībā plūdīs uz pusi mazāk enerģijas.

Zemes virsma, kas absorbē saules starojumu (absorbētais starojums), uzsilst un izstaro siltumu atmosfērā (atstarots starojums). Atmosfēras apakšējie slāņi lielā mērā aizkavē zemes starojumu. Zemes virsmas absorbētais starojums tiek tērēts augsnes, gaisa un ūdens sildīšanai.

To kopējā starojuma daļu, kas paliek pēc zemes virsmas atstarošanas un termiskā starojuma, sauc radiācijas līdzsvars. Zemes virsmas radiācijas bilance mainās dienas un gadalaiku laikā.

Informācijas avoti saules enerģijas bruto resursa (potenciāla) vērtības novērtēšanai. Informācijas bāze šī saules enerģijas bruto resursa (potenciāla) vērtības noteikšanai ir saules starojuma mērījumu dati dažādos valsts reģionos ar sekojošu reģiona sadalīšanu zonās ar samērā vienādu insolācijas līmeņa vērtību. Šiem nolūkiem ir nepieciešami dati, kas ģenerēti, izmantojot aktinometrisko novērojumu rezultātus, t.i. dati par tiešā, izkliedētā un kopējā saules starojuma intensitāti, par radiācijas bilanci un starojuma atstarošanas raksturu no zemes virsmas (albedo).

Ņemot vērā to meteoroloģisko staciju skaita kraso samazināšanos Krievijā, kuras veic uz zemes bāzētus aktinometriskos novērojumus, 2014. gadā bruto potenciāla novērtēšanai tika izmantota informācija par saules enerģijas resursu sadalījumu no NASA Virszemes meteoroloģijas un saules enerģijas (NASA SSE) datu bāzes. saules enerģijas (resurss). Šī bāze tika veidota, pamatojoties uz Zemes virsmas radiācijas bilances satelītu mērījumiem, kas tika veikti Pasaules klimata pētniecības programmas Starptautiskās satelītu un mākoņu klimatoloģijas programmas (ISCCP) ietvaros no 1983. gada jūlija līdz 2005. gada jūnijam. Pamatojoties uz to rezultātiem, ņemot vērā starojuma atstarošanas raksturu no zemes virsmas, mākoņainību, atmosfēras piesārņojumu ar aerosoliem un citus faktorus, tika noteiktas uz horizontālas virsmas krītošā saules starojuma ikmēneša daudzuma vērtības. aprēķināts 1º × 1º režģim, kas aptver visu zemeslodi, ieskaitot Krievijas Federācijas teritoriju.

Kopējā starojuma aprēķins uz slīpas virsmas ar noteiktu orientācijas leņķi. Novērtējot potenciālu, ir jāspēj noteikt kopējā starojuma daudzumu, kas noteiktā laikā krīt uz slīpas virsmas, kas orientēta pret zemes virsmu mums interesējošā leņķī.

Pirms turpināt kopējā starojuma aprēķināšanas metodikas aprakstu, nepieciešams iepazīstināt ar pamatjēdzieniem, kas saistīti ar saules starojuma novērtēšanu.

Pārskatīšana notiks plkst horizontālā koordinātu sistēma.Šajā sistēmā koordinātu sākumpunkts ir novietots novērotāja vietā uz zemes virsmas. Horizontālā plakne darbojas kā galvenā plakne - plakne matemātiskais horizonts. Viena koordināte šajā sistēmā ir vai nu saules augstums α, vai viņa zenīta attālums z. Vēl viena koordināta ir azimuts a.

Matemātiskais horizonts ir liels debess sfēras aplis, kura plakne ir perpendikulāra svērtenim punktā, kur atrodas novērotājs.

Matemātiskais horizonts nesakrīt ar redzams horizonts Zemes virsmas nelīdzenumu, dažādu novērojumu punktu augstumu, kā arī gaismas staru izliekuma atmosfērā dēļ.

Saules zenīta leņķis z ir leņķis starp saules staru un normālu pret horizontālo plakni novērošanas punktā A.

Saules augstuma leņķis α ir leņķis vertikālajā plaknē starp saules staru un tā projekciju horizontālajā plaknē. α+z summa ir 90°.

Saules azimuts a- tas ir leņķis horizontālajā plaknē starp saules stara projekciju un virzienu uz dienvidiem.

Virsmas azimuts a p mēra kā leņķi starp normālu pret attiecīgo virsmu un dienvidu virzienu.

Saules deklinācijas leņķis- tas ir leņķis starp līniju, kas savieno Zemes un Saules centrus, un tās projekciju ekvatoriālajā plaknē. Saules deklinācija nepārtraukti mainās visu gadu - no -23 ° 27 "ziemas saulgriežu dienā 22. decembrī līdz + 23 ° 27" vasaras saulgriežu dienā 22. jūnijā un ir nulle dienās pavasara un rudens ekvinokcijas (21. marts un 23. septembris).

Lokālais patiesais Saules laiks ir laiks, ko novērotāja atrašanās vietā nosaka Saules šķietamais stāvoklis debess sfērā. 12 stundas vietējais Saules laiks atbilst laikam, kad Saule atrodas zenītā (augstāk debesīs).

Vietējais laiks parasti atšķiras no vietējā Saules laika zemes orbītas ekscentriskuma, cilvēku izmantotās laika joslas un mākslīgās laika nobīdes dēļ, lai taupītu enerģiju.

Debesu ekvators- tas ir liels debess sfēras aplis, kura plakne ir perpendikulāra pasaules asij (zemes rotācijas asij) un sakrīt ar zemes ekvatora plakni.

Debesu ekvators sadala debess sfēras virsmu divās puslodēs: ziemeļu puslodē ar virsotni ziemeļu debess polā un dienvidu puslodē, kuras virsotne atrodas dienvidu debess polā.

debesu meridiāns- liels debess sfēras aplis, kura plakne iet caur svērteni un pasaules asi (zemes griešanās asi).

stundu leņķis- leņķiskais attālums, ko mēra gar debess ekvatoru uz rietumiem no debess meridiāna (tā daļa, kuru saule šķērso augšējās kulminācijas brīdī) līdz stundas aplim, kas iet caur izvēlētu debess sfēras punktu.

Stundu leņķis ir rezultāts, pārvēršot vietējo saules laiku grādos, ko saule pārvietojas pa debesīm. Pēc definīcijas stundas leņķis pusdienlaikā ir nulle. Tā kā Zeme griežas par 15 0 vienā stundā (360 o / 24 stundas), tad par katru stundu pēcpusdienā Saule pārvietojas par 15 0 . No rīta saules leņķis ir negatīvs, vakarā pozitīvs.

Kā fona informācija lai aprēķinātu kopējo starojumu, tiek izmantotas šādu rādītāju vērtības, kas iegūtas, statistiski apstrādājot novērojumu datus:

- mēneša vidējais kopējā saules starojuma daudzums, kas dienas laikā krīt uz horizontālu laukumu, ;

ir mēneša vidējais izkliedētā (izkliedētā) saules starojuma daudzums, kas dienas laikā krīt uz horizontālu laukumu, ;

– Zemes virsmas albedo – Zemes virsmas atstarotā saules starojuma daudzuma vidējā mēneša attiecība pret kopējo uz zemes virsmu krītošā saules starojuma daudzumu (t.i., Zemes virsmas atstarotā starojuma daļa), daļa.

Visi turpmākie aprēķini tiek veikti par "mēneša vidējo dienu", t.i. diena, kurā Saules deklinācijas leņķis ir vistuvāk vidējam mēneša leņķim.

Saules starojums uz horizontālas virsmas. Izmantojot šo informāciju, kopējā (un izkliedētā ()) saules starojuma vērtības horizontāla virsma per t- novērošanas stunda:

Un - pārejas koeficienti no ikdienas uz stundu starojumu - tiek noteikti šādi:

- stundu leņķis iekšā t-diennakts paredzamā stunda, grādi;

- saulrieta stundu leņķis (saulrieta), gr.

saules stundu leņķis aprēķināts, izmantojot koeficientu

– Saules pusdienlaika laiks, par kuru informāciju var atrast NASA datu bāzē, st.

Saulrieta stundas leņķis novērtēts kā

– platums, grādi;

ir saules deklinācijas leņķis, gr.

Saules deklinācijas leņķis nosaka pēc šādas formulas

– gada diena (no 1 līdz 365).

Saules starojums uz patvaļīgi orientētas slīpas virsmas . Aprēķins stundas kopējais saules starojums, krītot uz slīpas virsmas, kas orientēta leņķī pret horizontu, tiek ražots šādi

ir tiešā saules starojuma krišanas leņķis uz slīpas virsmas, kas ir patvaļīgi orientēta leņķī pret horizontu t-th stunda, grādi;

ir Saules zenīta leņķis iekšā t-th stunda, grādi;

ir virsmas slīpuma leņķis pret horizontu, grādi;

Saules zenīta leņķis

Krituma leņķis taisni saules radiācija uz slīpas virsmas, kas patvaļīgi orientēta leņķī pret horizontu:

ir Saules azimutālais leņķis collā t-diennakts stunda, grādi;

ir slīpās virsmas azimuts, gr.

Tiešā saules starojuma krišanas leņķi uz slīpas virsmas, kas patvaļīgi orientēta leņķī pret horizontu, var arī aprēķināt, izmantojot šādas attiecības:

Iepriekš aplūkotās attiecības var izmantot, lai novērtētu saules enerģijas potenciālu ar diferenciāciju stundas (vai trīs stundu) dienas intervālos.

Saules enerģijas bruto elektroenerģijas resurss (potenciāls). Saules enerģijas bruto elektroenerģijas resursa noteikšanai mūsu valstī tika izmantotas kopējās saules starojuma ikmēneša vidējās dienas vērtības uz 1 m 2. horizontālā plakne (kW h / (m 2 ∙ diena)). Pamatojoties uz šo informāciju, diferencējot pa federācijas subjektiem, vidējais saules starojuma daudzums tika novērtēts miljonos kWh, kas gada laikā nokrīt uz 1 kvadrātkilometru teritorijas (vai kWh / (m 2 ∙ gadā)) att. 4.3.

Rīsi. 4.3. Ikgadējo saules enerģijas resursu sadalījums Krievijas Federācijas teritorijā ar informāciju pa federālajiem subjektiem

Kartē katram federācijas subjektam ir piešķirts savs kods.

Tālāk ir sniegts federācijas subjektu saraksts ar to kodiem ar diferenciāciju pa Krievijas federālajiem apgabaliem. Ņemot vērā atjaunojamo energoresursu enerģētiskā potenciāla novērtējuma specifiku, Maskavas un Sanktpēterburgas pilsētas tiek apvienotas attiecīgi ar Maskavas un Ļeņingradas apgabaliem, piešķirot reģiona koda vienoto teritoriju. Federācijas subjektus lielā mērā no ziemeļiem uz dienvidiem var iedalīt daļās: ziemeļi, centrs, dienvidi.

1. Centrālais federālais apgabals: (31) Belgorodas apgabals, (32) Brjanskas apgabals, (33) Vladimiras apgabals, (36) Voroņežas apgabals, (37) Ivanovas apgabals, (40) Kalugas apgabals, (44) Kostromas apgabals, (46) Kurskas apgabals, ( 48) Ļipeckas apgabals, (50) Maskavas apgabals un Maskava, (57) Orjolas apgabals, (62) Rjazaņas apgabals, (67) Smoļenskas apgabals, (68) Tambovas apgabals, (69) Tveras apgabals, (71) Tulas apgabals, ( 76) Jaroslavļas apgabals.

2. Ziemeļrietumu federālais apgabals: ( 10) Karēlijas Republika, (11) Komi Republika, (29) Arhangeļskas apgabals, (35) Vologdas apgabals, (39) Kaļiņingradas apgabals, (47) Ļeņingradas apgabals un Sanktpēterburga, (51) Murmanskas apgabals, (53) Novgorodas apgabals , (60) Pleskavas apgabals, (83) Ņencu autonomais apgabals.

3. Dienvidu federālais apgabals: ( 1) Adigejas Republika, (8) Kalmikijas Republika, (23) Krasnodaras apgabals, (30) Astrahaņas apgabals, (34) Volgogradas apgabals, (61) Rostovas apgabals, (91) Krimas Republika un Sevastopole.

4. Ziemeļkaukāza federālais apgabals: ( 5) Dagestānas Republika, (6) Ingušijas Republika, (7) Kabardino-Balkārijas Republika, (9) Karačajas-Čerkesijas Republika, (15) Ziemeļosetijas-Alānijas Republika, (20) Čečenijas Republika, (26) Stavropoles apgabals.

5. Volgas federālais apgabals: ( 2) Baškortostānas Republika, (12) Mari El Republika, (13) Mordovijas Republika, (16) Tatarstānas Republika, (18) Udmurtijas Republika, (21) Čuvašijas Republika, (43) Kirovas apgabals, (52) ) Ņižņijnovgorodas apgabals, (56) ) Orenburgas apgabals, (58) Penzas apgabals, (59) Permas apgabals, (63) Samaras apgabals, (64) Saratovas apgabals, (73) Uļjanovskas apgabals.

6. Urālu federālais apgabals: ( 45) Kurganas apgabals, (66) Sverdlovskas apgabals, (72) Tjumeņas apgabals, (74) Čeļabinskas apgabals, (86) Hantimansijskas Aok-Jugra, (89) Jamalas Ņencu apgabals.

7. Sibīrijas federālais apgabals: (3) Burjatijas Republika, (4) Altaja Republika, (17) Tyvas Republika, (19) Hakasijas Republika, (22) Altaja apgabals, (24) Krasnojarskas apgabals (24-1. Ziemeļi, 24-2) Centrs, 24 -3. Dienvidi), (38) Irkutskas apgabals (38-1. Ziemeļi, 38-2. Dienvidi), (42) Kemerovas apgabals, (54) Novosibirskas apgabals, (55) Omskas apgabals, (70) Tomskas apgabals, ( 75) Trans-Baikāla teritorija.

