Potențialul energetic al energiei solare. Energia solară în Rusia: perspective și probleme de dezvoltare

4.1.1. Evaluarea resursei (potenţialului) energetice brute a energiei solare

Analiza factorilor care afectează valoarea resursei energetice brute a energiei solare. Energia radiației solare care cade pe Pământ este de 10.000 de ori mai mare decât cantitatea de energie produsă de omenire. Piața comercială mondială cumpără și vinde aproximativ 85∙103 miliarde kWh de energie pe an. Este extrem de dificil de estimat câtă energie necomercială consumă omenirea. Unii experți consideră că componenta necomercială este aproape de 20% din toată energia utilizată.

Consumul de energie electrică în Rusia în ansamblu a fost de 1,036∙103 miliarde kWh în 2015. Federația Rusă are un uriaș resursă brută utilizarea energiei solare. Energia radiației solare totale anuale care cade pe suprafața orizontală a teritoriului țării noastre este de circa 20.743∙10 6 miliarde kWh/an, ceea ce depășește de circa 20.000 de ori necesarul de energie.

Iradierea suprafeței pământului cu radiații solare, care are un efect luminos, termic și bactericid, se numește expunere la soare.

Izolația este măsurată prin cantitatea de energie solară care cade pe o unitate de suprafață orizontală pe unitatea de timp.

Fluxul radiației solare care trece printr-o zonă de 1 m 2 situată perpendicular pe curgere radiația la o distanță de o unitate astronomică de centrul Soarelui (adică în afara atmosferei Pământului), este egală cu 1367 W / m 2 - constanta solară.

Datorită absorbției de către atmosfera Pământului, fluxul maxim de radiație solară la nivelul mării este de 1020 W/m 2 . Cu toate acestea, trebuie luat în considerare faptul că valoarea medie zilnică a fluxului de radiație solară printr-un singur loc este de cel puțin trei ori mai mică (datorită schimbării zilei și nopții și modificării unghiului soarelui deasupra orizontului) . Iarna, în latitudinile temperate, această valoare este de două ori mai mică. Această cantitate de energie pe unitatea de suprafață determină posibilitățile de energie solară. Perspectivele de generare a energiei solare se diminuează, de asemenea, din cauza diminuării globale, o reducere provocată de om a radiației solare care ajunge la suprafața Pământului.

Radiația solară totală din atmosfera Pământului este formată din radiații directe și împrăștiate . Cantitatea de energie care scade pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp depinde de:

- latitudinea geografică a zonei,

– clima locală și perioada anului,

- densitatea, umiditatea și gradul de poluare a aerului atmosferic,

- mișcarea anuală și zilnică a Pământului,

- natura suprafeței pământului,

- din unghiul de inclinare al suprafetei pe care cade radiatia, fata de Soare.

Atmosfera absoarbe o parte din energia soarelui. Cu cât este mai lungă calea luminii solare în atmosferă, cu atât energia solară directă ajunge mai puțin la suprafața pământului. Când Soarele se află la zenit (unghiul de incidență al razelor este de 90 °), razele lui lovesc Pământul în cel mai scurt mod și își eliberează intens energia într-o zonă mică. Pe Pământ, acest lucru se întâmplă în jurul ecuatorului, la tropice. Pe măsură ce vă îndepărtați de această zonă spre sud sau nord, lungimea traseului razelor solare crește și unghiul de incidență a acestora pe suprafața pământului scade. Ca urmare:

pierderi crescute de energie în aer,

radiația solară este distribuită pe o suprafață mare,

reducerea cantității de energie directă care cade pe o unitate de suprafață și

creșterea proporției de radiații împrăștiate.

În plus, lungimea zilei în diferite momente ale anului depinde și de latitudinea zonei, care determină și cantitatea de radiație solară care intră pe suprafața pământului. Un factor important care determină potențialul energiei solare este durata radiației solare pe parcursul anului (Fig. 4.1).

Orez. 4.1. Durata soarelui în Rusia, oră/an

Pentru teritoriile de latitudini înalte, unde o parte semnificativă a timpului de iarnă cade în noaptea polară, diferența de flux de radiații vara și iarna poate fi destul de mare. Deci, dincolo de Cercul Arctic, durata de însorire variază de la 0 ore în decembrie la 200-300 de ore în iunie și iulie, cu o durată anuală de aproximativ 1200-1600 ore. În nordul țării, cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața Pământului în timpul iernii diferă de valoarea medie anuală cu mai puțin de 0,8 kWh / (m 2 × zi), vara - cu mai mult de 4 kWh / m 2. Dacă în lunile de iarnă nivelurile de radiație solară din regiunile de nord și de sud ale Rusiei sunt foarte diferite, atunci indicatorii de vară ai insolației din aceste teritorii din cauza orelor lungi de lumină din latitudinile nordice se dovedesc a fi destul de pe măsură. Cu toate acestea, din cauza duratei anuale mai reduse a insolației, teritoriile circumpolare sunt inferioare în radiația solară totală față de regiunile din zona de mijloc și, respectiv, din sud, de 1,3 și, respectiv, de 1,7 ori.

Condițiile climatice dintr-o anumită zonă determină durata și nivelul înnorării din regiune, umiditatea și densitatea aerului. Norii sunt principalul fenomen atmosferic care reduce cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața Pământului. Formarea lor este influențată de astfel de caracteristici ale reliefului local, cum ar fi munții, mările și oceanele, precum și lacuri mari. Prin urmare, cantitatea de radiație solară primită în aceste zone și regiunile adiacente acestora poate diferi.

Natura suprafeței pământului și a terenului afectează, de asemenea, reflectivitatea acestuia. Capacitatea unei suprafețe de a reflecta radiația se numește albedo (din latină - alb). S-a stabilit că albedo-ul suprafeței pământului variază într-o gamă foarte largă. Deci, albedo de zăpadă pură este de 85-90%, nisip - 30-35%, cernoziom - 5-14%, frunze verzi - 20-25%, frunze galbene - 33-39%, suprafața apei la înălțimea Soarelui de 90 0 - 2 %, suprafața apei la o înălțime a Soarelui de 20 0 - 78 %. Radiația reflectată crește componenta radiației împrăștiate.

Poluarea atmosferică antropică și naturală poate limita, de asemenea, cantitatea de radiație solară care poate ajunge la suprafața pământului. Smogul urban, fumul de la incendiile forestiere și cenușa vulcanică în aer reduc utilizarea energiei solare prin creșterea dispersiei și absorbției radiației solare. Acești factori au o influență mai mare asupra radiației solare directe decât asupra totală. Cu poluarea severă a aerului, de exemplu, cu smog, radiația directă este redusă cu 40%, iar totalul - doar cu 15-25%. O erupție vulcanică puternică poate reduce, și pe o suprafață mare a suprafeței Pământului, radiația solară directă cu 20% și total - cu 10% pentru o perioadă de la 6 luni la 2 ani. Odată cu scăderea cantității de cenușă vulcanică din atmosferă, efectul slăbește, dar procesul de recuperare completă poate dura câțiva ani.

Cantitatea de energie solară incidentă pe suprafața receptoare se modifică și atunci când poziția Soarelui se schimbă în timpul zilei în diferite luni ale anului. De obicei, mai multă radiație solară lovește Pământul la prânz decât dimineața devreme sau seara târziu. La amiază, Soarele este sus deasupra orizontului, iar lungimea căii de trecere a luminii solare prin atmosfera Pământului este redusă. În consecință, mai puțină radiație solară este împrăștiată și absorbită, ceea ce înseamnă că ajunge mai mult la suprafață. În plus, abaterea unghiului de incidență a luminii solare pe suprafața receptoare de la 90 ° duce la o scădere a cantității de energie pe unitatea de suprafață - efectul de proiecție. Influența acestui efect asupra nivelului de insolație poate fi observată în Figura 4.2.

Orez. 4.2. Efectul modificării unghiului de incidență a razelor solare asupra valorii

insolație - efect de proiecție

Un flux de energie solară de 1 km lățime cade pe pământ la un unghi de 90 °, iar un altul de aceeași lățime la un unghi de 30 °. Ambele fluxuri transportă aceeași cantitate de energie. În acest caz, un fascicul solar oblic își împrăștie energia pe o suprafață de două ori mai mare decât un fascicul perpendicular pe suprafața receptoare și, în consecință, jumătate din energie va curge pe unitate de suprafață pe unitate de timp.