8. Tālo Austrumu federālais apgabals: ( 14) Sahas Republika (Jakutija) (14-1. Ziemeļi, 14-2. Centrs, 14-3. Dienvidi), (25) Primorskas apgabals, (27) Habarovskas apgabals, (27-1. Ziemeļi, 27-2) Dienvidi), (28) Amūras apgabals, (41) Kamčatkas apgabals, (49) Magadanas apgabals, (65) Sahalīnas reģions, (79) ebreju autonomais apgabals, (87) Čukotkas autonomais apgabals.

Pašreizējais viedoklis, ka Krievijai, kas atrodas galvenokārt vidējos un augstajos platuma grādos, nav nozīmīgu saules enerģijas resursu efektīvai enerģijas izmantošanai, neatbilst patiesībai. Zemāk esošajā kartē (4.4. att.) parādīts saules starojuma enerģijas resursu vidējais sadalījums pa Krievijas teritoriju gadā, kas ierodas vidēji dienā uz 1 dienvidu orientācijas platformas ar optimālu slīpuma leņķi pret horizontu(katram ģeogrāfiskajam punktam tas ir savs leņķis, kurā kopējā ikgadējā saules starojuma enerģijas ievade vienā vietā ir maksimāla).

4.4.att. Gada vidējā dienas saules enerģijas sadalījums

starojums visā Krievijas teritorijā, kW × stunda / (m 2 × diena) (optimāli

uz dienvidiem orientēta virsma)

Iepazīstoties ar iesniegto karti, redzams, ka pašreizējās Krievijas robežās "saulainākie" ir nevis Ziemeļkaukāza reģioni, kā daudzi uzskata, bet gan Primorijas un Dienvidsibīrijas reģioni (4,5-5 kWh / (m 2 *). diena) un vairāk). Interesanti, ka labi zināmie Melnās jūras kūrorti (Soči un citi) pēc vidējā gada saules starojuma pieplūduma (dabiskā potenciāla un saules insolācijas resursa ziņā) pieder tai pašai zonai ar lielāko daļu Sibīrijas, ieskaitot Jakutiju (4,0). -4. 5 kW × stunda / (m 2 × diena)).

Enerģētiski vāji nodrošinātām teritorijām ar decentralizētu energoapgādi ir svarīgi, lai vairāk nekā 60% valsts teritorijas, ieskaitot daudzus ziemeļu reģionus, raksturotu saules starojuma vidējā gada uzņemšana no 3,5 līdz 4,5 kWh / (m 2 ×). diena), kas neatšķiras no Vācijas dienvidiem, kur plaši tiek izmantotas saules enerģijas iekārtas.

Kartes analīze rāda, ka Krievijas Federācijā vislielākā insolācijas intensitāte no 4,5 līdz 5,0 kWh / m 2 dienā ir novērota Primorijā, Sibīrijas dienvidos, Tuvas Republikas dienvidos un Dienvidkorejas Republikā. Burjatijā un pat aiz polārā loka Severnaja Zemļas austrumu daļā, nevis valsts dienvidu reģionos. Pēc saules potenciāla 4,0 - 4,5 kWh / (m 2 * dienā), Krasnodaras apgabals, Rostovas apgabals, Volgas apgabala dienvidu daļa, lielākā daļa Sibīrijas (ieskaitot Jakutiju), Novosibirskas dienvidu reģioni, Irkutskas apgabali, Burjatija, Tyva , Hakasija , Primorskas un Habarovskas apgabali, Amūras apgabals, Sahalīnas sala, plašas teritorijas no Krasnojarskas apgabala līdz Magadanai, Severnaja Zemļa, Jamalas-Ņencu autonomā apgabala ziemeļaustrumi ietilpst vienā zonā ar Ziemeļkaukāzu ar slavenajiem Krievijas Melnās jūras kūrortiem. Ņižņijnovgorodai, Maskavai, Sanktpēterburgai, Salehardai, Čukotkas austrumu daļai un Kamčatkai raksturīgs vidējais saules starojums no 2,5 līdz 3 kWh/m 2 dienā. Pārējā valstī dominē insolācijas intensitāte no 3 līdz 4 kWh/m 2 dienā.

Vislielākā enerģijas plūsma ir maijā, jūnijā un jūlijā. Šajā periodā Krievijas centrālajā daļā uz 1 kv. metrs virsmas veido 5 kWh dienā. Viszemākā intensitāte ir decembrī-janvārī, kad 1 kv. metrs virsmas veido 0,7 kWh dienā.

Ņemot vērā pašreizējo situāciju, Ukrainas kartē (4.3. att.) ir iespējams analizēt Saules radiācijas līmeni Krimas teritorijā.

Rīsi. 4.3. Gada ienākošā saules starojuma sadalījums pa

Ukrainas teritorija, kW × stunda / (m 2 × gads) (optimāli orientēta).

uz dienvidiem vērsta virsma)

Saules enerģijas bruto siltumenerģijas resurss. Bruto siltumenerģijas resurss (potenciāls) nosaka maksimālo siltumenerģijas daudzumu, kas atbilst saules starojuma enerģijai, kas nonāk Krievijas teritorijā.

Informācija šī resursa novērtēšanai var būt insolācija mega- vai kilokalorijās uz virsmas laukuma vienību, kas saņem starojumu laika vienībā.

Attēls 4.4 sniedz priekšstatu par kopējā saules starojuma sadalījumu uz Krievijas Federācijas teritorijas horizontālās virsmas kilokalorijās uz 1 cm2 gadā.

Att.4.4. Gada ienākošā saules starojuma sadalījums pa

Krievijas teritorija, kcal / (cm 2 × gads)

Visaptverošu Krievijas teritorijas zonējumu atbilstoši saules starojuma potenciālam var redzēt 4.6. attēlā. Atbilstoši izmantošanas potenciāla prioritātei piešķirtas 10 zonas. Acīmredzot Eiropas daļas dienvidu reģionos, Transbaikalia dienvidos un Tālajos Austrumos ir vislabvēlīgākie apstākļi saules enerģijas praktiskai izmantošanai.

Rīsi. 19. Krievijas teritorijas zonējums atbilstoši saules potenciālam

starojums (skaitlis aplī ir skaitlis atbilstoši potenciāla prioritātei)

Saules enerģijas bruto enerģijas potenciāla vērtības ar diferenciāciju pa Krievijas Federācijas federālajiem apgabaliem.

Novērtējot saules enerģijas nozares tehnisko potenciālu, tika izmantoti tolaik izplatītāko (90%) uz silīcija bāzes fotoelementu rādītāji ar 15% efektivitāti. Saules instalāciju darba zona, ņemot vērā fotoelektrisko elementu izvietojuma blīvumu fotoelektriskajos moduļos, tika uzskatīta par 0,1% no attiecīgā reģiona teritorijas, kas ir viendabīga radiācijas līmeņa ziņā. . Tehniskais potenciāls tika aprēķināts standarta degvielas tonnās kā teritorijas bruto saules potenciāla reizinājums ar fotoelementu aizņemtās platības īpatsvaru un to efektivitāti.

Reģiona tehniskā siltuma un elektroenerģijas potenciāla definīcija ir vērsta uz tehniskajām iespējām saules starojuma enerģiju pārveidot siltumenerģijā efektīvākajās saules karstā ūdens apgādes iekārtās. Tehniskā potenciāla novērtējums tika veikts, pamatojoties uz datiem par šādu iekārtu siltuma jaudu katrā no zonām ar vienādu insolācijas līmeni un izdarītajiem pieņēmumiem: saules kolektoru aizņemtajā platībā, kas vienāda ar 1% no apskatāmās teritorijas platība, attiecība starp siltuma un elektroinstalācijas laukumiem - attiecīgi 0,8 un 0,2, un degvielas ierīces efektivitāte ir 0,7. Konvertēšana standarta degvielas tonnās tika veikta, izmantojot koeficientu 0,34 tce/kWh.

Objektīvākais no zināmajiem saules enerģijas resursu praktiskas izmantošanas iespēju raksturojošiem rādītājiem uzskatāms par tā ekonomiskā potenciāla rādītāju. Elektrisko un termisko saules enerģijas iekārtu ekonomiskā iespējamība un izmantošanas apjoms būtu jānosaka, pamatojoties uz to konkurētspēju ar tradicionālajiem enerģijas avotiem. Nepieciešamā daudzuma nepieciešamās un ticamas informācijas trūkums bija iemesls, lai ekonomiskā potenciāla lieluma novērtēšanai izmantotu vienkāršotas metodes, kas balstītas uz kvalificētu ekspertu atzinumiem.

Saskaņā ar ekspertu aplēsēm saules enerģijas nozares ekonomiskais potenciāls tika ņemts līdz 0,05% no gada elektroenerģijas patēriņa attiecīgajā reģionā (pēc Rosstat datiem), pārrēķinot to standarta degvielas tonnās.

Ar zināmu saules starojuma intensitāti saules starojuma kopējo enerģijas potenciālu var aprēķināt standarta degvielas tonnās, kilovatstundās, gigakalorijās. Ņemot vērā fotoelementu izmantošanu saules enerģijā elektroenerģijas ražošanai un saules kolektoru izmantošanu siltuma ražošanai, kopējais tehniskais un ekonomiskais potenciāls ir sadalīts elektroenerģijā un siltumenerģijā saskaņā ar iepriekš apskatīto metodiku (9. tabula).

Ievads

Saule, kā jūs zināt, ir mūsu planētas galvenais un galvenais enerģijas avots. Tas sasilda visu Zemi, iekustina upes un piešķir spēku vējam. Zem tā stariem aug 1 kvadriljons tonnu augu, kas savukārt baro 10 triljonus tonnu dzīvnieku un baktēriju. Pateicoties tai pašai Saulei, uz zemes ir uzkrātas ogļūdeņražu rezerves, tas ir, nafta, ogles, kūdra utt., ko mēs tagad aktīvi dedzinām. Lai cilvēce šodien spētu apmierināt savas vajadzības pēc energoresursiem, gadā ir nepieciešami aptuveni 10 miljardi tonnu standarta degvielas. (Standartdegvielas siltumspēja ir 7000 kcal/kg).

Uzdevumi:

Apsveriet fiziskos pamatprincipus un parādības;

· veidot zināšanas un prasmes, ļaujot veikt galveno parametru teorētisko aprēķinu;

Apsveriet saules enerģijas izmantošanas priekšrocības un trūkumus

Apsveriet veidus, kā ražot elektroenerģiju un siltumu no saules starojuma

saules enerģija- saules starojuma izmantošana enerģijas ražošanai jebkurā formā. Saules enerģija izmanto atjaunojamo enerģijas avotu un nākotnē var kļūt videi draudzīga, proti, nerada kaitīgus atkritumus.

Saules starojums ir praktiski neizsmeļams enerģijas avots, tas nāk uz visiem Zemes stūriem, ir "pie rokas" jebkuram patērētājam un ir videi draudzīgs enerģijas avots par pieņemamu cenu.

Saules gaismas un siltuma izmantošana ir tīrs, vienkāršs un dabisks veids, kā iegūt visus nepieciešamos enerģijas veidus. Saules kolektori var sildīt mājas un komerciālas ēkas vai nodrošināt tās ar karstu ūdeni. Saules gaisma, kas koncentrēta ar paraboliskiem spoguļiem (reflektoriem), tiek izmantota siltuma radīšanai (ar temperatūru līdz vairākiem tūkstošiem grādu pēc Celsija). To var izmantot apkurei vai elektroenerģijas ražošanai. Turklāt ir vēl viens veids, kā ražot enerģiju ar Saules palīdzību – fotoelementu tehnoloģija. Fotoelementi ir ierīces, kas pārvērš saules starojumu tieši elektroenerģijā.

SAULES ENERĢIJA

Saules enerģija ir dzīvības avots uz mūsu planētas. Saule silda atmosfēru un zemes virsmu. Pateicoties saules enerģijai, pūš vēji, dabā notiek ūdens cikls, sasilst jūras un okeāni, attīstās augi, dzīvniekiem ir barība. Pateicoties saules starojumam, uz Zemes pastāv fosilais kurināmais. Saules enerģiju var pārvērst siltumā vai aukstumā, dzinējspēkā un elektrībā.

Saules radiācija

Saules starojums ir elektromagnētiskais starojums, kas koncentrēts galvenokārt viļņu garuma diapazonā no 0,28 ... 3,0 mikroniem. Saules spektrs sastāv no:

Ultravioletie viļņi, kuru garums ir 0,28 ... 0,38 mikroni, mūsu acīm neredzami un veido aptuveni 2% no saules spektra;

Gaismas viļņi diapazonā no 0,38 ... 0,78 mikroniem, kas veido aptuveni 49% no spektra;

Infrasarkanie viļņi ar garumu 0,78 ... 3,0 mikroni, kas veido lielāko daļu atlikušo 49% no saules spektra. Atlikušajām spektra daļām ir nenozīmīga loma Zemes siltuma bilancē.

Cik daudz saules enerģijas sasniedz zemi?

Saule izstaro milzīgu enerģijas daudzumu – aptuveni 1,1x10 20 kWh sekundē. Kilovatstunda ir enerģijas daudzums, kas nepieciešams, lai 100 vatu kvēlspuldze darbinātu 10 stundas. Zemes ārējā atmosfēra pārtver aptuveni vienu miljono daļu no Saules izstarotās enerģijas jeb aptuveni 1500 kvadriljonus (1,5 x 10 18) kWh gadā. Tomēr atmosfēras gāzu un aerosolu atstarošanas, izkliedes un absorbcijas dēļ tikai 47% no visas enerģijas jeb aptuveni 700 kvadriljoni (7 x 10 17) kWh sasniedz Zemes virsmu.