Suprafața Pământului, absorbind radiația solară (radiații absorbite), se încălzește și radiază căldură în atmosferă (radiația reflectată). Straturile inferioare ale atmosferei întârzie în mare măsură radiația terestră. Radiația absorbită de suprafața pământului este cheltuită pentru încălzirea solului, aerului și apei.

Se numește acea parte din radiația totală care rămâne după reflectare și radiație termică a suprafeței pământului balanța radiațiilor. Bilanțul de radiații al suprafeței pământului se modifică în timpul zilei și al anotimpurilor.

Surse de informare pentru evaluarea valorii resursei (potenţialului) brut de energie solară. Baza informațională pentru estimarea valorii acestei resurse brute (potențial) de energie solară o constituie datele de măsurare a radiației solare în diferite regiuni ale țării cu împărțirea ulterioară a regiunii în zone cu o valoare relativ uniformă a nivelului de insolație. În aceste scopuri, sunt necesare date generate cu ajutorul rezultatelor observațiilor actinometrice, i.e. date despre intensitatea radiației solare directe, împrăștiate și totale, despre bilanțul radiațiilor și natura reflectării radiațiilor de la suprafața terestră (albedo).

Având în vedere reducerea bruscă a numărului de stații meteorologice care efectuează observații actinometrice la sol în Rusia, în 2014, informațiile privind distribuția resurselor de energie solară din baza de date NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE) au fost utilizate pentru a estima potențialul brut. (resursa) de energie solara. Această bază a fost formată pe baza măsurătorilor prin satelit ale balanței radiațiilor de pe suprafața pământului, efectuate ca parte a Programului internațional de climatologie prin satelit și nor (ISCCP) al Programului Mondial de Cercetare a Climei, din iulie 1983 până în iunie 2005. Pe baza rezultatelor acestora, ținând cont de natura reflectării radiațiilor de pe suprafața pământului, de starea de înnorare, de poluarea atmosferică cu aerosoli și de alți factori, valorile cantităților lunare de radiație solară incidentă pe o suprafață orizontală au fost calculat pentru o grilă de 1º × 1º care acoperă întregul glob, inclusiv teritoriul Federației Ruse.

Calculul radiației totale incidente pe o suprafață înclinată cu un unghi de orientare dat. La evaluarea potențialului, este necesar să se poată determina cantitatea de radiație totală care cade la un anumit moment pe o suprafață înclinată orientată față de suprafața pământului la un unghi de interes pentru noi.

Înainte de a trece la descrierea metodologiei de calcul a radiației totale, este necesar să se introducă conceptele de bază legate de evaluarea radiației solare.

Revizuirea va avea loc în sistem de coordonate orizontal.În acest sistem, originea coordonatelor este plasată la locul observatorului de pe suprafața pământului. Planul orizontal acționează ca plan principal - planul orizont matematic. O coordonată în acest sistem este fie înălțimea soarelui α, sau al lui distanta zenitala z. O altă coordonată este azimut a.

Orizontul matematic este un cerc mare al sferei cerești, al cărui plan este perpendicular pe plumbul în punctul în care se află observatorul.

Orizontul matematic nu coincide cu orizont vizibil din cauza denivelării suprafeței Pământului, a diferitelor înălțimi ale punctelor de observare, precum și a curburii razelor de lumină din atmosferă.

Unghiul zenital solar z este unghiul dintre razele solare și normala la planul orizontal la punctul de observare A.

Unghiul de altitudine a soarelui α este unghiul în plan vertical dintre raza de soare și proiecția acestuia pe planul orizontal. Suma lui α+z este 90°.

Azimutul Soarelui a- acesta este unghiul în plan orizontal dintre proiecția razei solare și direcția spre sud.

Azimut de suprafață a p măsurată ca unghi între normala la suprafața în cauză și direcția sud.

Unghiul de declinare a soarelui- acesta este unghiul dintre linia care leagă centrele Pământului și Soarelui și proiecția acesteia pe planul ecuatorial. Declinarea Soarelui se modifică continuu pe tot parcursul anului - de la -23 ° 27 „în ziua solstițiului de iarnă din 22 decembrie până la + 23 ° 27” în ziua solstițiului de vară din 22 iunie și este zero în zilele de echinocțiul de primăvară și toamnă (21 martie și 23 septembrie).

Ora solară reală locală este timpul determinat la locul observatorului de poziția aparentă a Soarelui pe sfera cerească. Ora solară locală de 12 ore corespunde momentului în care Soarele se află la zenit (cel mai înalt pe cer).

Ora locală diferă de obicei de ora solară locală din cauza excentricității orbitei pământului, a utilizării de către oameni a fusurilor orare și a decalajelor de timp artificiale pentru a economisi energie.

Ecuatorul ceresc- acesta este un cerc mare al sferei cerești, al cărui plan este perpendicular pe axa lumii (axa de rotație a pământului) și coincide cu planul ecuatorului pământului.

Ecuatorul ceresc împarte suprafața sferei cerești în două emisfere: emisfera nordică, cu un vârf la polul nord ceresc, și emisfera sudică, cu un vârf la polul ceresc sudic.

meridianul cerului- un cerc mare al sferei cerești, al cărui plan trece printr-un plumb și axa lumii (axa de rotație a pământului).

unghiul orar- distanța unghiulară măsurată de-a lungul ecuatorului ceresc spre vest de la meridianul ceresc (acea parte a acestuia pe care soarele o traversează în momentul punctului culminant superior) până la cercul orar care trece printr-un punct ales pe sfera cerească.

Unghiul orar este rezultatul conversiei orei solare locale în numărul de grade pe care soarele le străbate pe cer. Prin definiție, unghiul orar este zero la prânz. Deoarece Pământul se rotește cu 15 0 într-o oră (360 o / 24 ore), atunci pentru fiecare oră după-amiaza Soarele se mișcă cu 15 0 . Dimineața unghiul soarelui este negativ, seara este pozitiv.

La fel de informații generale pentru a calcula radiația totală se folosesc valorile următorilor indicatori, obținuți prin prelucrarea statistică a datelor observaționale:

- cantitatea medie lunară a radiației solare totale care cade pe o zonă orizontală în timpul zilei;

este cantitatea medie lunară de radiație solară împrăștiată (difuză) care cade pe o zonă orizontală în timpul zilei;

– albedo al suprafeței pământului - raportul mediu lunar dintre cantitatea de radiație solară reflectată de suprafața pământului și cantitatea totală de radiație solară incidentă pe suprafața pământului (adică fracția de radiație reflectată de suprafața pământului), cotă.

Toate calculele suplimentare sunt efectuate pentru „ziua medie a lunii”, adică zi, în care unghiul de declinare al Soarelui este cel mai apropiat de unghiul mediu lunar.

Radiația solară pe o suprafață orizontală. Folosind aceste informații, valorile radiației solare totale (și împrăștiate () incidente pe suprafata orizontala pe t-a-a oră de observație:

Și - coeficienții de tranziție de la radiația zilnică la radiația orară - se determină după cum urmează:

- unghiul orar in t-a-a oră estimată a zilei, grade;

- unghiul orar al apusului (apusului), deg.

unghiul orar al soarelui calculat folosind raportul

– ora amiezii solare, informații despre care se găsesc în baza de date NASA, oră.

Unghiul orelor la apus cotat ca

– latitudine, grade;

este unghiul de declinare a soarelui, deg.

Unghiul de declinare a soarelui determinată de următoarea formulă

– ziua anului (de la 1 la 365).

Radiația solară pe o suprafață înclinată în mod arbitrar . Calcul radiația solară totală orară, căzând pe o suprafață înclinată orientată în unghi față de orizont, se produce după cum urmează

este unghiul de incidență al radiației solare directe pe o suprafață înclinată orientată în mod arbitrar la un unghi față de orizont în t-a ora, grade;

este unghiul zenit al Soarelui în t-a ora, grade;

este unghiul de înclinare a suprafeței față de orizont, grade;

Unghiul zenit al Soarelui

Unghiu de incidenta Drept radiatie solara pe o suprafață înclinată orientată în mod arbitrar la un unghi față de orizont:

este unghiul azimutal al Soarelui în t-a ora a zilei, grade;

este azimutul suprafeței înclinate, deg.