Saules starojums Zemes atmosfērā tiek iedalīts tā sauktajā tiešajā starojumā un difūzajā starojumā uz atmosfērā esošajām gaisa, putekļu, ūdens u.c. daļiņām. To summa veido kopējo saules starojumu.

Enerģijas daudzums, kas nokrīt uz laukuma vienību laika vienībā, ir atkarīgs no vairākiem faktoriem: vietējā klimata platuma, gadalaika un virsmas slīpuma leņķa attiecībā pret Sauli.

laiks un vieta

Saules enerģijas daudzums, kas nokrīt uz Zemes virsmas, mainās Saules kustības ietekmē. Šīs izmaiņas ir atkarīgas no diennakts laika un sezonas. Parasti vairāk saules starojuma Zemi sasniedz pusdienlaikā nekā agri no rīta vai vēlu vakarā. Pusdienlaikā Saule atrodas augstu virs horizonta, un Saules staru ceļa garums caur Zemes atmosfēru ir samazināts. Līdz ar to tiek izkliedēts un absorbēts mazāk saules starojuma, kas nozīmē, ka vairāk sasniedz virsmu.

Saules enerģijas daudzums, kas sasniedz Zemes virsmu, atšķiras no gada vidējās vērtības: ziemā - mazāk par 0,8 kWh / m 2 dienā Eiropas ziemeļos un vairāk nekā 4 kWh / m 2 dienā vasarā tajā pašā reģionā. Atšķirība samazinās, tuvojoties ekvatoram.

Saules enerģijas daudzums ir atkarīgs arī no vietas ģeogrāfiskās atrašanās vietas: jo tuvāk ekvatoram, jo ​​tas ir lielāks. Piemēram, vidējais ikgadējais kopējais saules starojuma gadījums uz horizontālas virsmas ir: Centrāleiropā, Vidusāzijā un Kanādā - aptuveni 1000 kWh/m 2 ; Vidusjūrā - aptuveni 1700 kWh / m 2; lielākajā daļā Āfrikas, Tuvo Austrumu un Austrālijas tuksnešu reģionu - aptuveni 2200 kWh / m 2.

Tādējādi saules starojuma daudzums būtiski atšķiras atkarībā no gada laika un ģeogrāfiskās atrašanās vietas. Šis faktors ir jāņem vērā, izmantojot saules enerģiju.

saules enerģija

Saules starojuma parametri

Vispirms ir jāizvērtē saules starojuma potenciālās enerģijas iespējas. Šeit vislielākā nozīme ir tās kopējai īpatnējai jaudai uz Zemes virsmas un šīs jaudas sadalījumam dažādos starojuma diapazonos.

Saules starojuma jauda

Saules, kas atrodas zenītā, netālu no Zemes virsmas, starojuma jauda tiek lēsta aptuveni 1350 W/m2. Vienkāršs aprēķins parāda, ka, lai iegūtu 10 kW jaudu, ir nepieciešams savākt saules starojumu tikai no 7,5 m2 platības. Bet tas ir skaidrā pēcpusdienā tropu zonā augstu kalnos, kur atmosfēra ir reta un kristāldzidra. Tiklīdz Saule sāk svērties pretī horizontam, attiecīgi palielinās tās staru ceļš caur atmosfēru un palielinās zaudējumi pa šo ceļu. Putekļu vai ūdens tvaiku klātbūtne atmosfērā pat tādā daudzumā, kas ir nemanāms bez īpašām ierīcēm, vēl vairāk samazina enerģijas plūsmu. Taču arī vidējā joslā vasaras pēcpusdienā uz katru kvadrātmetru, kas orientēts perpendikulāri saules stariem, ir saules enerģijas plūsma ar jaudu aptuveni 1 kW.

Protams, pat neliels mākoņu daudzums krasi samazina enerģiju, kas sasniedz virsmu, īpaši infrasarkanajā (termiskajā) diapazonā. Tomēr daļa enerģijas joprojām iekļūst caur mākoņiem. Vidējā joslā ar lielu mākoņainību pusdienlaikā Saules starojuma jauda, ​​kas sasniedz Zemes virsmu, tiek lēsta ap 100 W/m2, un tikai retos gadījumos ar īpaši blīvu mākoņainību tā var nokrist zem šīs vērtības. Acīmredzot šādos apstākļos, lai iegūtu 10 kW, ir nepieciešams pilnībā, bez zudumiem un atstarošanas savākt saules starojumu nevis no 7,5 m2 zemes virsmas, bet no veseliem simts kvadrātmetriem (100 m2).

Tabulā parādīti īsi vidējie dati par saules starojuma enerģiju dažām Krievijas pilsētām, ņemot vērā klimatiskos apstākļus (mākoņu biežumu un stiprumu) uz horizontālās virsmas vienību. Sīkāka informācija par šiem datiem, papildu dati paneļu orientācijām, kas nav horizontāli, kā arī dati par citiem Krievijas reģioniem un bijušās PSRS valstīm ir sniegti atsevišķā lapā.

Pilsēta	mēneša minimums (decembris)	mēneša maksimums (jūnijs vai jūlijs)	gadā kopumā
Arhangeļska	4 MJ/m2 (1,1 kWh/m2)	575 MJ/m2 (159,7 kWh/m2)	3,06 GJ/m2(850 kWh/m2)
Astrahaņa	95,8 MJ/m2 (26,6 kWh/m2)	755,6 MJ/m2 (209,9 kWh/m2)	4,94 GJ/m2(1371 kWh/m2)
Vladivostoka	208,1 MJ/m2 (57,8 kWh/m2)	518,0 MJ/m2 (143,9 kWh/m2)	4,64 GJ/m2(1289,5 kWh/m 2)
Jekaterinburga	46 MJ/m2 (12,8 kWh/m2)	615 MJ/m2 (170,8 kWh/m2)	3,76 GJ/m2(1045 kWh/m2)
Maskava	42,1 MJ/m2 (11,7 kWh/m2)	600,1 MJ/m 2 (166,7 kWh/m 2)	3,67 GJ/m2(1020,7 kWh/m2)
Novosibirska		638 MJ/m 2 (177,2 kWh/m 2)	4,00 GJ / m2(1110 kWh/m2)
Omska	56 MJ/m 2 (15,6 kWh/m 2)	640 MJ/m 2 (177,8 kWh/m 2)	4,01 GJ/m2(1113 kWh/m2)
Petrozavodska	8,6 MJ/m2 (2,4 kWh/m2)	601,6 MJ/m2 (167,1 kWh/m2)	3,10 GJ/m2(860,0 kWh/m2)
Petropavlovska-Kamčatska	83,9 MJ/m2 (23,3 kWh/m2)	560,9 MJ/m 2 (155,8 kWh/m 2)	3,95 GJ/m2(1098,4 kWh/m 2)
Rostova pie Donas	80 MJ/m2 (22,2 kWh/m2)	678 MJ/m 2 (188,3 kWh/m 2)	4,60 GJ/m2(1278 kWh/m2)
Sanktpēterburga	8 MJ/m2 (2,2 kWh/m2)	578 MJ/m2 (160,6 kWh/m2)	3,02 GJ/m2(840 kWh/m2)
Soči	124,9 MJ/m2 (34,7 kWh/m2)	744,5 MJ/m2 (206,8 kWh/m2)	4,91 GJ/m2(1365,1 kWh/m 2)
Južnosahaļinska	150,1 MJ/m2 (41,7 kWh/m2)	586,1 MJ/m 2 (162,8 kWh/m 2)	4,56 GJ/m2(1267,5 kWh/m2)

Fiksēts panelis, kas novietots optimālā slīpuma leņķī, spēj uzņemt 1,2 .. 1,4 reizes vairāk enerģijas, salīdzinot ar horizontālo, un, ja tas griežas aiz Saules, tad pieaugums būs 1,4 .. 1,8 reizes. To var redzēt, sadalot pa mēnešiem fiksētiem paneļiem, kas orientēti uz dienvidiem dažādos slīpuma leņķos, un sistēmām, kas izseko Saules kustību. Saules paneļu izvietojuma iezīmes ir sīkāk aplūkotas turpmāk.

Tiešais un difūzais saules starojums

Atšķirt izkliedēto un tiešo saules starojumu. Lai efektīvi absorbētu tiešus saules starus, panelim jābūt orientētam perpendikulāri saules gaismas plūsmai. Izkliedētā starojuma uztverei orientācija nav tik kritiska, jo tā nāk diezgan vienmērīgi no gandrīz visām debesīm – šādi mākoņainās dienās tiek apgaismota zemes virsma (šī iemesla dēļ mākoņainā laikā objektiem nav skaidri noteiktas ēnas, un vertikālās virsmas, piemēram, stabi un māju sienas, praktiski nerada redzamu ēnu).

Tiešā un izkliedētā starojuma attiecība ir ļoti atkarīga no laika apstākļiem dažādos gadalaikos. Piemēram, Maskavā ziema ir mākoņaina, un janvārī izkliedētā starojuma īpatsvars pārsniedz 90% no kopējās insolācijas. Bet pat Maskavas vasarā izkliedētais starojums veido gandrīz pusi no visas Saules enerģijas, kas sasniedz zemes virsmu. Tajā pašā laikā saulainajā Baku gan ziemā, gan vasarā izkliedētā starojuma daļa ir no 19 līdz 23% no kopējās insolācijas, un attiecīgi aptuveni 4/5 saules starojuma ir tiešs. Sīkāka informācija par izkliedētās un kopējās insolācijas attiecību atsevišķās pilsētās ir sniegta atsevišķā lapā.

Enerģijas sadalījums saules spektrā

Saules spektrs ir praktiski nepārtraukts ārkārtīgi plašā frekvenču diapazonā – no zemfrekvences radioviļņiem līdz ultraaugstfrekvences rentgena un gamma starojumam. Protams, ir grūti vienlīdz efektīvi uztvert tik dažādus starojuma veidus (iespējams, to var izdarīt tikai teorētiski ar "ideāla absolūti melna ķermeņa" palīdzību). Bet tas nav nepieciešams - pirmkārt, Saule pati izstaro ar dažādu stiprumu dažādos frekvenču diapazonos, otrkārt, ne viss, ko Saule izstaro, sasniedz Zemes virsmu - noteiktas spektra daļas lielā mērā absorbē dažādas atmosfēras sastāvdaļas - galvenokārt ozona slānis, ūdens tvaiki un oglekļa dioksīds.

Tāpēc mums pietiek noteikt tos frekvenču diapazonus, kuros tiek novērota lielākā Saules enerģijas plūsma pie Zemes virsmas, un tos izmantot. Tradicionāli saules un kosmiskais starojums tiek atdalīts nevis pēc frekvences, bet pēc viļņa garuma (tas ir saistīts ar pārāk lieliem eksponentiem šī starojuma frekvencēm, kas ir ļoti neērti - redzamā gaisma hercos atbilst 14.kārtai). Apskatīsim enerģijas sadalījuma atkarību no viļņa garuma saules starojumam.

Redzamās gaismas diapazons ir definēts kā viļņa garuma diapazons no 380 nm (dziļi violets) līdz 760 nm (dziļi sarkans). Visam, kam ir īsāks viļņa garums, ir lielāka fotonu enerģija un tas ir sadalīts ultravioletā, rentgena un gamma starojuma diapazonos. Neskatoties uz fotonu lielo enerģiju, pašu fotonu šajos diapazonos nav tik daudz, tāpēc šīs spektra daļas kopējais enerģijas devums ir ļoti mazs. Visam, kam ir garāks viļņa garums, ir mazāka fotonu enerģija nekā redzamajai gaismai, un tas ir sadalīts infrasarkanajā diapazonā (termiskais starojums) un dažādās radio diapazona daļās. Grafikā redzams, ka infrasarkanajā diapazonā Saule izstaro gandrīz tādu pašu enerģijas daudzumu kā redzamajā (līmeņi ir zemāki, bet diapazons plašāks), bet radiofrekvenču diapazonā starojuma enerģija ir ļoti maza.

Tādējādi no enerģētiskā viedokļa mums pietiek aprobežoties ar redzamo un infrasarkano frekvenču diapazonu, kā arī tuvo ultravioleto (kaut kur līdz 300 nm īsāka viļņa garuma cietais ultravioletais starojums gandrīz pilnībā tiek absorbēts tā sauktais ozona slānis, kas nodrošina tieši šī ozona sintēzi no atmosfēras skābekļa). Un lauvas daļa saules enerģijas, kas sasniedz Zemes virsmu, ir koncentrēta viļņu garuma diapazonā no 300 līdz 1800 nm.

Ierobežojumi, izmantojot saules enerģiju

Galvenos ierobežojumus, kas saistīti ar saules enerģijas izmantošanu, rada tās nepastāvība – saules enerģijas iekārtas nedarbojas naktī un ir neefektīvas mākoņainā laikā. Tas ir skaidrs gandrīz ikvienam.

Taču ir vēl kāds apstāklis, kas īpaši aktuāls mūsu diezgan ziemeļu platuma grādiem - tās ir sezonālās dienas garuma atšķirības. Ja tropiskajām un ekvatoriālajām zonām dienas un nakts ilgums ir vāji atkarīgs no gada laika, tad jau Maskavas platuma grādos īsākā diena ir gandrīz 2,5 reizes īsāka nekā garākā! Es nerunāju par polārajiem apgabaliem... Rezultātā skaidrā vasaras dienā saules instalācija netālu no Maskavas var saražot ne mazāk enerģijas kā pie ekvatora (saule zemāk, bet diena garāka). Savukārt ziemā, kad nepieciešamība pēc enerģijas ir īpaši liela, tās ražošana, gluži pretēji, samazināsies vairākas reizes. Galu galā papildus īsajām dienasgaismas stundām zemas ziemas saules stariem pat pusdienlaikā ir jāiziet cauri daudz biezākam atmosfēras slānim un tāpēc ceļā jāzaudē ievērojami vairāk enerģijas nekā vasarā, kad saule ir augstu un stari iet cauri atmosfērai gandrīz vertikāli (izteicienam "aukstā ziemas saule ir vistiešākā fiziskā nozīme). Taču tas nepavisam nenozīmē, ka saules instalācijas vidējā joslā un pat daudz vairāk ziemeļu reģionos ir pilnīgi bezjēdzīgas - lai gan ziemā tās ir maz noderīgas, tas ir garo dienu periodā, vismaz pusgads starp. pavasara un rudens ekvinokcijas, tie ir diezgan efektīvi.