Unghiul de incidență al radiației solare directe pe o suprafață înclinată orientată în mod arbitrar la un unghi față de orizont poate fi calculat și folosind următoarele relații:

Relațiile considerate mai sus pot fi folosite pentru estimarea potențialului energetic al soarelui cu diferențierea în intervale orare (sau de trei ore) ale zilei.

Resursa de energie electrică brută (potenţialul) de energie solară. Pentru estimarea resursei de energie electrică brută a energiei solare din țara noastră s-au utilizat valorile medii lunare zilnice ale radiației solare totale incidente pe 1 m2. plan orizontal (kW h / (m 2 ∙ zi)). Pe baza acestor informații, cu diferențierea pe subiecții federației, s-a estimat cantitatea medie de radiație solară în milioane kWh, care se încadrează pe 1 kilometru pătrat de teritoriu în cursul anului (sau în kWh/(m 2 ∙an)) Fig. 4.3.

Orez. 4.3. Distribuția anuală a resurselor de energie solară pe teritoriul Federației Ruse cu detalii pe subiecți federali

Pe hartă, fiecărui subiect al federației i se atribuie codul său.

Lista subiecților federației cu codurile lor cu diferențiere pe districtele federale ale Rusiei este prezentată mai jos. Ținând cont de specificul evaluării potențialului energetic al SRE, orașele Moscova și Sankt Petersburg sunt fuzionate cu regiunile Moscova și, respectiv, Leningrad, cu atribuirea teritoriului unit al codului regiunii. Subiectele federației cu o mare întindere de la Nord la Sud pot fi împărțite în părți: Nord, Centru, Sud.

1. Districtul Federal Central: (31) regiunea Belgorod, (32) regiunea Bryansk, (33) regiunea Vladimir, (36) regiunea Voronezh, (37) regiunea Ivanovo, (40) regiunea Kaluga, (44) regiunea Kostroma, (46) regiunea Kursk, ( 48) Regiunea Lipetsk, (50) Regiunea Moscova și Moscova, (57) Regiunea Orel, (62) Regiunea Ryazan, (67) Regiunea Smolensk, (68) Regiunea Tambov, (69) Regiunea Tver, (71) Regiunea Tula, ( 76) Regiunea Yaroslavl.

2. Districtul Federal de Nord-Vest: ( 10) Republica Karelia, (11) Republica Komi, (29) regiunea Arhangelsk, (35) regiunea Vologda, (39) regiunea Kaliningrad, (47) regiunea Leningrad și Sankt Petersburg, (51) regiunea Murmansk, (53) Regiunea Novgorod, (60) Regiunea Pskov, (83) Regiunea Autonomă Neneț.

3. Districtul Federal de Sud: ( 1) Republica Adygea, (8) Republica Kalmykia, (23) Teritoriul Krasnodar, (30) Regiunea Astrakhan, (34) Regiunea Volgograd, (61) Regiunea Rostov, (91) Republica Crimeea și Sevastopol.

4. Districtul Federal Caucazian de Nord: ( 5) Republica Daghestan, (6) Republica Ingușeția, (7) Republica Kabardino-Balkaria, (9) Republica Karachay-Cherkessia, (15) Republica Osetia de Nord-Alania, (20) Republica Cecenă, (26) Teritoriul Stavropol.

5. Districtul Federal Volga: ( 2) Republica Bashkortostan, (12) Republica Mari El, (13) Republica Mordovia, (16) Republica Tatarstan, (18) Republica Udmurtia, (21) Republica Chuvashia, (43) Regiunea Kirov, (52) ) Regiunea Nijni Novgorod, (56) ) Regiunea Orenburg, (58) Regiunea Penza, (59) Regiunea Perm, (63) Regiunea Samara, (64) Regiunea Saratov, (73) Regiunea Ulyanovsk.

6. Districtul Federal Ural: ( 45) regiunea Kurgan, (66) regiunea Sverdlovsk, (72) regiunea Tyumen, (74) regiunea Chelyabinsk, (86) Khanty-Mansiysk Aok-Yugra, (89) Yamal-Nenets Aok.

7. Districtul Federal Siberian: (3) Republica Buryatia, (4) Republica Altai, (17) Republica Tyva, (19) Republica Khakassia, (22) Teritoriul Altai, (24) Teritoriul Krasnoyarsk (24-1. Nord, 24-2) . Centru, 24 -3. Sud), (38) Regiunea Irkutsk (38-1. Nord, 38-2. Sud), (42) Regiunea Kemerovo, (54) Regiunea Novosibirsk, (55) Regiunea Omsk, (70) Regiunea Tomsk, ( 75) Teritoriul Trans-Baikal.

8. Districtul Federal din Orientul Îndepărtat: ( 14) Republica Sakha (Yakutia) (14-1. Nord, 14-2. Centru, 14-3. Sud), (25) Teritoriul Primorsky, (27) Teritoriul Khabarovsk, (27-1. Nord, 27-2) Sud), (28) Regiunea Amur, (41) Teritoriul Kamchatka, (49) Regiunea Magadan, (65) Regiunea Sahalin, (79) Regiunea Autonomă Evreiască, (87) Regiunea Autonomă Chukotka.

Opinia actuală că Rusia, situată în principal la latitudini medii și înalte, nu dispune de resurse semnificative de energie solară pentru utilizarea eficientă a energiei, nu este adevărată. Harta de mai jos (Fig. 4.4) arată distribuția medie anuală a resurselor de energie de radiație solară pe teritoriul Rusiei, care ajunge în medie pe zi la 1 platforme de orientare sudica cu un unghi optim de inclinare fata de orizont(pentru fiecare punct geografic, acesta este propriul unghi la care afluxul total anual de energie solară către un singur sit este maxim).

Fig.4.4. Distribuția solară medie anuală zilnică

radiații pe teritoriul Rusiei, kW × oră / (m 2 × zi) (optim

suprafata orientata spre sud)

Luarea în considerare a hărții prezentate arată că în cadrul granițelor actuale ale Rusiei, cele mai „însorite” nu sunt regiunile din Caucazul de Nord, așa cum presupun mulți, ci regiunile Primorye și sudul Siberiei (4,5-5 kWh / (m 2 * zi) și mai sus). Este interesant faptul că binecunoscutele stațiuni de la Marea Neagră (Soci și altele), în funcție de aportul mediu anual de radiație solară (din punct de vedere al potențialului natural și al resursei de izolație solară) aparțin aceleiași zone ca majoritatea Siberiei, inclusiv Yakutia (4,0). -4. 5 kW × oră / (m 2 × zi)).

Pentru zonele slab furnizate cu energie cu alimentare descentralizată cu energie, este important ca peste 60% din teritoriul țării, inclusiv multe regiuni nordice, să fie caracterizate de un aport mediu anual de radiație solară de la 3,5 la 4,5 kWh / (m 2 × zi), care nu diferă cu nimic de sudul Germaniei, care folosește pe scară largă instalațiile solare.

Analiza hărții arată că în Federația Rusă cea mai mare intensitate a insolației de la 4,5 la 5,0 kWh/m 2 sau mai mult pe zi se observă în Primorye, în sudul Siberiei, în sudul Republicii Tuva și al Republicii Buriația. , și chiar dincolo de Cercul Arctic în partea de est a Severnaya Zemlya, și nu în regiunile sudice ale țării. După potențial solar, 4,0 - 4,5 kWh / (m 2 * zi), Teritoriul Krasnodar, Regiunea Rostov, partea de sud a regiunii Volga, cea mai mare parte a Siberiei (inclusiv Yakutia), regiunile sudice ale Novosibirsk, regiunile Irkutsk, Buriația, Tyva, Khakassia , Teritoriile Primorsky și Khabarovsk, Regiunea Amur, Insula Sahalin, teritorii vaste de la Teritoriul Krasnoyarsk până la Magadan, Severnaya Zemlya, nord-estul Okrugului autonom Yamalo-Nenets aparțin aceleiași zone cu Caucazul de Nord cu faimoasele stațiuni rusești de la Marea Neagră. Nijni Novgorod, Moscova, Sankt Petersburg, Salekhard, partea de est a Chukotka și Kamchatka se caracterizează prin radiația solară medie de la 2,5 la 3 kWh/m 2 pe zi. In restul tarii predomina intensitatea insolatiei de la 3 la 4 kWh/m 2 pe zi.

Fluxul de energie are cea mai mare intensitate în mai, iunie și iulie. În această perioadă, în centrul Rusiei, la 1 mp. metru de suprafață reprezintă 5 kWh pe zi. Cea mai scăzută intensitate este în decembrie-ianuarie, când 1 mp. metru de suprafață reprezintă 0,7 kWh pe zi.

Având în vedere situația actuală, pe harta Ucrainei (Fig. 4.3) se poate analiza nivelul radiației solare pe teritoriul Crimeei.

Orez. 4.3. Distribuția radiației solare anuale primite de

teritoriul Ucrainei, kW × oră / (m 2 × an) (orientat optim

suprafata orientata spre sud)

Resursa de energie termică brută a energiei solare. Resursa de energie termică brută (potențial) stabilește cantitatea maximă de energie termică corespunzătoare energiei radiației solare care intră pe teritoriul Rusiei.

Informațiile pentru evaluarea acestei resurse pot fi insolația în mega sau kilocalorii pe unitatea de suprafață a suprafeței care primește radiații pe unitatea de timp.

Figura 4.4 oferă o idee despre distribuția radiației solare totale pe suprafața orizontală a teritoriului Federației Ruse în kilocalorii pe 1 cm2 pe an.

Fig.4.4. Distribuția radiației solare anuale primite de

teritoriul Rusiei, kcal / (cm 2 × an)

Zonarea cuprinzătoare a teritoriului Rusiei în funcție de potențialul radiației solare poate fi văzută în Figura 4.6. Au fost alocate 10 zone în funcție de prioritatea potențialului de utilizare. Evident, cele mai favorabile condiții pentru utilizarea în practică a energiei solare le au regiunile sudice ale părții europene, sudul Transbaikaliei și Orientul Îndepărtat.

Orez. 19. Zonarea teritoriului Rusiei în funcție de potențialul solar

radiație (numărul din cerc este numărul în funcție de prioritatea potențialului)

Valorile potențialelor energetice brute ale energiei solare cu diferențiere pe districtele federale ale Federației Ruse.

La evaluarea potențialului tehnic al industriei energiei solare au fost utilizați indicatorii celor mai des întâlnite (90%) la acea vreme celule fotovoltaice pe bază de siliciu cu o eficiență de 15%. Suprafața de lucru a instalațiilor solare, ținând cont de densitatea de amplasare a celulelor fotovoltaice în module fotovoltaice, a fost considerată egală cu 0,1% din suprafața teritoriului regiunii luate în considerare care este omogenă din punct de vedere al nivelului de radiație. . Potențialul tehnic a fost calculat în tone de combustibil standard ca produs dintre potențialul solar brut al teritoriului prin ponderea suprafeței ocupate de celule fotovoltaice și randamentul acestora.

Definirea potențialului tehnic de căldură și energie al regiunii se concentrează pe posibilitățile tehnice de transformare a energiei radiației solare în energie termică la cele mai eficiente instalații solare de alimentare cu apă caldă. Evaluarea potențialului tehnic a fost efectuată pe baza datelor privind puterea termică a unor astfel de instalații în fiecare dintre zonele cu un nivel uniform de insolație și a ipotezelor făcute: pe suprafața ocupată de colectoare solare egală cu 1% din suprafața teritoriului luat în considerare, raportul dintre suprafețele instalațiilor termice și electrice - 0,8 și, respectiv, 0,2, și eficiența dispozitivului de combustibil este de 0,7. Conversia în tone de combustibil standard a fost efectuată folosind un coeficient de 0,34 tce/kWh.

Cel mai obiectiv dintre indicatorii cunoscuți care caracterizează posibilitatea utilizării practice a resurselor de energie solară este considerat a fi un indicator al potențialului său economic. Fezabilitatea economică și domeniul de aplicare a utilizării instalațiilor solare electrice și termice ar trebui determinate pe baza competitivității acestora față de sursele tradiționale de energie. Lipsa cantității necesare de informații necesare și de încredere a fost motivul utilizării unor metode simplificate bazate pe opiniile experților calificați pentru a evalua amploarea potențialului economic.

Conform estimărilor experților, potențialul economic al industriei energiei solare a fost considerat egal cu 0,05% din consumul anual de energie electrică din regiunea luată în considerare (conform Rosstat) cu conversia acestuia în tone de combustibil standard.

Cu o intensitate cunoscută a radiației solare, potențialul energetic total al radiației solare poate fi calculat în tone de combustibil standard, kilowați-oră, gigacalorii. Ținând cont de utilizarea celulelor fotovoltaice în energia solară pentru generarea energiei electrice și a colectoarelor solare pentru generarea de căldură, potențialul tehnic și economic total este împărțit în putere electrică și putere termică în conformitate cu metodologia discutată mai sus (Tabelul 9).

Introducere

Soarele, după cum știți, este sursa primară și principală de energie pentru planeta noastră. Încălzește întregul Pământ, pune râurile în mișcare și dă putere vântului. Sub razele sale cresc 1 cvadrilion de tone de plante, hrănind, la rândul lor, 10 trilioane de tone de animale și bacterii. Datorită aceluiași Soare, pe pământ s-au acumulat rezerve de hidrocarburi, adică petrol, cărbune, turbă etc., pe care acum le ardem activ. Pentru ca omenirea de astăzi să-și poată satisface nevoile de resurse energetice, sunt necesare aproximativ 10 miliarde de tone de combustibil standard pe an. (Puterea calorică a combustibilului de referință este de 7.000 kcal/kg).

Sarcini:

Luați în considerare principiile și fenomenele fizice de bază;

· să formeze cunoștințe și abilități, permițând efectuarea calculului teoretic al parametrilor principali;

Luați în considerare avantajele și dezavantajele utilizării energiei solare

Luați în considerare modalități de a genera electricitate și căldură din radiația solară

energie solara- utilizarea radiației solare pentru a produce energie sub orice formă. Energia solară folosește o sursă de energie regenerabilă și în viitor poate deveni prietenoasă cu mediul, adică nu produce deșeuri dăunătoare.

Radiația solară este o sursă de energie practic inepuizabilă, vine în toate colțurile Pământului, este „la îndemână” pentru orice consumator și este o sursă de energie ecologică și accesibilă.

Utilizarea luminii solare și a căldurii este o modalitate curată, simplă și naturală de a obține toate formele de energie de care avem nevoie. Colectoarele solare pot încălzi casele și clădirile comerciale sau le pot furniza apă caldă. Lumina soarelui concentrată de oglinzi parabolice (reflectoare) este folosită pentru a genera căldură (cu temperaturi de până la câteva mii de grade Celsius). Poate fi folosit pentru încălzire sau pentru generarea de energie electrică. În plus, există o altă modalitate de a produce energie cu ajutorul Soarelui - tehnologia fotovoltaică. Celulele fotovoltaice sunt dispozitive care convertesc radiația solară direct în energie electrică.

ENERGIE SOLARA

Energia Soarelui este sursa vieții pe planeta noastră. Soarele încălzește atmosfera și suprafața pământului. Datorită energiei solare, vânturile bat, ciclul apei se desfășoară în natură, mările și oceanele se încălzesc, plantele se dezvoltă, animalele au hrană. Datorită radiației solare, combustibilii fosili există pe Pământ. Energia solară poate fi transformată în căldură sau rece, forță motrice și electricitate.