Īpaši interesanti ir saules enerģijas iekārtu izmantošana, lai veicinātu tra-n-nya-y-shchi-sya, bet ļoti "rijīgu" gaisa kondicionieru arvien plašāku izplatību. Galu galā, jo spēcīgāk spīd saule, jo karstāks un vairāk nepieciešams gaisa kondicionētājs. Bet šādos apstākļos pat saules iekārtas spēj radīt vairāk enerģijas, un šo enerģiju kondicionieris izmantos tieši “šeit un tagad”, tā nav jāuzkrāj un jāglabā! Turklāt nemaz nav nepieciešams pārvērst enerģiju elektriskā formā – absorbcijas siltumdzinēji siltumu izmanto tieši, kas nozīmē, ka fotoelektrisko paneļu vietā var izmantot saules kolektorus, kas ir visefektīvākie tieši skaidrā karstā laikā. Tiesa, uzskatu, ka gaisa kondicionieri ir neaizstājami tikai karstos sausos reģionos un mitrā tropiskā klimatā, kā arī mūsdienu pilsētās neatkarīgi no to atrašanās vietas. Kompetenti projektētai un uzbūvētai lauku mājai ne tikai vidējā joslā, bet arī lielākajā daļā Krievijas dienvidu nav nepieciešama tik enerģētiski rijīga, apjomīga, trokšņaina un kaprīza ierīce.

Diemžēl pilsētvides attīstības apstākļos vairāk vai mazāk jaudīgu saules instalāciju individuāla izmantošana ar kādu manāmu praktisku labumu ir iespējama tikai retos gadījumos īpaši laimīgas apstākļu kombinācijas gadījumā. Tomēr es neuzskatu pilsētas dzīvokli par pilnvērtīgu mājokli, jo tā normāla darbība ir atkarīga no pārāk daudziem faktoriem, kas nav pieejami iedzīvotāju tiešai kontrolei tīri tehnisku iemeslu dēļ, un tāpēc neveiksmes gadījumā vai mazāk ilgu laiku, vismaz viens no tur esošajiem dzīvības uzturēšanas sistēmas apstākļiem nebūs pieņemams dzīvošanai modernā daudzdzīvokļu mājā (drīzāk dzīvoklis augstceltnē jāuzskata par sava veida viesnīcas istabu, kuru īrnieki pirkts pastāvīgai lietošanai vai īrēts no pašvaldības). Taču ārpus pilsētas īpaša uzmanība saules enerģijai var būt vairāk nekā attaisnojama pat nelielā 6 akru zemes gabalā.

Saules paneļu izvietojuma iezīmes

Saules paneļu optimālās orientācijas izvēle ir viens no svarīgākajiem jautājumiem jebkura veida saules instalāciju praktiskajā izmantošanā. Diemžēl dažādās saules enerģijas tīmekļa vietnēs šis aspekts ir ļoti maz atspoguļots, lai gan, to neievērojot, paneļu efektivitāte var samazināties līdz nepieņemamam līmenim.

Fakts ir tāds, ka staru krišanas leņķis uz virsmas lielā mērā ietekmē atstarošanas koeficientu un līdz ar to arī nepieņemtās saules enerģijas daļu. Piemēram, stiklam, krišanas leņķim novirzoties no perpendikula pret tā virsmu līdz 30°, atstarošanas koeficients praktiski nemainās un ir nedaudz mazāks par 5%, t.i. vairāk nekā 95% no krītošā starojuma nonāk iekšā. Turklāt atstarošanas pieaugums kļūst pamanāms, un par 60° atstarotā starojuma daļa dubultojas līdz gandrīz 10%. Pie 70° krišanas leņķa atstarojas aptuveni 20% starojuma, bet pie 80° – 40%. Lielākajai daļai citu vielu atstarošanas pakāpes atkarība no krišanas leņķa ir aptuveni vienāda.

Vēl svarīgāka ir tā sauktā efektīvā paneļa zona, t.i. tā bloķētās starojuma plūsmas šķērsgriezums. Tas ir vienāds ar paneļa reālo laukumu, kas reizināts ar leņķa sinusu starp tā plakni un plūsmas virzienu (vai, līdzvērtīgi, ar leņķa kosinusu starp paneļa perpendikulu un plūsmas virzienu) . Tāpēc, ja panelis ir perpendikulārs plūsmai, tā efektīvais laukums ir vienāds ar tā reālo laukumu, ja plūsma novirzās no perpendikula par 60° - pusi no reālā laukuma, un, ja plūsma ir paralēla panelim, tā efektīvā. platība ir nulle. Tādējādi ievērojama plūsmas novirze no perpendikula pret paneli ne tikai palielina atstarojumu, bet samazina tā efektīvo laukumu, kas izraisa ļoti jūtamu izlaides kritumu.

Ir acīmredzams, ka mūsu vajadzībām visefektīvākā ir paneļa pastāvīga orientācija perpendikulāri saules gaismas plūsmai. Bet tas prasīs mainīt paneļa stāvokli divās plaknēs, jo Saules atrašanās vieta debesīs ir atkarīga ne tikai no diennakts laika, bet arī no sezonas. Lai gan šāda sistēma noteikti ir tehniski iespējama, tā izrādās ļoti sarežģīta, tāpēc dārga un ne pārāk uzticama.

Taču jāatceras, ka krišanas leņķos līdz 30° atstarošanas koeficients uz “gaisa-stikla” robežas ir minimāls un praktiski nemainās, un gada laikā Saules maksimālā pacelšanās leņķis virs horizonta atšķiras no vidējā stāvokļa. ne vairāk kā par ±23°. Arī paneļa efektīvais laukums ar novirzi no perpendikula par 23° saglabājas diezgan liels – vismaz 92% no tā reālā laukuma. Līdz ar to var koncentrēties uz Saules maksimālā pieauguma vidējo gada augstumu un, praktiski nezaudējot efektivitāti, aprobežoties ar rotāciju tikai vienā plaknē - ap Zemes polāro asi ar ātrumu 1 apgrieziens dienā. Šādas rotācijas ass slīpuma leņķis attiecībā pret horizontāli ir vienāds ar vietas ģeogrāfisko platumu. Piemēram, Maskavai, kas atrodas 56° platuma grādos, šādas rotācijas asij attiecībā pret virsmu jābūt noliektai uz ziemeļiem par 56° (vai, līdzvērtīgi, jāatkāpjas no vertikāles par 34°). Šāda rotācija jau ir daudz vieglāk organizējama, tomēr lielam panelim ir nepieciešams daudz vietas, lai tā varētu brīvi griezties. Turklāt ir nepieciešams vai nu organizēt bīdāmu savienojumu, kas ļauj novirzīt visu enerģiju, kas tiek saņemta no pastāvīgi rotējošā paneļa, vai arī aprobežoties ar elastīgām komunikācijām ar fiksētu savienojumu, bet nodrošināt paneļa automātisku atgriešanos atpakaļ plkst. nakts, pretējā gadījumā jūs nevarat izvairīties no enerģiju noņemošo komunikāciju savērpšanas un pārtraukšanas. Abi risinājumi ievērojami palielina sistēmas sarežģītību un samazina uzticamību. Palielinoties paneļu jaudai (un līdz ar to arī to izmēram un svaram), tehniskās problēmas kļūst eksponenciāli sarežģītākas.

Saistībā ar visu iepriekš minēto gandrīz vienmēr atsevišķu saules instalāciju paneļi tiek montēti nekustīgi, kas nodrošina instalācijas relatīvo lētumu un augstāko uzticamību. Tomēr šeit īpaši svarīga kļūst paneļa novietojuma leņķa izvēle. Apskatīsim šo problēmu pēc Maskavas piemēra.

Oranža līnija - izsekojot Saules stāvokli, griežoties ap polāro asi (t.i., paralēli zemes asij); zils - fiksēts horizontāls panelis; zaļš - fiksēts vertikāls panelis, orientēts uz dienvidiem; sarkans - fiksēts panelis, kas noliekts uz dienvidiem 40 ° leņķī pret horizontu.

Apskatīsim insolācijas diagrammas dažādiem paneļu uzstādīšanas leņķiem. Protams, panelis, kas rotē pēc Saules, ir ārpus konkurences (oranža līnija). Tomēr pat garās vasaras dienās tā efektivitāte tikai par aptuveni 30% pārsniedz stacionāro horizontālo (zilo) un optimāli slīpo (sarkano) paneļu efektivitāti. Bet šajās dienās siltuma un gaismas pietiek! Bet energodeficītākajā periodā no oktobra līdz februārim rotējošā paneļa priekšrocības salīdzinājumā ar fiksētajiem ir minimālas un gandrīz nemanāmas. Tiesa, šobrīd slīpā paneļa uzņēmums ir nevis horizontāls, bet gan vertikāls panelis (zaļā līnija). Un tas nav pārsteidzoši - zemie ziemas saules stari slīd gar horizontālo paneli, bet vertikālais tos labi uztver gandrīz perpendikulāri tiem. Tāpēc februārī, novembrī un decembrī vertikālais panelis ar savu efektivitāti pārspēj pat slīpo un gandrīz neatšķiras no rotējošā. Martā un oktobrī dienas ir garākas, un pagrieziena galds jau sāk pārliecinoši (lai gan ne pārāk) pārspēt jebkuru fiksēto iespēju, taču slīpo un vertikālo paneļu efektivitāte ir gandrīz vienāda. Un tikai garo dienu periodā no aprīļa līdz augustam horizontālais panelis saņemtās enerģijas ziņā ir priekšā vertikālajam un tuvojas slīpajam, un jūnijā to pat nedaudz pārsniedz. Vertikālā paneļa vasaras zudums ir likumsakarīgs - galu galā, teiksim, vasaras ekvinokcijas diena Maskavā ilgst vairāk nekā 17 stundas, un Saule vertikālā paneļa priekšējā (darba) puslodē var atrasties ne vairāk kā 12 stundas. stundas, atlikušās 5 nepāra stundas (gandrīz trešdaļa no dienasgaismas stundām!) ir aiz muguras. Ja ņemam vērā, ka pie krišanas leņķiem, kas lielāki par 60°, no paneļa virsmas atstarotās gaismas īpatsvars sāk strauji pieaugt, un tā efektīvā platība samazinās uz pusi vai vairāk, tad efektīvās absorbcijas laiks. saules starojums šādam panelim nepārsniedz 8 stundas – tas ir, mazāk par 50 % no kopējā dienas ilguma. Tas izskaidro faktu, ka vertikālo paneļu veiktspēja stabilizējas visu garo dienu laikā - no marta līdz septembrim. Un visbeidzot, janvāris nedaudz atšķiras - šajā mēnesī visu orientāciju paneļu veiktspēja ir gandrīz vienāda. Fakts ir tāds, ka šis mēnesis Maskavā ir ļoti mākoņains, un vairāk nekā 90% no visas saules enerģijas nāk no izkliedētā starojuma, un šādam starojumam paneļa orientācija nav īpaši svarīga (galvenais ir nesūtīt to uz zeme). Tomēr dažas saulainas dienas, kas joprojām ir janvārī, samazina horizontālā paneļa jaudu par 20%, salīdzinot ar pārējām.

Kādu slīpuma leņķi izvēlēties? Tas viss ir atkarīgs no tā, kad tieši jums ir nepieciešama saules enerģija. Ja vēlaties to izmantot tikai siltajā periodā (teiksim, valstī), tad jāizvēlas tā sauktais "optimālais" slīpuma leņķis, kas ir perpendikulārs Saules vidējam stāvoklim starp pavasara un rudens ekvinokcijas. Tas ir aptuveni par 10° .. 15° mazāks nekā ģeogrāfiskais platums, un Maskavai ir 40° .. 45°. Ja enerģija nepieciešama visu gadu, tad tieši enerģijas deficīta ziemas mēnešos vajadzētu “izspiest” maksimumu, kas nozīmē, ka jākoncentrējas uz Saules vidējo stāvokli starp rudens un pavasara ekvinokcijas un jānovieto paneļi. tuvāk vertikālei - 5 ° .. 15 ° vairāk nekā ģeogrāfiskais platums (Maskavai tas būs 60 ° .. 70 °). Ja arhitektūras vai strukturālu iemeslu dēļ šo leņķi nevar noturēt un ir jāizdara izvēle starp slīpuma leņķi 40° vai mazāku vai vertikālu uzstādīšanu, priekšroka jādod vertikālai pozīcijai. Tajā pašā laikā enerģijas "trūkums" garajās vasaras dienās nav tik kritisks - šajā periodā ir daudz dabiskā siltuma un gaismas, un nepieciešamība pēc enerģijas ražošanas parasti nav tik liela kā ziemā un nesezonas. Protams, paneļa slīpumam jābūt vērstam uz dienvidiem, lai gan novirze no šī virziena par 10° .. 15° uz austrumiem vai rietumiem mainās maz un tāpēc ir diezgan pieņemama.

Saules paneļu horizontālā izvietošana visā Krievijā ir neefektīva un absolūti nepamatota. Papildus pārāk lielam enerģijas ražošanas samazinājumam rudens-ziemas periodā putekļi intensīvi uzkrājas uz horizontālajiem paneļiem, un ziemā uzkrājas arī sniegs, un tos no turienes var noņemt tikai ar īpaši organizētas tīrīšanas palīdzību (parasti manuāli). . Ja paneļa slīpums pārsniedz 60°, tad sniegs neaizkavējas uz tā virsmas un parasti ātri drūp pats, un plānu putekļu kārtiņu lietus labi nomazgā.