Radiatie solara

Radiația solară este radiație electromagnetică, concentrată în principal în intervalul de lungimi de undă de 0,28 ... 3,0 microni. Spectrul solar este format din:

Unde ultraviolete cu lungimea de 0,28 ... 0,38 microni, invizibile pentru ochii noștri și constituind aproximativ 2% din spectrul solar;

Unde luminoase în intervalul 0,38 ... 0,78 microni, constituind aproximativ 49% din spectru;

Unde infraroșii cu o lungime de 0,78 ... 3,0 microni, care reprezintă cea mai mare parte din restul de 49% din spectrul solar. Părțile rămase ale spectrului joacă un rol nesemnificativ în echilibrul termic al Pământului.

Câtă energie solară lovește pământul?

Soarele radiază o cantitate imensă de energie - aproximativ 1,1x10 20 kWh pe secundă. Un kilowatt-oră este cantitatea de energie necesară pentru a funcționa un bec cu incandescență de 100 de wați timp de 10 ore. Atmosfera exterioară a Pământului interceptează aproximativ o milioneme din energia emisă de Soare, sau aproximativ 1500 de cvadrilioane (1,5 x 10 18) kWh anual. Cu toate acestea, datorită reflectării, împrăștierii și absorbției de către gazele și aerosolii atmosferici, doar 47% din toată energia, sau aproximativ 700 de cvadrilioane (7 x 10 17) kWh, ajunge la suprafața Pământului.

Radiația solară din atmosfera Pământului este împărțită în așa-numitele radiații directe și radiații difuze, pe particulele de aer, praf, apă etc. conținute în atmosferă. Suma lor formează radiația solară totală.

Cantitatea de energie care scade pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp depinde de o serie de factori: latitudinea climei locale, anotimpul anului și unghiul de înclinare a suprafeței față de Soare.

timp și loc

Cantitatea de energie solară care cade pe suprafața Pământului se modifică din cauza mișcării Soarelui. Aceste modificări depind de ora din zi și de anotimp. De obicei, mai multă radiație solară lovește Pământul la prânz decât dimineața devreme sau seara târziu. La amiază, Soarele este sus deasupra orizontului, iar lungimea traseului razelor Soarelui prin atmosfera Pământului este redusă. În consecință, mai puțină radiație solară este împrăștiată și absorbită, ceea ce înseamnă că ajunge mai mult la suprafață.

Cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața Pământului diferă de valoarea medie anuală: iarna - mai puțin de 0,8 kWh/m 2 pe zi în nordul Europei și mai mult de 4 kWh/m 2 pe zi vara în aceeași regiune . Diferența scade pe măsură ce te apropii de ecuator.

Cantitatea de energie solară depinde și de locația geografică a amplasamentului: cu cât este mai aproape de ecuator, cu atât este mai mare. De exemplu, radiația solară totală medie anuală incidentă pe o suprafață orizontală este: în Europa Centrală, Asia Centrală și Canada - aproximativ 1000 kWh/m 2 ; în Marea Mediterană - aproximativ 1700 kWh/m 2; în majoritatea regiunilor deșertice din Africa, Orientul Mijlociu și Australia - aproximativ 2200 kWh / m2.

Astfel, cantitatea de radiație solară variază semnificativ în funcție de perioada anului și de locația geografică. Acest factor trebuie luat în considerare la utilizarea energiei solare.

energie solara

Parametrii radiației solare

În primul rând, este necesar să se evalueze posibilitățile de energie potențială ale radiației solare. Aici, puterea sa specifică totală la suprafața Pământului și distribuția acestei puteri pe diferite intervale de radiație sunt de cea mai mare importanță.

Puterea radiației solare

Puterea de radiație a Soarelui, situată la zenit, lângă suprafața Pământului este estimată la aproximativ 1350 W/m2. Un calcul simplu arată că pentru a obține o putere de 10 kW, este necesar să colectați radiația solară dintr-o suprafață de doar 7,5 m2. Dar asta se întâmplă într-o după-amiază senină într-o zonă tropicală înaltă în munți, unde atmosfera este rarefiată și limpede. De îndată ce Soarele începe să se încline spre orizont, calea razelor sale prin atmosferă crește, respectiv, iar pierderile de-a lungul acestei căi cresc. Prezența prafului sau a vaporilor de apă în atmosferă, chiar și în cantități imperceptibile fără dispozitive speciale, reduce și mai mult fluxul de energie. Totuși, chiar și pe banda din mijloc într-o după-amiază de vară, pentru fiecare metru pătrat orientat perpendicular pe razele soarelui, există un flux de energie solară cu o putere de aproximativ 1 kW.

Desigur, chiar și puțină tulbureală reduce drastic energia care ajunge la suprafață, în special în domeniul infraroșu (termic). Cu toate acestea, o parte din energie încă pătrunde prin nori. Pe banda din mijloc, cu înnorărire puternică la prânz, puterea radiației solare care ajunge la suprafața Pământului este estimată la aproximativ 100 W/m2 și doar în cazuri rare, cu înnorări deosebit de dense, poate scădea sub această valoare. Evident, în astfel de condiții, pentru a obține 10 kW, este necesar să se colecteze complet, fără pierderi și reflexii, radiația solară nu de pe 7,5 m2 din suprafața pământului, ci de pe o sută întreagă de metri pătrați (100 m2).

Tabelul prezintă date medii scurte despre energia radiației solare pentru unele orașe din Rusia, ținând cont de condițiile climatice (frecvența și rezistența norilor) pe unitatea de suprafață orizontală. Detalii despre aceste date, date suplimentare pentru orientările panourilor, altele decât orizontale, precum și date pentru alte regiuni ale Rusiei și țările fostei URSS sunt date pe o pagină separată.

Oraș	minim lunar (Decembrie)	maxim lunar (iunie sau iulie)	în total pentru anul
Arhanghelsk	4 MJ / m 2 (1,1 kWh / m 2)	575 MJ/m2 (159,7 kWh/m2)	3,06 GJ/m2(850 kWh/m2)
Astrahan	95,8 MJ / m 2 (26,6 kWh / m 2)	755,6 MJ/m2 (209,9 kWh/m2)	4,94 GJ/m2(1371 kWh/m2)
Vladivostok	208,1 MJ/m2 (57,8 kWh/m2)	518,0 MJ/m2 (143,9 kWh/m2)	4,64 GJ/m2(1289,5 kWh/m2)
Ekaterinburg	46 MJ / m 2 (12,8 kWh / m 2)	615 MJ / m 2 (170,8 kWh / m 2)	3,76 GJ/m2(1045 kWh/m2)
Moscova	42,1 MJ / m 2 (11,7 kWh / m 2)	600,1 MJ/m2 (166,7 kWh/m2)	3,67 GJ/m2(1020,7 kWh/m2)
Novosibirsk		638 MJ / m 2 (177,2 kWh / m 2)	4,00 GJ/m2(1110 kWh/m2)
Omsk	56 MJ / m 2 (15,6 kWh / m 2)	640 MJ/m2 (177,8 kWh/m2)	4,01 GJ/m2(1113 kWh/m2)
Petrozavodsk	8,6 MJ / m 2 (2,4 kWh / m 2)	601,6 MJ / m 2 (167,1 kWh / m 2)	3,10 GJ/m2(860,0 kWh/m2)
Petropavlovsk-Kamchatsky	83,9 MJ / m 2 (23,3 kWh / m 2)	560,9 MJ/m2 (155,8 kWh/m2)	3,95 GJ/m2(1098,4 kWh/m2)
Rostov-pe-Don	80 MJ / m 2 (22,2 kWh / m 2)	678 MJ / m 2 (188,3 kWh / m 2)	4,60 GJ/m2(1278 kWh/m2)
St.Petersburg	8 MJ / m 2 (2,2 kWh / m 2)	578 MJ/m2 (160,6 kWh/m2)	3,02 GJ/m2(840 kWh/m2)
Soci	124,9 MJ/m2 (34,7 kWh/m2)	744,5 MJ/m2 (206,8 kWh/m2)	4,91 GJ/m2(1365,1 kWh/m2)
Iuzhno-Sahalinsk	150,1 MJ/m2 (41,7 kWh/m2)	586,1 MJ/m2 (162,8 kWh/m2)	4,56 GJ/m2(1267,5 kWh/m2)

Un panou fix, așezat la un unghi optim de înclinare, este capabil să absoarbă de 1,2 .. 1,4 ori mai multă energie față de unul orizontal, iar dacă se rotește după Soare, atunci creșterea va fi de 1,4 .. 1,8 ori. Acest lucru se poate observa, defalcat pe luni, pentru panourile fixe orientate spre sud la diferite unghiuri de înclinare și pentru sistemele care urmăresc mișcarea Soarelui. Caracteristicile amplasării panourilor solare sunt discutate mai detaliat mai jos.