Tā kā saules iekārtu cenas pēdējā laikā samazinās, viena saules paneļu lauka vietā, kas orientēts uz dienvidiem, var būt izdevīgi izmantot divus ar lielāku kopējo jaudu, kas orientēti uz blakus (dienvidaustrumiem un dienvidrietumiem) un pat pretī (austrumiem). un rietumu) pasaules malā. Tas nodrošinās vienmērīgāku jaudu saulainās dienās un lielāku jaudu mākoņainās dienās, savukārt pārējā iekārta paliks paredzēta tādai pašai, salīdzinoši zemai jaudai, un tāpēc būs kompaktāka un lētāka.

Un pēdējais. Stikls, kura virsma nav gluda, bet ar īpašu reljefu, spēj daudz efektīvāk uztvert sānu gaismu un nodot to saules paneļa darba elementiem. Visoptimālākais ir viļņains reljefs ar izvirzījumu un padziļinājumu orientāciju no ziemeļiem uz dienvidiem (vertikāliem paneļiem - no augšas uz leju), - sava veida lineāra lēca. Gofrētais stikls var palielināt fiksētā paneļa jaudu par 5% vai vairāk.

Tradicionālie instalāciju veidi saules enerģijas izmantošanai

Ik pa laikam izskan ziņas par kādas citas saules elektrostacijas (SPP) vai atsāļošanas iekārtas būvniecību. Visā pasaulē, no Āfrikas līdz Skandināvijai, tiek izmantoti termiskie saules kolektori un fotoelektriskie saules paneļi. Šīs saules enerģijas izmantošanas metodes ir izstrādātas vairāk nekā duci gadu, tām ir veltītas daudzas vietnes internetā. Tāpēc šeit es tos aplūkošu visvispārīgākajā izteiksmē. Taču viens būtiskākais punkts internetā praktiski netiek apskatīts – tā ir konkrētu parametru izvēle, veidojot individuālu saules enerģijas apgādes sistēmu. Tikmēr šis jautājums nav tik vienkāršs, kā šķiet no pirmā acu uzmetiena. Saules sistēmas parametru izvēles piemērs ir sniegts atsevišķā lapā.

Saules paneļi

Vispārīgi runājot, ar “saules bateriju” var saprast jebkuru identisku moduļu kopumu, kas uztver saules starojumu un ir apvienoti vienā ierīcē, ieskaitot tīri termiskos, taču tradicionāli šis termins tiek piešķirts fotoelektrisko pārveidotāju paneļiem. Tāpēc termins "saules baterija" gandrīz vienmēr nozīmē fotoelementu ierīci, kas tieši pārvērš saules starojumu elektriskā strāvā. Šī tehnoloģija ir aktīvi attīstīta kopš 20. gadsimta vidus. Milzīgs stimuls tās attīstībai bija kosmosa izpēte, kur šobrīd tikai maza izmēra kodolenerģijas avoti spēj konkurēt ar saules baterijām jaudas un darbības ilguma ziņā. Šajā laikā saules bateriju konversijas efektivitāte ir palielinājusies no viena vai diviem procentiem līdz 17% vai vairāk masveida salīdzinoši lētos modeļos un vairāk nekā 42% prototipos. Ievērojami palielināts kalpošanas laiks un uzticamība.

Saules paneļu priekšrocības

Saules paneļu galvenā priekšrocība ir to ārkārtējā dizaina vienkāršība un kustīgu daļu pilnīga neesamība. Tā rezultātā - mazs īpatnējais svars un nepretenciozitāte apvienojumā ar augstu uzticamību, kā arī vienkāršākā uzstādīšana un minimālās apkopes prasības ekspluatācijas laikā (parasti pietiek ar netīrumu notīrīšanu no darba virsmas, tiem uzkrājoties). Pārstāvot maza biezuma plakanos elementus, tie ir diezgan veiksmīgi novietoti jumta slīpumā, kas vērsts pret sauli, vai mājas sienā, praktiski neprasot papildu vietu sev un atsevišķu lielgabarīta konstrukciju uzcelšanai. Vienīgais nosacījums ir, lai nekas tos neaizsedz pēc iespējas ilgāk.

Vēl viena svarīga priekšrocība ir tā, ka enerģija tiek ģenerēta uzreiz elektroenerģijas veidā – līdz šim visdaudzpusīgākajā un ērtākajā formā.

Diemžēl nekas nav mūžīgs – fotoelektrisko pārveidotāju efektivitāte samazinās to kalpošanas laikā. Pusvadītāju plāksnītes, no kurām parasti sastāv saules baterijas, laika gaitā degradējas un zaudē savas īpašības, kā rezultātā jau tā ne pārāk augstā saules bateriju efektivitāte kļūst vēl mazāka. Ilgstoša augstas temperatūras iedarbība paātrina šo procesu. Sākumā es to atzīmēju kā fotoelektrisko bateriju trūkumu, jo īpaši tāpēc, ka “mirušos” fotoelementus nevar atjaunot. Taču maz ticams, ka jau pēc 10 nepārtrauktas darbības gadiem kāds mehāniskais elektriskais ģenerators spēs demonstrēt vismaz 1% veiktspēju – visticamāk, tas prasīs nopietnus remontdarbus daudz agrāk mehāniskā nodiluma, ja ne gultņu, tad nodiluma dēļ. otas, un mūsdienu fotokonverteri spēj saglabāt savu efektivitāti gadu desmitiem. Pēc optimistiskām aplēsēm, 25 gadu laikā saules baterijas efektivitāte samazinās tikai par 10%, kas nozīmē, ka, ja neiejauksies citi faktori, tad arī pēc 100 gadiem saglabāsies gandrīz 2/3 no sākotnējās efektivitātes. Tomēr masveidā komerciālām fotoelementu elementiem, kuru pamatā ir poli- un vienkristāla silīcijs, godīgi ražotāji un pārdevēji sniedz nedaudz atšķirīgus novecošanas rādītājus - pēc 20 gadiem būtu jārēķinās ar efektivitātes zudumu līdz pat 20% (tad teorētiski pēc 40 gadiem , efektivitāte būs 2/3 no sākotnējās, 60 gados samazinās uz pusi, un 100 gados būs nedaudz mazāk par 1/3 no sākotnējās produktivitātes). Kopumā mūsdienu fotokonvertoru parastais kalpošanas laiks ir vismaz 25 .. 30 gadi, tāpēc degradācija nav tik kritiska, un daudz svarīgāk ir savlaicīgi no tiem nomazgāt putekļus ...

Ja akumulatori ir uzstādīti tā, lai praktiski nenotiktu dabiska putekļošana vai laicīgi tos izskalo dabīgas lietusgāzes, tad tās bez apkopes var strādāt daudzus gadus. Vēl viena būtiska priekšrocība ir šādas ilgstošas ​​darbības iespēja bez uzraudzības.

Visbeidzot, saules paneļi spēj radīt enerģiju no rītausmas līdz krēslai pat mākoņainā laikā, kad siltuma saules kolektoru temperatūra tikai nedaudz atšķiras no apkārtējās vides temperatūras. Protams, salīdzinot ar skaidru saulaino dienu, viņu produktivitāte krītas vairākas reizes, bet vismaz kaut kas ir labāks par neko! Šajā sakarā īpaši svarīga ir akumulatoru izstrāde ar maksimālu enerģijas pārveidi tajos diapazonos, kur mākoņi vismazāk absorbē saules starojumu. Turklāt, izvēloties saules fotokonvertorus, ir jāpievērš uzmanība to radītā sprieguma atkarībai no apgaismojuma - tam jābūt pēc iespējas mazākam (apgaismojumam samazinoties, vispirms jākrīt strāvai, nevis spriegumam, jo pretējā gadījumā, lai iegūtu vismaz kādu noderīgu efektu mākoņainās dienās, jums būs jāizmanto dārgs papildu aprīkojums, kas piespiedu kārtā palielina spriegumu līdz minimumam, kas ir pietiekams, lai uzlādētu akumulatorus un darbinātu invertorus).

Saules paneļu trūkumi

Protams, saules paneļiem ir daudz trūkumu. Papildus atkarībā no laikapstākļiem un diennakts laika var atzīmēt sekojošo.

Zema efektivitāte. Tas pats saules kolektors ar pareizu formas un virsmas materiāla izvēli spēj absorbēt gandrīz visu uz to nokritušo saules starojumu gandrīz visā frekvenču spektrā, kas nes manāmu enerģiju, sākot no tālā infrasarkanā līdz ultravioletā diapazona. Savukārt saules baterijas enerģiju pārvērš selektīvi - atomu darba ierosināšanai ir nepieciešamas noteiktas fotonu enerģijas (starojuma frekvences), tāpēc dažās frekvenču joslās pārveidošana ir ļoti efektīva, savukārt citas frekvenču joslas tiem ir bezjēdzīgas. . Turklāt to uztverto fotonu enerģija tiek izmantota kvantāli - tās "pārpalikums", pārsniedzot nepieciešamo līmeni, nonāk fotokonvertora materiāla sildīšanā, kas šajā gadījumā ir kaitīgs. Tas daudzējādā ziņā izskaidro to zemo efektivitāti.
Starp citu, nepareiza materiāla izvēle aizsargpārklājumam var ievērojami samazināt akumulatora efektivitāti. Lietu pasliktina tas, ka parastais stikls diezgan labi absorbē augstas enerģijas ultravioleto diapazona daļu, un dažiem fotoelementu veidiem šis diapazons ir ļoti aktuāls - infrasarkano fotonu enerģija tiem ir pārāk maza.

Jutība pret augstu temperatūru. Paaugstinoties temperatūrai, saules bateriju, tāpat kā gandrīz visu citu pusvadītāju ierīču, efektivitāte samazinās. Pie temperatūras virs 100..125°C tās kopumā var īslaicīgi zaudēt darba spējas, un vēl lielāka uzkarsēšana draud ar neatgriezeniskiem bojājumiem. Turklāt paaugstināta temperatūra paātrina saules bateriju degradāciju. Tāpēc ir nepieciešams veikt visus pasākumus, lai samazinātu apkuri, kas ir neizbēgama zem apdeguma tiešas saules gaismas. Parasti ražotāji fotoelementu nominālo darba temperatūras diapazonu ierobežo līdz +70°..+90°C (tas nozīmē pašu elementu sildīšanu, un apkārtējās vides temperatūrai, protams, jābūt daudz zemākai).
Situāciju vēl vairāk sarežģī fakts, ka diezgan trauslu fotoelementu jutīgā virsma bieži tiek pārklāta ar aizsargstiklu vai caurspīdīgu plastmasu. Ja starp aizsargpārsegu un fotoelementa virsmu paliek gaisa slānis, tad veidojas sava veida “siltumnīca”, kas pastiprina pārkaršanu. Tiesa, palielinot attālumu starp aizsargstiklu un fotoelementa virsmu un savienojot šo dobumu ar atmosfēru no augšas un apakšas, ir iespējams organizēt konvekcijas gaisa plūsmu, kas dabiski atdzesē fotoelementus. Taču spožā saulē un augstā āra temperatūrā ar to var nepietikt, turklāt šī metode veicina fotoelementu darba virsmas paātrinātu putekļošanu. Tāpēc saules baterijai, pat ja tā nav ļoti liela, var būt nepieciešama īpaša dzesēšanas sistēma. Taisnības labad jāsaka, ka šādas sistēmas parasti ir viegli automatizētas, un ventilatora vai sūkņa piedziņa patērē tikai nelielu daļu no saražotās enerģijas. Ja nav spilgtas saules, nav daudz apkures un vispār nav nepieciešama dzesēšana, tāpēc dzesēšanas sistēmas vadīšanā ietaupīto enerģiju var izmantot citiem mērķiem. Jāpiebilst, ka mūsdienu rūpnīcā ražotajos paneļos aizsargpārklājums parasti cieši pielīp pie fotoelementu virsmas un izvada siltumu uz āru, bet paštaisītās konstrukcijās mehānisks kontakts ar aizsargstiklu var sabojāt fotoelementu.

Jutība pret nevienmērīgu apgaismojumu. Parasti, lai iegūtu vairāk vai mazāk lietošanai ērtu akumulatora spriegumu (12, 24 vai vairāk volti), fotoelementi tiek savienoti virknēs ķēdēs. Strāvu katrā šādā ķēdē un līdz ar to arī tās jaudu nosaka vājākais posms - fotoelements ar vissliktākajiem parametriem vai ar vismazāko apgaismojumu. Tāpēc, ja vismaz viens ķēdes elements atrodas ēnā, tas ievērojami samazina visas ķēdes izlaidi - zaudējumi ir nesamērīgi ar ēnojumu (turklāt, ja nav aizsargdiožu, šāds elements sāks izkliedēt jaudu ko rada pārējie elementi!). No nesamērīga jaudas samazinājuma var izvairīties, tikai savienojot visus fotoelementus paralēli, tomēr tad akumulatora izejā pie pārāk maza sprieguma būs pārāk liela strāva - parasti atsevišķiem fotoelementiem tā ir tikai 0,5 .. 0,7 V atkarībā no to veida. un slodze.