Radiația solară directă și difuză

Distingeți radiația solară difuză și cea directă. Pentru a absorbi eficient lumina directă a soarelui, panoul trebuie să fie orientat perpendicular pe fluxul de lumină solară. Pentru percepția radiațiilor împrăștiate, orientarea nu este atât de critică, deoarece vine destul de uniform din aproape întregul cer - așa este iluminată suprafața pământului în zilele înnorate (din acest motiv, pe vreme înnorată, obiectele nu au un umbra clar definită, iar suprafețele verticale, cum ar fi stâlpii și pereții caselor, practic nu aruncă o umbră vizibilă).

Raportul dintre radiațiile directe și împrăștiate depinde în mare măsură de condițiile meteorologice din diferite anotimpuri. De exemplu, la Moscova iarna este tulbure, iar în ianuarie proporția radiațiilor împrăștiate depășește 90% din insolația totală. Dar chiar și în vara Moscovei, radiațiile împrăștiate reprezintă aproape jumătate din toată energia solară care ajunge la suprafața pământului. În același timp, în Baku însorit, atât iarna, cât și vara, ponderea radiațiilor împrăștiate este de la 19 la 23% din insolația totală, iar aproximativ 4/5 din radiația solară, respectiv, este directă. Mai multe detalii despre raportul de insolație dispersată și totală pentru unele orașe sunt oferite pe o pagină separată.

Distribuția energiei în spectrul solar

Spectrul solar este practic continuu într-o gamă de frecvență extrem de largă - de la unde radio de frecvență joasă până la raze X și radiații gamma de frecvență ultra-înaltă. Desigur, este dificil să captezi la fel de eficient astfel de tipuri diferite de radiații (poate că acest lucru se poate face doar teoretic cu ajutorul unui „corp absolut negru ideal”). Dar acest lucru nu este necesar - în primul rând, Soarele însuși radiază cu diferite forțe în diferite intervale de frecvență și, în al doilea rând, nu tot ceea ce a emis Soarele ajunge la suprafața Pământului - anumite părți ale spectrului sunt în mare măsură absorbite de diferite componente ale atmosferei - în principal strat de ozon, vapori de apă și dioxid de carbon.

Prin urmare, este suficient să determinăm acele intervale de frecvență în care se observă cel mai mare flux de energie solară lângă suprafața Pământului și să le folosim. În mod tradițional, radiațiile solare și cosmice sunt separate nu prin frecvență, ci prin lungimea de undă (acest lucru se datorează exponenților prea mari pentru frecvențele acestei radiații, ceea ce este foarte incomod - lumina vizibilă în herți corespunde ordinului al 14-lea). Să ne uităm la dependența distribuției energiei de lungimea de undă pentru radiația solară.

Intervalul de lumină vizibilă este definit ca intervalul de lungimi de undă de la 380 nm (violet intens) la 760 nm (roșu intens). Tot ceea ce are o lungime de undă mai scurtă are o energie fotonică mai mare și este împărțit în intervale de radiații ultraviolete, raze X și gama. În ciuda energiei ridicate a fotonilor, nu există atât de mulți fotoni în aceste intervale, astfel încât contribuția totală de energie a acestei regiuni a spectrului este foarte mică. Tot ceea ce are o lungime de undă mai mare are mai puțină energie fotonică decât lumina vizibilă și este împărțit în domeniul infraroșu (radiația termică) și diverse secțiuni ale domeniului radio. Din grafic se poate observa că în domeniul infraroșu Soarele emite aproape aceeași cantitate de energie ca și în cel vizibil (nivelurile sunt mai mici, dar gama este mai largă), dar în domeniul de frecvență radio energia radiației este foarte mare. mic.

Astfel, din punct de vedere energetic, este suficient să ne limităm la intervalele de frecvență vizibil și infraroșu, precum și la ultravioletul apropiat (undeva până la 300 nm, ultravioletul dur cu lungime de undă mai scurtă este aproape complet absorbit în așa-numitul strat de ozon, care asigură sinteza acestui ozon din oxigenul atmosferic). Iar partea leului din energia solară care ajunge la suprafața Pământului este concentrată în intervalul de lungimi de undă de la 300 la 1800 nm.

Restricții la utilizarea energiei solare

Principalele limitări asociate cu utilizarea energiei solare sunt cauzate de volatilitatea acesteia - instalațiile solare nu funcționează noaptea și sunt ineficiente pe vreme înnorată. Acest lucru este evident pentru aproape toată lumea.

Cu toate acestea, există o altă circumstanță care este deosebit de relevantă pentru latitudinile noastre mai degrabă nordice - acestea sunt diferențe sezoniere în lungimea zilei. Dacă pentru zonele tropicale și ecuatoriale, durata zilei și a nopții depinde slab de perioada anului, atunci deja la latitudinea Moscovei cea mai scurtă zi este de aproape 2,5 ori mai scurtă decât cea mai lungă! Nu vorbesc de regiunile polare... Drept urmare, într-o zi senină de vară, o instalație solară de lângă Moscova poate produce nu mai puțină energie decât la ecuator (soarele este mai jos, dar ziua este mai lungă). Totuși, iarna, când necesarul de energie este deosebit de mare, producția acesteia, dimpotrivă, va scădea de câteva ori. La urma urmei, pe lângă orele scurte de lumină, razele unui soare scăzut de iarnă, chiar și la prânz, trebuie să treacă printr-un strat mult mai gros al atmosferei și, prin urmare, să piardă mult mai multă energie pe parcurs decât vara, când soarele este înalt și razele trec prin atmosferă aproape vertical (expresia „soare rece de iarnă are cel mai direct sens fizic). Totuși, asta nu înseamnă deloc că instalațiile solare pe banda de mijloc și chiar în regiunile mult mai nordice sunt complet inutile - deși sunt de puțin folos iarna, asta în perioada zilelor lungi, cel puțin o jumătate de an între echinocțiul de primăvară și toamnă, sunt destul de eficiente.

Deosebit de interesantă este utilizarea instalațiilor solare pentru a conduce răspândirea tot mai largă a aparatelor de aer condiționat tra-n-nya-y-shchi-sya, dar foarte „lacom”. La urma urmei, cu cât soarele strălucește mai puternic, cu atât mai cald și este nevoie de mai mult aer condiționat. Dar în astfel de condiții, chiar și instalațiile solare sunt capabile să genereze mai multă energie, iar această energie va fi folosită de aparatul de aer condiționat exact „aici și acum”, nu trebuie să fie acumulată și stocată! În plus, nu este deloc necesară convertirea energiei în formă electrică - motoarele termice cu absorbție folosesc căldura direct, ceea ce înseamnă că în locul panourilor fotovoltaice pot fi folosiți colectoarele solare, care sunt cele mai eficiente doar pe vreme caldă senină. Adevărat, cred că aparatele de aer condiționat sunt indispensabile doar în regiunile calde uscate și în climatele tropicale umede, precum și în orașele moderne, indiferent de locația lor. O casă de țară proiectată și construită cu competență, nu numai pe banda de mijloc, ci și în cea mai mare parte a sudului Rusiei, nu are nevoie de un dispozitiv atât de lacom, greoi, zgomotos și capricios.

Din păcate, în condițiile dezvoltării urbane, utilizarea individuală a instalațiilor solare mai mult sau mai puțin puternice cu orice beneficiu practic vizibil este posibilă doar în cazuri rare de o combinație deosebit de fericită de circumstanțe. Cu toate acestea, nu consider un apartament de oraș o locuință cu drepturi depline, deoarece funcționarea sa normală depinde de prea mulți factori care nu sunt disponibili controlului direct al rezidenților din motive pur tehnice și, prin urmare, în cazul eșecului pentru o mai mare măsură. sau mai puțin timp, cel puțin una dintre condițiile sistemelor de susținere a vieții de acolo nu va fi acceptabilă pentru a locui într-un bloc modern de apartamente (mai degrabă, un apartament într-o clădire mare ar trebui considerat ca un fel de cameră de hotel, pe care chiriașii cumpărat în folosință perpetuă sau închiriat de la primărie). Dar în afara orașului, o atenție deosebită acordată energiei solare poate fi mai mult decât justificată chiar și pe un mic teren de 6 acri.