Jutība pret piesārņojumu. Pat smalks netīrumu slānis uz fotoelektrisko elementu vai aizsargstikla virsmas var absorbēt ievērojamu daudzumu saules gaismas un ievērojami samazināt enerģijas ražošanu. Putekļainā pilsētā tas prasīs biežu saules bloku virsmas tīrīšanu, īpaši horizontāli vai nelielā slīpumā uzstādīto. Protams, tā pati procedūra ir nepieciešama pēc katras snigšanas un pēc putekļu vētras... Tomēr lietus ir prom no pilsētām, rūpniecības rajoniem, noslogotiem ceļiem un citiem spēcīgiem putekļu avotiem 45 ° vai vairāk slīpuma leņķī. diezgan spēj nomazgāt dabiskos putekļus no paneļu virsmas, "automātiski" saglabājot tos diezgan tīrus. Jā, un sniegs uz šādas nogāzes, turklāt vērsts uz dienvidiem, pat ļoti salnās dienās parasti ilgi neuzkavējas. Tātad prom no atmosfēras piesārņojuma avotiem saules paneļi var veiksmīgi darboties gadiem ilgi bez jebkādas apkopes, debesīs būtu saule!

Visbeidzot, pēdējais, bet vissvarīgākais no šķēršļiem fotoelektrisko saules paneļu plašai un visuresošai izplatīšanai ir to diezgan augstā cena. Saules bateriju elementu izmaksas šobrīd ir vismaz 1 $ / W (1 kW - 1000 $), un tas attiecas uz neefektīvām modifikācijām, neņemot vērā paneļu montāžas un uzstādīšanas izmaksas, kā arī neņemot vērā akumulatori, uzlādes kontrolieri un invertori (saražotās zemsprieguma līdzstrāvas pārveidotāji atbilstoši sadzīves vai rūpnieciskajam standartam). Vairumā gadījumu, lai minimāli novērtētu reālās izmaksas, šie skaitļi jāreizina ar 3–5 reizēm pašmontāžai no atsevišķiem fotoelementiem un 6–10 reizēm, iegādājoties gatavu aprīkojuma komplektu (plus uzstādīšanas izmaksas). .

Baterijām ir īsākais kalpošanas laiks no visiem PV barošanas sistēmas elementiem, taču moderno bezapkopes akumulatoru ražotāji apgalvo, ka tie darbosies apmēram 10 gadus tā sauktajā bufera režīmā (jeb tradicionālos 1000 spēcīgas uzlādes ciklus). izlāde - ja skaita vienu ciklu gadā). dienā, tad šajā režīmā tie ilgs 3 ​​gadus). Es atzīmēju, ka akumulatoru izmaksas parasti ir tikai 10-20% no visas sistēmas kopējām izmaksām, kā arī invertoru un uzlādes kontrolieru izmaksas (abi ir sarežģīti elektroniski izstrādājumi, un tāpēc pastāv zināma to atteices iespējamība) - pat mazāk. Tādējādi, ņemot vērā ilgo kalpošanas laiku un spēju ilgstoši strādāt bez jebkādas apkopes, fotokonverteri var atmaksāties ne reizi vien mūžā, turklāt ne tikai attālākos rajonos, bet arī apdzīvotās vietās - ja elektrības tarifi turpināt augt līdzšinējā tempā!

Saules siltuma kolektori

Nosaukums "saules kolektori" tika piešķirts ierīcēm, kas izmanto tiešu apkuri ar saules siltumu, gan atsevišķām, gan saliekamām (modulārām). Vienkāršākais termiskā saules kolektora piemērs ir melnā ūdens tvertne uz iepriekš minētās lauku dušas jumta (starp citu, ūdens sildīšanas efektivitāti vasaras dušā var ievērojami palielināt, ap tvertni izbūvējot mini siltumnīcu, plkst. vismaz no plastmasas plēves; vēlams, lai starp plēvi un tvertnes sienām no augšas un sāniem būtu 4-5 cm atstarpe).

Tomēr mūsdienu kolektoriem ir maz līdzības ar šādu tvertni. Parasti tās ir plakanas konstrukcijas, kas izgatavotas no plānām melninātām caurulēm, kas novietotas režģa vai čūskas formā. Caurules var uzstādīt uz melnētas siltumvadošas pamatnes loksnes, kas aiztur saules siltumu, kas nonāk spraugās starp tām – tas ļauj samazināt kopējo cauruļu garumu, nezaudējot efektivitāti. Lai samazinātu siltuma zudumus un palielinātu apkuri, kolektoru no augšas var pārklāt ar stikla vai caurspīdīga šūnveida polikarbonāta loksni, savukārt siltumizolācijas loksnes otrā pusē bezjēdzīgus siltuma zudumus novērš siltumizolācijas slānis - a. tiek iegūta sava veida "siltumnīca". Caur cauruli pārvietojas uzsildīts ūdens vai cits dzesēšanas šķidrums, ko var savākt termiski izolētā uzglabāšanas tvertnē. Dzesēšanas šķidruma kustība notiek sūkņa iedarbībā vai gravitācijas dēļ, jo dzesēšanas šķidruma blīvums atšķiras pirms un pēc siltuma kolektora. Pēdējā gadījumā vairāk vai mazāk efektīvai cirkulācijai ir nepieciešama rūpīga nogāžu un cauruļu posmu izvēle un paša kolektora novietošana pēc iespējas zemāk. Bet parasti kolektors tiek novietots tajās pašās vietās, kur saules baterija - uz saulainas sienas vai saulainā jumta nogāzē, lai gan kaut kur ir jānovieto papildu uzglabāšanas tvertne. Bez šādas tvertnes ar intensīvu siltuma izkliedi (teiksim, ja nepieciešams uzpildīt vannu vai ieiet dušā), kolektora jauda var nepietikt, un pēc neilga laika no krāna tecēs nedaudz uzsildīts ūdens.

Aizsargstikls, protams, nedaudz samazina kolektora efektivitāti, absorbējot un atstarojot dažus procentus no saules enerģijas, pat ja stari krīt perpendikulāri. Kad stari saskaras ar stiklu nelielā leņķī pret virsmu, atstarošanas koeficients var tuvoties 100%. Tāpēc, ja nav vēja un ir nepieciešama tikai neliela apkure attiecībā pret apkārtējo gaisu (par 5-10 grādiem, piemēram, dārza laistīšanai), “atvērtās” konstrukcijas var būt efektīvākas nekā “stiklotās”. Bet, tiklīdz ir nepieciešama vairāku desmitu grādu temperatūras starpība vai ja paceļas pat ne pārāk stiprs vējš, atvērto konstrukciju siltuma zudumi strauji palielinās, un aizsargstikls ar visiem tā trūkumiem kļūst par nepieciešamību.

Svarīga piezīme - jāpatur prātā, ka karstā saulainā dienā, ja nav analīzes, ūdens var pārkarst virs viršanas temperatūras, tāpēc kolektora konstrukcijā ir jāievēro atbilstoši piesardzības pasākumi (nodrošiniet drošības vārstu ). Atvērtos kolektoros bez aizsargstikla no šādas pārkaršanas parasti nevar baidīties.

Pēdējā laikā plaši sāk izmantot saules kolektorus, kuru pamatā ir tā sauktās siltuma caurules (nejaukt ar "siltuma caurulēm", ko izmanto siltuma noņemšanai datoru dzesēšanas sistēmās). Atšķirībā no iepriekš apspriestā dizaina, šeit katra apsildāmā metāla caurule, caur kuru cirkulē dzesēšanas šķidrums, tiek pielodēta stikla caurules iekšpusē, un gaiss tiek izsūknēts no spraugas starp tām. Izrādās termosa analogs, kur vakuuma siltumizolācijas dēļ siltuma zudumi tiek samazināti 20 vai vairāk reizes. Rezultātā, pēc ražotāju domām, kad ārpus stikla ir -35°C sals, ūdens iekšējā metāla caurulē ar speciālu pārklājumu, kas absorbē pēc iespējas plašāku saules starojuma spektru, uzsilst līdz +50..+70. °C (starpība virs 100°C) .Efektīva absorbcija apvienojumā ar izcilu siltumizolāciju ļauj uzsildīt dzesēšanas šķidrumu pat mākoņainā laikā, lai gan sildīšanas jauda, ​​protams, ir daudzkārt mazāka nekā spilgtā saulē. Galvenais šeit ir nodrošināt vakuuma saglabāšanu spraugā starp caurulēm, tas ir, stikla un metāla savienojuma vietas vakuuma hermētiskumu ļoti plašā temperatūras diapazonā, sasniedzot 150 ° C, visā kalpošanas laikā. daudzu gadu garumā. Šī iemesla dēļ šādu kolektoru ražošanā nevar iztikt bez rūpīgas stikla un metāla termiskās izplešanās koeficientu saskaņošanas un augsto tehnoloģiju ražošanas procesu, kas nozīmē, ka maz ticams, ka var izveidot pilnvērtīgu vakuuma siltuma cauruli. izgatavots amatniecības apstākļos. Bet vienkāršākas kolektoru konstrukcijas tiek izgatavotas neatkarīgi bez problēmām, lai gan, protams, to efektivitāte ir nedaudz mazāka, it īpaši ziemā.

Papildus iepriekš aprakstītajiem šķidrajiem saules kolektoriem ir arī citi interesanti konstrukciju veidi: gaiss (dzesēšanas šķidrums ir gaiss, un tas nebaidās no sasalšanas), "saules dīķi" utt. Diemžēl lielākā daļa pētījumu un izstrādes ir saules kolektoru jomā. ir veltīts tieši šķidrajiem modeļiem, tāpēc alternatīvās sugas praktiski netiek ražotas masveidā un par tām nav tik daudz informācijas.

Saules kolektoru priekšrocības

Saules kolektoru svarīgākā priekšrocība ir to diezgan efektīvo iespēju izgatavošanas vienkāršība un relatīvā lētība apvienojumā ar nepretenciozitāti darbībā. Minimālais, kas nepieciešams, lai izgatavotu kolektoru ar savām rokām, ir daži metri tievas caurules (vēlams plānsienu vara caurule - to var saliekt ar minimālu rādiusu) un nedaudz melnas krāsas, vismaz bitumena lakas. Izliecam cauruli ar čūsku, nokrāsojam ar melnu krāsu, novietojam saulainā vietā, pievienojam ūdensvadam, un nu vienkāršākais saules kolektors gatavs! Tajā pašā laikā spolei var viegli piešķirt gandrīz jebkuru konfigurāciju un maksimāli izmantot visu kolektoram atvēlēto vietu. Visefektīvākais melnojums, ko var uzklāt mājas apstākļos un kas ir arī ļoti izturīgs pret augstu temperatūru un tiešiem saules stariem, ir plāns sodrēju slānis. Taču sodrēji ir viegli izdzēšami un nomazgājami, tāpēc šādai melnēšanai būs nepieciešams aizsargstikls un īpaši pasākumi, lai novērstu iespējamo kondensāta iekļūšanu uz ar kvēpu klātās virsmas.

Vēl viena svarīga kolektoru priekšrocība ir tā, ka atšķirībā no saules paneļiem tie spēj uztvert un pārvērst siltumā līdz pat 90% no saules starojuma, kas tos skāris, un veiksmīgākajos gadījumos pat vairāk. Tāpēc ne tikai skaidrā laikā, bet arī nelielā mākoņainā laikā kolektoru efektivitāte pārsniedz fotoelektrisko bateriju efektivitāti. Visbeidzot, atšķirībā no fotoelementu baterijām, virsmas nevienmērīgais apgaismojums neizraisa nesamērīgu kolektora efektivitātes samazināšanos - svarīga ir tikai kopējā (integrālā) starojuma plūsma.

Saules kolektoru trūkumi

Taču saules kolektori ir jutīgāki pret laikapstākļiem nekā saules paneļi. Pat spožā saulē svaigs vējš var daudzkārt samazināt atvērta siltummaiņa apkures efektivitāti. Aizsargstikls, protams, krasi samazina siltuma zudumus no vēja, taču blīvu mākoņu gadījumā tas arī ir bezspēcīgs. Mākoņainā vējainā laikā no kolektora praktiski nav nekādas jēgas, un saules baterija ražo vismaz daļu enerģijas.

Starp citiem saules kolektoru trūkumiem, pirmkārt, izcelšu to sezonalitāti. Pietiek ar īsām pavasara vai rudens nakts salnām, lai sildītāja caurulēs izveidojies ledus radītu to plīšanas draudus. Protams, to var novērst, aukstajās naktīs sildot "siltumnīcu" ar spirāli ar trešās puses siltuma avotu, tomēr šādā gadījumā kopējā kolektora energoefektivitāte var viegli kļūt negatīva! Vēl viena iespēja - divkontūru kolektors ar antifrīzu ārējā kontūrā - neprasīs enerģijas patēriņu apkurei, taču tas būs daudz sarežģītāks nekā vienas ķēdes iespējas ar tiešu ūdens sildīšanu gan ražošanā, gan ekspluatācijas laikā. Gaisa konstrukcijas principā nevar sasalt, taču ir vēl viena problēma - zemais gaisa īpatnējais siltums.

Un tomēr, iespējams, galvenais saules kolektora trūkums ir tas, ka tas ir tieši sildīšanas ierīce, un, lai gan rūpnieciski ražoti paraugi, ja nav siltuma analīzes, var uzsildīt dzesēšanas šķidrumu līdz 190..200 ° C, temperatūra parasti sasniegts reti pārsniedz 60..80 °C. Tāpēc ir ļoti grūti izmantot iegūto siltumu, lai iegūtu ievērojamu daudzumu mehāniskā darba vai elektriskās enerģijas. Galu galā pat zemākās temperatūras tvaika ūdens turbīnas (piemēram, tās, kuru savulaik aprakstīja V. A. Zysins) darbībai ir nepieciešams pārkarsēt ūdeni vismaz līdz 110 ° C! Bet tieši siltuma veidā enerģija, kā jūs zināt, netiek uzglabāta ilgu laiku, un pat temperatūrā, kas zemāka par 100 ° C, to parasti var izmantot tikai karstā ūdens apgādē un mājas apkurē. Tomēr, ņemot vērā zemās izmaksas un ražošanas vienkāršību, tas var būt pietiekami labs iemesls, lai iegādātos savu saules kolektoru.

Taisnības labad jāatzīmē, ka siltumdzinēja "parasto" darba ciklu var organizēt arī temperatūrā, kas zemāka par 100 ° C - vai nu, ja viršanas temperatūra tiek pazemināta, pazeminot spiedienu iztvaicētāja daļā, izsūknējot no turienes tvaiku. , vai izmantojot šķidrumu, kura viršanas temperatūra atrodas starp saules kolektora apkures temperatūru un apkārtējās vides temperatūru (optimāli - 50..60°С). Tiesa, es varu atcerēties tikai vienu neeksotisku un salīdzinoši drošu šķidrumu, kas vairāk vai mazāk atbilst šiem nosacījumiem - tas ir etilspirts, kas normālos apstākļos vārās 78 ° C temperatūrā. Acīmredzot šajā gadījumā jums noteikti būs jāorganizē slēgts cikls, risinot daudzas saistītas problēmas. Dažās situācijās var būt daudzsološi izmantot dzinējus ar ārējo apkuri (Stirlinga dzinēji). Šajā sakarā sakausējumu izmantošana ar formas atmiņas efektu, kas šajā vietnē ir aprakstīta I.V. rakstā.

Saules enerģijas koncentrācija

Saules kolektora efektivitātes paaugstināšana galvenokārt ir vienmērīga uzkarsētā ūdens temperatūras paaugstināšanās virs viršanas temperatūras. Lai to izdarītu, parasti tiek izmantota saules enerģijas koncentrācija kolektorā, izmantojot spoguļus. Tieši šis princips ir pamatā lielākajai daļai saules elektrostaciju, atšķirības ir tikai spoguļu un kolektora skaitā, konfigurācijā un izvietojumā, kā arī spoguļu vadības metodēs. Rezultātā fokusa punktā ir pilnīgi iespējams sasniegt temperatūru, kas nav pat simtiem, bet tūkstošiem grādu - šajā temperatūrā jau var notikt tieša ūdens termiskā sadalīšanās ūdeņradī un skābeklī (iegūto ūdeņradi var sadedzināt naktīs un mākoņainās dienās)!

Diemžēl šādas iekārtas efektīva darbība nav iespējama bez sarežģītas koncentratora spoguļu vadības sistēmas, kam jāseko nepārtraukti mainīgajai Saules pozīcijai debesīs. Pretējā gadījumā pēc dažām minūtēm fokusa punkts atstās kolektoru, kuram šādās sistēmās bieži ir ļoti mazi izmēri, un darba šķidruma sildīšana apstāsies. Pat paraboloīdu spoguļu izmantošana problēmu atrisina tikai daļēji - ja tie periodiski netiks pagriezti pēc Saules, tad pēc dažām stundām tas vairs neiekritīs viņu bļodā vai tikai apgaismos tās malu - no tā būs maza jēga.

Vienkāršākais veids, kā koncentrēt saules enerģiju "mājas" apstākļos, ir novietot spoguli horizontāli pie kolektora tā, lai lielāko dienas daļu "saules stars" kristu uz kolektoru. Interesants variants ir kā šādu spoguli izmantot pie mājas speciāli izveidotā ūdenskrātuves virsmu, it īpaši, ja tas nav parasts ūdenskrātuves, bet gan “saules dīķis” (lai gan tas nav viegli izdarāms, un atstarošanas efektivitāte būs būt daudz mazākam nekā parastajam spogulim). Labu rezultātu var iegūt, izveidojot vertikālu spoguļu centrmezglu sistēmu (šis pasākums parasti ir daudz apgrūtinošāks, taču dažos gadījumos var būt diezgan pamatoti vienkārši uzstādīt lielu spoguli uz blakus sienas, ja tas veido iekšējo leņķi ar kolektors - tas viss ir atkarīgs no ēkas un kolektora konfigurācijas un atrašanās vietas).

Saules starojuma novirzīšana, izmantojot spoguļus, var arī palielināt fotoelektriskā bloka jaudu. Bet tajā pašā laikā tā sildīšana palielinās, un tas var atspējot akumulatoru. Tāpēc šajā gadījumā jums ir jāierobežo sevi ar salīdzinoši nelielu ieguvumu (par dažiem desmitiem procentu, bet ne reizēm), un jums rūpīgi jākontrolē akumulatora temperatūra, īpaši karstās, skaidrās dienās! Tieši pārkaršanas draudu dēļ daži fotoelektrisko bateriju ražotāji nepārprotami aizliedz savu izstrādājumu darbību ar pastiprinātu apgaismojumu, kas radīts ar papildu atstarotāju palīdzību.

Saules enerģijas pārvēršana mehāniskā

Tradicionālie saules enerģijas iekārtu veidi neparedz tiešu mehāniskā darba iegūšanu. Lai to izdarītu, pie fotokonverteru saules baterijas ir jāpievieno elektromotors un, izmantojot termisko saules kolektoru, jāpavada pārkarsēts tvaiks (un maz ticams, ka iztiks bez spoguļa koncentratoriem pārkaršanai). tvaika turbīnas ieplūdes atverē vai tvaika dzinēja cilindros. Kolektori ar salīdzinoši mazu siltumu var pārvērst siltumu mehāniskā kustībā eksotiskākos veidos, piemēram, formas atmiņas sakausējuma izpildmehānismi.

Tomēr ir iekārtas, kas ietver saules siltuma pārvēršanu mehāniskā darbā, kas ir tieši iekļautas to konstrukcijā. Turklāt to izmēri un jauda ir ļoti dažādi - tas ir milzīga simtiem metru augsta saules torņa un pieticīga saules sūkņa projekts, kas ir vieta vasarnīcai.

Saule ir neizsmeļams, videi drošs un lēts enerģijas avots. Pēc ekspertu domām, Saules enerģijas daudzums, kas nedēļas laikā sasniedz Zemes virsmu, pārsniedz visu pasaules naftas, gāzes, ogļu un urāna rezervju enerģiju 1 . Pēc akadēmiķa Ž.I. Alferovs, "cilvēcei ir uzticams dabiskais kodoltermiskais reaktors - Saule. Tā ir Zh-2 klases zvaigzne, ļoti vidēja, no kurām Galaktikā ir līdz 150 miljardiem. Bet šī ir mūsu zvaigzne, un tā sūta uz Zemi milzīgas spējas, kuru transformācija ļauj mums apmierināt gandrīz jebkuru cilvēces enerģijas pieprasījumu daudzu simtu gadu garumā. Turklāt saules enerģija ir "tīra" un tai nav negatīvas ietekmes uz planētas ekoloģiju 2 .

Svarīgs moments ir fakts, ka saules bateriju ražošanas izejviela ir viens no visizplatītākajiem elementiem - silīcijs. Zemes garozā silīcijs ir otrais elements pēc skābekļa (29,5% pēc masas) 3 . Pēc daudzu zinātnieku domām, silīcijs ir "XX pirmā gadsimta eļļa": 30 gadus viens kilograms silīcija fotoelektriskajā stacijā rada tikpat daudz elektroenerģijas kā 75 tonnas eļļas termoelektrostacijā.

Tomēr daži eksperti uzskata, ka saules enerģiju nevar saukt par videi draudzīgu, jo tīra silīcija ražošana fotoelementiem ir ļoti “netīra” un ļoti energoietilpīga ražošana. Līdztekus tam, lai celtu saules elektrostacijas, ir jāpiešķir plašas zemes, kas pēc platības ir salīdzināmas ar hidroelektrostaciju rezervuāriem. Vēl viens saules enerģijas trūkums, pēc ekspertu domām, ir liela nepastāvība. Energosistēmas, kuras elementi ir saules elektrostacijas, efektīvas darbības nodrošināšana iespējama, ja:
- ievērojamu rezerves jaudu klātbūtne, izmantojot tradicionālos enerģijas nesējus, kurus var savienot naktī vai mākoņainās dienās;
- veikt liela mēroga un dārgu elektrotīklu modernizāciju 4 .

Neskatoties uz šo trūkumu, saules enerģija turpina savu attīstību pasaulē. Pirmkārt, ņemot vērā to, ka starojuma enerģija kļūs lētāka un pēc dažiem gadiem būs ievērojams naftas un gāzes konkurents.

Pašreizējā brīdī pasaulē ir fotoelektriskās iekārtas, pārvēršot saules enerģiju elektroenerģijā, pamatojoties uz tiešās pārveidošanas metodi, un termodinamiskās instalācijas, kurā saules enerģija vispirms tiek pārvērsta siltumā, pēc tam siltumdzinēja termodinamiskajā ciklā tā tiek pārvērsta mehāniskajā enerģijā, bet ģeneratorā - elektroenerģijā.

Saules baterijas kā enerģijas avotu var izmantot:
- rūpniecībā (aviācijas rūpniecībā, automobiļu rūpniecībā utt.),
- lauksaimniecībā,
- mājsaimniecību sektorā,
- būvniecības nozarē (piemēram, ekomājas),
- saules elektrostacijās,
- autonomās videonovērošanas sistēmās,
- autonomās apgaismojuma sistēmās,
- kosmosa nozarē.

Saskaņā ar Enerģētikas stratēģijas institūta datiem Saules enerģijas teorētiskais potenciāls Krievijā ir vairāk nekā 2300 miljardi tonnu standarta degvielas, ekonomiskais potenciāls ir 12,5 miljoni tonnu degvielas ekvivalenta. Saules enerģijas potenciāls, kas uz trim dienām nonāk Krievijas teritorijā, pārsniedz visu mūsu valsts gada elektroenerģijas ražošanas apjomu.
Krievijas atrašanās vietas dēļ (no 41 līdz 82 ziemeļu platuma grādiem) saules starojuma līmenis ievērojami atšķiras: no 810 kWh/m 2 gadā attālos ziemeļu reģionos līdz 1400 kWh/m 2 gadā dienvidu reģionos. Lielas sezonālās svārstības ietekmē arī saules starojuma līmeni: 55 grādu platumā saules starojums janvārī ir 1,69 kWh/m 2, bet jūlijā - 11,41 kWh/m 2 dienā.

Saules enerģijas potenciāls ir vislielākais dienvidrietumos (Ziemeļkaukāzā, Melnās un Kaspijas jūras reģionā) un Dienvidsibīrijā un Tālajos Austrumos.

Saules enerģijas izmantošanas ziņā perspektīvākie reģioni: Kalmikija, Stavropoles apgabals, Rostovas apgabals, Krasnodaras apgabals, Volgogradas apgabals, Astrahaņas apgabals un citi reģioni dienvidrietumos, Altaja, Primorija, Čitas reģions, Burjatija un citi reģioni dienvidaustrumos. . Turklāt daži Rietumu un Austrumu Sibīrijas un Tālo Austrumu apgabali pārsniedz saules starojuma līmeni dienvidu reģionos. Tā, piemēram, Irkutskā (52 ziemeļu platuma grādi) saules starojuma līmenis sasniedz 1340 kWh/m2, savukārt Jakutijas-Sahas Republikā (62 ziemeļu platuma grādi) šis rādītājs ir 1290 kWh/m2. 5

Pašlaik Krievijā ir progresīvas tehnoloģijas saules enerģijas pārvēršanai elektroenerģijā. Ir vairāki uzņēmumi un organizācijas, kas ir izstrādājuši un uzlabo fotoelektrisko pārveidotāju tehnoloģiju: gan uz silīcija, gan uz daudzsavienojumu konstrukcijām. Koncentrācijas sistēmu izmantošanā saules elektrostacijām ir vairāki sasniegumi.

Tiesiskais regulējums saules enerģijas attīstības atbalstam Krievijā ir sākuma stadijā. Tomēr pirmie soļi jau ir sperti:
- 2008.gada 3.jūlijs: Valdības rīkojums Nr.426 "Par ražotnes, kas darbojas uz atjaunojamo energoresursu izmantošanu, kvalifikāciju";
- 2009. gada 8. janvāris: Krievijas Federācijas valdības dekrēts N 1-r "Par valsts politikas galvenajiem virzieniem elektroenerģijas nozares energoefektivitātes paaugstināšanas jomā, pamatojoties uz atjaunojamo energoresursu izmantošanu laikposmā līdz plkst. līdz 2020"

Tika apstiprināti mērķi līdz 2015. un 2020. gadam palielināt AER īpatsvaru kopējā Krievijas energobilances līmenī attiecīgi līdz 2,5% un 4,5% 6 .

Saskaņā ar dažādām aplēsēm šobrīd Krievijā kopējā ekspluatācijā nodoto saules enerģijas ražošanas jaudu apjoms nepārsniedz 5 MW, no kuriem lielākā daļa gulstas uz mājsaimniecībām. Lielākais industriālais objekts Krievijas saules enerģijas nozarē ir 2010. gadā Belgorodas apgabalā ekspluatācijā nodotā ​​100 kW saules elektrostacija (salīdzinājumam Kanādā atrodas pasaulē lielākā saules elektrostacija ar 80 000 kW jaudu).

Pašlaik Krievijā tiek īstenoti divi projekti: saules enerģijas parku būvniecība Stavropoles teritorijā (jauda - 12 MW) un Dagestānas Republikā (10 MW) 7 . Neskatoties uz atbalsta trūkumu atjaunojamās enerģijas jomā, virkne uzņēmumu īsteno nelielus projektus saules enerģijas jomā. Piemēram, Sakhaenergo Jakutijā uzstādīja nelielu staciju ar jaudu 10 kW.

Maskavā ir nelielas instalācijas: Leontievsky Lane un Michurinsky prospektā vairāku māju ieejas un pagalmi tiek apgaismoti ar saules moduļu palīdzību, kas samazināja apgaismojuma izmaksas par 25%. Timirjazevskas ielā vienā no autobusu pieturām uz jumta ir uzstādīti saules paneļi, kas nodrošina uzziņu un informācijas transporta sistēmu un Wi-Fi.