Caracteristicile amplasării panourilor solare

Alegerea orientării optime a panourilor solare este una dintre cele mai importante probleme în utilizarea practică a instalațiilor solare de orice tip. Din păcate, există foarte puțină acoperire a acestui aspect pe diverse site-uri de energie solară, deși neglijarea acestuia poate reduce eficiența panourilor la un nivel inacceptabil.

Cert este că unghiul de incidență al razelor pe suprafață afectează foarte mult coeficientul de reflexie și, în consecință, ponderea energiei solare neacceptate. De exemplu, pentru sticlă, când unghiul de incidență se abate de la perpendiculară pe suprafața sa până la 30°, coeficientul de reflexie practic nu se modifică și se ridică la puțin mai puțin de 5%, adică. mai mult de 95% din radiația incidentă trece spre interior. În plus, creșterea reflexiei devine vizibilă și cu 60° fracțiunea de radiație reflectată se dublează, până la aproape 10%. La un unghi de incidență de 70°, aproximativ 20% din radiație este reflectată, iar la 80°, 40%. Pentru majoritatea celorlalte substanțe, dependența gradului de reflexie de unghiul de incidență este aproximativ aceeași.

Și mai importantă este așa-numita zonă eficientă a panoului, adică. secţiunea transversală a fluxului de radiaţii blocat de acesta. Este egală cu aria reală a panoului înmulțită cu sinusul unghiului dintre planul său și direcția curgerii (sau, echivalent, cu cosinusul unghiului dintre perpendiculara pe panou și direcția curgerii) . Prin urmare, dacă panoul este perpendicular pe flux, aria sa efectivă este egală cu aria sa reală, dacă debitul se abate de la perpendiculară cu 60° - jumătate din suprafața reală și dacă curgerea este paralelă cu panoul, acesta este efectiv. zona este zero. Astfel, o abatere semnificativă a fluxului de la perpendiculară pe panou nu numai că mărește reflexia, dar reduce aria sa efectivă, ceea ce provoacă o scădere foarte vizibilă a ieșirii.

Evident, pentru scopurile noastre, orientarea constantă a panoului perpendicular pe fluxul de lumină solară este cea mai eficientă. Dar acest lucru va necesita schimbarea poziției panoului în două planuri, deoarece poziția Soarelui pe cer depinde nu numai de ora din zi, ci și de anotimp. Deși un astfel de sistem este cu siguranță posibil din punct de vedere tehnic, se dovedește a fi foarte complex și, prin urmare, costisitor și nu foarte fiabil.

Cu toate acestea, rețineți că la unghiuri de incidență de până la 30°, coeficientul de reflexie la limita „aer-sticlă” este minim și practic neschimbat, iar în timpul anului unghiul de răsărire maximă a Soarelui deasupra orizontului se abate de la medie. poziție cu cel mult ±23°. Suprafața efectivă a panoului cu o abatere de la perpendiculară cu 23 ° rămâne, de asemenea, destul de mare - cel puțin 92% din aria sa reală. Prin urmare, se poate concentra pe înălțimea medie anuală a răsăririi maxime a Soarelui și, practic fără pierderi de eficiență, se poate limita la rotație într-un singur plan - în jurul axei polare a Pământului cu o viteză de 1 rotație pe zi. Unghiul de înclinare a axei unei astfel de rotații față de orizontală este egal cu latitudinea geografică a locului. De exemplu, pentru Moscova, situată la o latitudine de 56 °, axa unei astfel de rotații ar trebui să fie înclinată spre nord cu 56 ° față de suprafață (sau, echivalent, deviată de la verticală cu 34 °). O astfel de rotație este deja mult mai ușor de organizat, totuși, un panou mare are nevoie de mult spațiu pentru a se roti liber. În plus, este necesar fie să organizați o conexiune glisantă care să vă permită să deviați toată energia primită de la panoul care se rotește constant, fie să vă limitați la comunicații flexibile cu o conexiune fixă, dar să asigurați întoarcerea automată a panoului înapoi pe timp de noapte. , altfel nu puteți evita răsucirea și întreruperea comunicațiilor de eliminare a energiei. Ambele soluții cresc dramatic complexitatea și reduc fiabilitatea sistemului. Pe măsură ce puterea panourilor (și, prin urmare, dimensiunea și greutatea acestora) crește, problemele tehnice devin exponențial mai complicate.

În legătură cu toate cele de mai sus, aproape întotdeauna panourile instalațiilor solare individuale sunt montate nemișcate, ceea ce asigură ieftinitatea relativă și cea mai mare fiabilitate a instalației. Cu toate acestea, aici alegerea unghiului de amplasare a panoului devine deosebit de importantă. Să luăm în considerare această problemă pe exemplul Moscovei.

Linie portocalie - atunci când urmăriți poziția Soarelui prin rotirea în jurul axei polare (adică paralelă cu axa pământului); albastru - panou orizontal fix; verde - un panou vertical fix, orientat spre sud; roșu - un panou fix înclinat spre sud la un unghi de 40 ° față de orizont.

Să ne uităm la diagramele de izolație pentru diferite unghiuri de instalare a panourilor. Desigur, panoul care se rotește după Soare este în afara competiției (linie portocalie). Cu toate acestea, chiar și în zilele lungi de vară, eficiența acestuia depășește eficiența panourilor staționare orizontale (albastre) și înclinate optim (roșii) cu doar aproximativ 30%. Dar în aceste zile este suficientă căldură și lumină! Insa in perioada cea mai deficitara energetica din octombrie pana in februarie, avantajul panoului rotativ fata de cele fixe este minim si aproape insesizabil. Adevărat, în acest moment, compania panoului înclinat nu este un panou orizontal, ci vertical (linia verde). Și acest lucru nu este surprinzător - razele joase ale soarelui de iarnă alunecă de-a lungul panoului orizontal, dar sunt bine percepute de cel vertical aproape perpendicular pe ele. Prin urmare, în februarie, noiembrie și decembrie, panoul vertical îl depășește chiar și pe cel înclinat în eficiență și aproape că nu diferă de cel rotativ. În martie și octombrie, zilele sunt mai lungi, iar panoul rotativ începe deja să depășească cu încredere (deși nu foarte mult) orice opțiune fixă, dar eficiența panourilor înclinate și verticale este aproape aceeași. Și numai în perioada zilelor lungi din aprilie până în august, panoul orizontal în ceea ce privește energia primită este înaintea celui vertical și se apropie de cel înclinat, iar în iunie îl depășește chiar ușor. Pierderea de vară a panoului vertical este naturală - la urma urmei, să zicem, ziua echinocțiului de vară durează mai mult de 17 ore la Moscova, iar Soarele poate fi în emisfera frontală (de lucru) a panoului vertical pentru cel mult 12 ore. ore, restul de 5 ore impare (aproape o treime din orele de lumină!) sunt în spatele ei. Dacă luăm în considerare că la unghiuri de incidență mai mari de 60°, proporția de lumină reflectată de suprafața panoului începe să crească rapid, iar aria sa efectivă este redusă la jumătate sau mai mult, atunci timpul de absorbție efectivă a radiația solară pentru un astfel de panou nu depășește 8 ore - adică mai puțin de 50% din durata totală a zilei. Așa se explică faptul că performanța panourilor verticale se stabilizează pe toată perioada zilelor lungi - din martie până în septembrie. Și, în sfârșit, ianuarie este puțin depărtat - în această lună, performanța panourilor de toate orientările este aproape aceeași. Cert este că în această lună la Moscova este foarte înnorat și mai mult de 90% din toată energia solară provine din radiații împrăștiate, iar pentru o astfel de radiație, orientarea panoului nu este foarte importantă (principalul este să nu-l trimiți la pamantul). Cu toate acestea, câteva zile însorite, care au loc încă în ianuarie, reduc randamentul panoului orizontal cu 20% față de restul.