Saules enerģijas attīstība Krievijā ir saistīta ar vairākiem faktoriem:

1) klimatiskie apstākļi:šis faktors ietekmē ne tikai tīkla paritātes sasniegšanas gadu, bet arī konkrētam reģionam vispiemērotākās saules enerģijas uzstādīšanas tehnoloģijas izvēli;

2)valsts atbalsts: juridiski noteikti ekonomiski stimuli saules enerģijai ir ļoti svarīgi
tās attīstība. Starp valsts atbalsta veidiem, ko veiksmīgi izmanto vairākās Eiropas valstīs un ASV, var izdalīt: saules elektrostaciju iepirkuma tarifu, subsīdijas saules elektrostaciju celtniecībai, dažādas nodokļu atvieglojumu iespējas, kompensācijas. par daļu no kredītu apkalpošanas izmaksām saules instalāciju iegādei;

3)SFEU (saules fotoelektrisko iekārtu) izmaksas: Mūsdienās saules elektrostacijas ir viena no dārgākajām izmantotajām elektroenerģijas ražošanas tehnoloģijām. Taču, samazinoties 1 kWh saražotās elektroenerģijas izmaksām, saules enerģija kļūst konkurētspējīga. Pieprasījums pēc SPPM ir atkarīgs no SPPM uzstādītās jaudas 1 W izmaksu samazināšanās (~3000 USD 2010. gadā). Izmaksu samazināšana tiek panākta, palielinot efektivitāti, samazinot tehnoloģiskās izmaksas un samazinot ražošanas rentabilitāti (konkurences ietekmi). Iespēja samazināt 1 kW jaudas izmaksas ir atkarīga no tehnoloģijas un svārstās no 5% līdz 15% gadā;

4) vides standarti: saules enerģijas tirgu var pozitīvi ietekmēt vides noteikumu stingrāki (ierobežojumi un naudas sodi) iespējamās Kioto protokola pārskatīšanas dēļ. Emisijas kvotu pārdošanas mehānismu pilnveidošana var dot jaunu ekonomisku stimulu MU tirgum;

5) elektroenerģijas pieprasījuma un piedāvājuma līdzsvars: esošo vērienīgo ražošanas un elektrotīklu būvniecības un rekonstrukcijas plānu īstenošana
nozares reformas gaitā no RAO "UES of Russia" atdalīto uzņēmumu jaudas būtiski palielinās elektroenerģijas piegādi un var palielināt spiedienu uz cenu
vairumtirdzniecības tirgū. Tomēr vecās jaudas pārtraukšana un vienlaikus pieprasījuma pieaugums radīs cenas pieaugumu;

6)tehnoloģiskā savienojuma problēmu klātbūtne: kavēšanās, izpildot pieteikumus tehnoloģiskajam pieslēgumam centralizētajai elektroapgādes sistēmai, ir stimuls pāriet uz alternatīviem enerģijas avotiem, tostarp SFEU. Šādus kavējumus nosaka gan objektīvs jaudas trūkums, gan tīkla uzņēmumu tehnoloģiskā pieslēguma organizēšanas neefektivitāte vai tehnoloģiskā pieslēguma finansējuma trūkums no tarifa;

7) pašvaldību iniciatīvas: reģionālās un pašvaldību valdības var īstenot savas programmas saules enerģijas vai, plašākā nozīmē, atjaunojamo/netradicionālo enerģijas avotu attīstībai. Šodien šādas programmas jau tiek īstenotas Krasnojarskas un Krasnodaras apgabalos, Burjatijas Republikā u.c.;

8) pašas ražošanas attīstība: Krievijas SFEU ražošanai var būt pozitīva ietekme uz Krievijas saules enerģijas patēriņa attīstību. Pirmkārt, pateicoties pašas ražotajai produkcijai, pieaug vispārējā iedzīvotāju informētība par saules tehnoloģiju pieejamību un to popularitāti. Otrkārt, SFEM izmaksas galalietotājiem tiek samazinātas, samazinot izplatīšanas ķēdes starpposmus un samazinot transporta komponentu 8 .

6 http://www.ng.ru/energy/2011-10-11/9_sun_energy.html
7 Organizators ir Hevel LLC, kura dibinātāji ir Renova uzņēmumu grupa (51%) un Valsts korporācija Krievijas Nanotehnoloģiju korporācija (49%).

Saule izstaro milzīgu enerģijas daudzumu – aptuveni 1,1x1020 kWh sekundē. Kilovatstunda ir enerģijas daudzums, kas nepieciešams, lai 100 vatu kvēlspuldze darbinātu 10 stundas. Zemes ārējā atmosfēra pārtver aptuveni vienu miljono daļu no Saules izstarotās enerģijas jeb aptuveni 1500 kvadriljonus (1,5 x 1018) kWh gadā. Tomēr atmosfēras gāzu un aerosolu atstarošanas, izkliedes un absorbcijas dēļ tikai 47% no visas enerģijas jeb aptuveni 700 kvadriljoni (7 x 1017) kWh sasniedz Zemes virsmu.

Saules starojums Zemes atmosfērā ir sadalīts tā sauktajā tiešajā starojumā un izkliedēts ar atmosfērā esošajām gaisa, putekļu, ūdens u.c. daļiņām. To summa veido kopējo saules starojumu. Enerģijas daudzums, kas krīt uz laukuma vienību laika vienībā, ir atkarīgs no vairākiem faktoriem:

• platuma grādos
• gada vietējā klimata sezona
• virsmas slīpuma leņķis attiecībā pret sauli.

Laiks un ģeogrāfiskā atrašanās vieta

Saules enerģijas daudzums, kas nokrīt uz Zemes virsmas, mainās Saules kustības ietekmē. Šīs izmaiņas ir atkarīgas no diennakts laika un sezonas. Parasti vairāk saules starojuma Zemi sasniedz pusdienlaikā nekā agri no rīta vai vēlu vakarā. Pusdienlaikā Saule atrodas augstu virs horizonta, un Saules staru ceļa garums caur Zemes atmosfēru ir samazināts. Līdz ar to tiek izkliedēts un absorbēts mazāk saules starojuma, kas nozīmē, ka vairāk sasniedz virsmu.

Saules enerģijas daudzums, kas sasniedz Zemes virsmu, atšķiras no vidējās gada vērtības: ziemā - mazāk nekā 0,8 kWh/m2 dienā Ziemeļeiropā un vairāk nekā 4 kWh/m2 dienā vasarā šajā pašā reģionā. Atšķirība samazinās, tuvojoties ekvatoram.

Saules enerģijas daudzums ir atkarīgs arī no vietas ģeogrāfiskās atrašanās vietas: jo tuvāk ekvatoram, jo ​​tas ir lielāks. Piemēram, vidējais ikgadējais kopējais saules starojuma gadījums uz horizontālas virsmas ir: Centrāleiropā, Vidusāzijā un Kanādā - aptuveni 1000 kWh/m2; Vidusjūrā - aptuveni 1700 kWh / m2; lielākajā daļā Āfrikas, Tuvo Austrumu un Austrālijas tuksnešaino reģionu aptuveni 2200 kWh/m2.

Tādējādi saules starojuma daudzums būtiski atšķiras atkarībā no gada laika un ģeogrāfiskās atrašanās vietas (skat. tabulu). Šis faktors ir jāņem vērā, izmantojot saules enerģiju.

	Dienvideiropa	Centrāleiropa	Ziemeļeiropa	Karību jūras reģions
janvārī	2,6	1,7	0,8	5,1
februāris	3,9	3,2	1,5	5,6
marts	4,6	3,6	2,6	6,0
aprīlis	5,9	4,7	3,4	6,2
maijā	6,3	5,3	4,2	6,1
jūnijs	6,9	5,9	5,0	5,9
jūlijā	7,5	6,0	4,4	6,0
augusts	6,6	5,3	4,0	6,1
septembris	5,5	4,4	3,3	5,7
oktobris	4,5	3,3	2,1	5,3
novembris	3,0	2,1	1,2	5,1
decembris	2,7	1,7	0,8	4,8
GADS	5,0	3,9	2,8	5,7

Mākoņu ietekme uz saules enerģiju

Saules starojuma daudzums, kas sasniedz Zemes virsmu, ir atkarīgs no dažādām atmosfēras parādībām un no Saules stāvokļa gan dienas laikā, gan visa gada garumā. Mākoņi ir galvenā atmosfēras parādība, kas nosaka Saules starojuma daudzumu, kas sasniedz Zemes virsmu. Jebkurā Zemes punktā saules starojums, kas sasniedz Zemes virsmu, samazinās, palielinoties mākoņainībai. Līdz ar to valstis, kurās ir pārsvarā mākoņains laiks, saņem mazāk saules starojuma nekā tuksneši, kur pārsvarā ir bez mākoņiem.

Mākoņu veidošanos ietekmē vietējo iezīmju klātbūtne, piemēram, kalni, jūras un okeāni, kā arī lieli ezeri. Tāpēc šajās zonās un tiem piegulošajos reģionos saņemtais saules starojuma daudzums var atšķirties. Piemēram, kalni var saņemt mazāk saules starojuma nekā blakus esošās pakājes un līdzenumi. Vēji, kas pūš uz kalniem, liek daļai gaisa pacelties un, atdzesējot gaisā esošo mitrumu, veidojas mākoņi. Saules starojuma daudzums piekrastes zonās var atšķirties arī no tiem, kas reģistrēti teritorijās, kas atrodas iekšzemē.

Dienas laikā saņemtās saules enerģijas daudzums lielā mērā ir atkarīgs no vietējām atmosfēras parādībām. Pusdienlaikā ar skaidrām debesīm, kopējais saules

starojums, kas krīt uz horizontālu virsmu, var sasniegt (piemēram, Centrāleiropā) vērtību 1000 W/m2 (ļoti labvēlīgos laikapstākļos šis rādītājs var būt lielāks), savukārt ļoti mākoņainā laikā tas ir zem 100 W/m2 pat plkst. pusdienlaiks.

Atmosfēras piesārņojuma ietekme uz saules enerģiju

Arī antropogēnas un dabas parādības var ierobežot Saules starojuma daudzumu, kas sasniedz Zemes virsmu. Pilsētas smogs, mežu ugunsgrēku dūmi un gaisā esošie vulkāniskie pelni samazina saules enerģijas izmantošanu, palielinot saules starojuma izkliedi un absorbciju. Tas nozīmē, ka šiem faktoriem ir lielāka ietekme uz tiešo saules starojumu nekā uz kopējo. Ar smagu gaisa piesārņojumu, piemēram, ar smogu, tiešais starojums samazinās par 40%, bet kopējais - tikai par 15-25%. Spēcīgs vulkāna izvirdums var samazināt, un lielā Zemes virsmas laukumā, tiešo saules starojumu par 20%, bet kopumā - par 10% laika posmā no 6 mēnešiem līdz 2 gadiem. Samazinoties vulkānisko pelnu daudzumam atmosfērā, efekts vājinās, bet pilnīgas atveseļošanās process var ilgt vairākus gadus.

Saules enerģijas potenciāls

Saule nodrošina mūs ar 10 000 reižu vairāk bezmaksas enerģijas, nekā patiesībā tiek izmantots visā pasaulē. Globālais komerciālais tirgus vien pērk un pārdod nedaudz mazāk par 85 triljoniem (8,5 x 1013) kWh enerģijas gadā. Tā kā nav iespējams izsekot visam procesam, nav iespējams droši pateikt, cik daudz nekomerciālās enerģijas cilvēki patērē (piemēram, cik daudz koksnes un mēslojuma tiek savākts un sadedzināts, cik daudz ūdens tiek izmantots mehāniskās vai elektriskās enerģijas ražošanai). enerģija). Daži eksperti lēš, ka šāda nekomerciāla enerģija veido vienu piekto daļu no visas izmantotās enerģijas. Bet pat tad, ja tā ir taisnība, tad kopējā cilvēces gada laikā patērētā enerģija ir tikai aptuveni viena septiņtūkstošā daļa no saules enerģijas, kas tajā pašā laika posmā sasniedz Zemes virsmu.

Attīstītajās valstīs, piemēram, ASV, enerģijas patēriņš ir aptuveni 25 triljoni (2,5 x 1013) kWh gadā, kas atbilst vairāk nekā 260 kWh uz vienu cilvēku dienā. Tas ir līdzvērtīgs vairāk nekā 100 100 W kvēlspuldžu darbināšanai katru dienu visu dienu. Vidējais ASV pilsonis patērē 33 reizes vairāk enerģijas nekā indietis, 13 reizes vairāk nekā ķīnietis, divarpus reizes vairāk nekā japānis un divreiz vairāk nekā zviedrs.

Saules enerģijas daudzums, kas sasniedz Zemes virsmu, daudzkārt pārsniedz tās patēriņu pat tādās valstīs kā ASV, kur enerģijas patēriņš ir milzīgs. Ja tikai 1% no valsts teritorijas tiktu izmantots saules iekārtu (fotoelektrisko paneļu vai saules karstā ūdens sistēmu) uzstādīšanai, kas darbojas ar 10% efektivitāti, tad ASV būtu pilnībā apgādāta ar enerģiju. To pašu var teikt par visām pārējām attīstītajām valstīm. Taču savā ziņā tas ir nereāli – pirmkārt, fotoelektrisko sistēmu augsto izmaksu dēļ, otrkārt, tik lielas platības nav iespējams noklāt ar saules iekārtām, nekaitējot ekosistēmai. Bet pats princips ir pareizs.

Vienu un to pašu platību ir iespējams segt, izkliedējot instalācijas uz ēku jumtiem, uz mājām, gar ceļiem, uz iepriekš noteiktām zemes platībām utt. Turklāt daudzās valstīs jau vairāk nekā 1% zemes tiek atvēlēti enerģijas ieguvei, pārveidei, ražošanai un transportēšanai. Un, tā kā lielākā daļa šīs enerģijas ir neatjaunojama cilvēka eksistences mērogā, šāda veida enerģijas ražošana ir daudz kaitīgāka videi nekā saules sistēmas.