Ce unghi de înclinare să alegi? Totul depinde de momentul exact în care aveți nevoie de energie solară. Dacă vrei să-l folosești doar în perioada caldă (să zicem, la țară), atunci ar trebui să alegi așa-numitul unghi „optim” de înclinare, perpendicular pe poziția medie a Soarelui între echinocțiul de primăvară și toamnă. Este cu aproximativ 10° .. 15° mai mică decât latitudinea geografică și pentru Moscova este de 40° .. 45°. Dacă aveți nevoie de energie pe tot parcursul anului, atunci ar trebui să „strângeți” maximul exact în lunile de iarnă cu deficit de energie, ceea ce înseamnă că trebuie să vă concentrați pe poziția medie a Soarelui între echinocțiul de toamnă și de primăvară și să plasați panourile. mai aproape de verticală - 5° .. 15° mai mult decât latitudinea geografică (pentru Moscova va fi 60° .. 70°). Dacă, din motive arhitecturale sau structurale, acest unghi nu poate fi menținut și trebuie făcută o alegere între un unghi de înclinare de 40° sau mai puțin sau o instalare verticală, ar trebui să se prefere o poziție verticală. În același timp, „lipsa” de energie în zilele lungi de vară nu este atât de critică - în această perioadă există multă căldură și lumină naturală, iar nevoia de producere a energiei nu este de obicei la fel de mare ca iarna și în afara sezonului. Desigur, panta panoului ar trebui să fie orientată spre sud, deși o abatere de la această direcție cu 10° .. 15° spre est sau vest se schimbă puțin și, prin urmare, este destul de acceptabilă.

Amplasarea orizontală a panourilor solare în toată Rusia este ineficientă și absolut nejustificată. Pe lângă o scădere prea mare a producției de energie în perioada toamnă-iarnă, praful se acumulează intens pe panourile orizontale, iar zăpada se acumulează și iarna, iar de acolo nu pot fi îndepărtate decât cu ajutorul unei curățări special organizate (de obicei manual). ). Dacă panta panoului depășește 60 °, atunci zăpada nu rămâne pe suprafața sa și, de obicei, se sfărâmă rapid de la sine, iar un strat subțire de praf este bine spălat de ploaie.

Deoarece prețurile la echipamentele solare au scăzut în ultima perioadă, poate fi avantajos să folosiți două cu o capacitate totală mai mare, orientate spre adiacent (sud-est și sud-vest) și chiar opus (est și vest) în locul unui singur câmp de panouri solare orientate către sud.partea lumii. Acest lucru va oferi o putere mai uniformă în zilele însorite și o putere mai mare în zilele înnorate, în timp ce restul echipamentului va rămâne proiectat pentru aceeași putere relativ scăzută și, prin urmare, va fi mai compact și mai ieftin.

Și ultimul. Sticla, a cărei suprafață nu este netedă, dar are un relief deosebit, este capabilă să perceapă mult mai eficient lumina laterală și să o transmită elementelor de lucru ale panoului solar. Cel mai optim este un relief ondulat cu orientarea proeminențelor și a depresiunilor de la nord la sud (pentru panouri verticale - de sus în jos), - un fel de lentilă liniară. Sticla ondulată poate crește puterea panoului fix cu 5% sau mai mult.

Tipuri tradiționale de instalații pentru utilizarea energiei solare

Din când în când apar rapoarte despre construcția unei alte centrale solare (SPP) sau a unei centrale de desalinizare. Peste tot în lume, din Africa până în Scandinavia, se folosesc colectoare solare termice și panouri solare fotovoltaice. Aceste metode de utilizare a energiei solare au fost dezvoltate de mai bine de o duzină de ani, multe site-uri de pe Internet le sunt dedicate. Prin urmare, aici le voi lua în considerare în termeni cei mai generali. Cu toate acestea, un punct cel mai important de pe Internet nu este practic acoperit - aceasta este alegerea parametrilor specifici atunci când se creează un sistem individual de alimentare cu energie solară. Între timp, această întrebare nu este atât de simplă pe cât pare la prima vedere. Un exemplu de selectare a parametrilor pentru un sistem solar este dat pe o pagină separată.

Panouri solare

În general, o „baterie solară” poate fi înțeleasă ca orice set de module identice care percep radiația solară și sunt combinate într-un singur dispozitiv, inclusiv cele pur termice, dar în mod tradițional acest termen a fost atribuit panourilor de convertoare fotovoltaice. Prin urmare, termenul „baterie solară” înseamnă aproape întotdeauna un dispozitiv fotovoltaic care transformă direct radiația solară în curent electric. Această tehnologie a fost dezvoltată în mod activ de la mijlocul secolului al XX-lea. Un stimul uriaș pentru dezvoltarea sa a fost explorarea spațiului cosmic, unde doar sursele de energie nucleară de dimensiuni mici pot concura în prezent cu bateriile solare în ceea ce privește puterea de ieșire și durata de funcționare. În acest timp, eficiența de conversie a celulelor solare a crescut de la unul sau două procente la 17% sau mai mult la modelele relativ ieftine în masă și peste 42% la prototipuri. Durată de viață și fiabilitate crescute semnificativ.

Avantajele panourilor solare

Principalul avantaj al panourilor solare este simplitatea extremă a designului și absența completă a pieselor mobile. Ca urmare a acestui fapt - o greutate specifică mică și nepretenție, combinată cu fiabilitate ridicată, precum și cea mai simplă instalare și cerințe minime de întreținere în timpul funcționării (de obicei, este suficient să îndepărtați murdăria de pe suprafața de lucru pe măsură ce se acumulează). Reprezentând elemente plate de grosime mică, acestea sunt amplasate cu destul de mult succes pe panta acoperișului cu fața la soare sau pe peretele casei, practic fără a necesita spațiu suplimentar pentru ele și construirea de structuri voluminoase separate. Singura condiție este ca nimic să nu le ascundă cât mai mult timp posibil.

Un alt avantaj important este că energia este generată imediat sub formă de electricitate - în cea mai versatilă și convenabilă formă de până acum.

Din păcate, nimic nu durează pentru totdeauna - eficiența convertoarelor fotovoltaice scade pe parcursul duratei de viață. Placile semiconductoare, din care sunt compuse de obicei celulele solare, se degradează și își pierd proprietățile în timp, ca urmare, eficiența deja nu foarte mare a celulelor solare devine și mai mică. Expunerea prelungită la temperaturi ridicate accelerează acest proces. La început, am remarcat acest lucru ca un dezavantaj al bateriilor fotovoltaice, mai ales că celulele fotovoltaice „moarte” nu pot fi restaurate. Cu toate acestea, este puțin probabil ca orice generator electric mecanic să poată demonstra performanțe de cel puțin 1% după doar 10 ani de funcționare continuă - cel mai probabil va necesita reparații serioase mult mai devreme din cauza uzurii mecanice, dacă nu a rulmenților, apoi a periilor. - iar fotoconvertoarele moderne sunt capabile să-și mențină eficiența timp de zeci de ani. Potrivit estimărilor optimiste, peste 25 de ani, eficiența unei baterii solare scade cu doar 10%, ceea ce înseamnă că dacă alți factori nu intervin, atunci și după 100 de ani vor rămâne aproape 2/3 din randamentul inițial. Cu toate acestea, pentru celulele fotovoltaice comerciale în masă bazate pe siliciu policristal și monocristal, producătorii și vânzătorii onești oferă cifre de îmbătrânire ușor diferite - după 20 de ani, ar trebui să se aștepte o pierdere de până la 20% a eficienței (atunci, teoretic, după 40 de ani , randamentul va fi de 2/3 din cel inițial, se va înjumătăți în 60 de ani, iar în 100 de ani va fi puțin mai puțin de 1/3 din productivitatea inițială). În general, durata de viață normală pentru fotoconvertoarele moderne este de cel puțin 25 .. 30 de ani, așa că degradarea nu este atât de critică și este mult mai important să spălați praful de pe ele la timp ...

Dacă bateriile sunt instalate în așa fel încât practic să nu existe praf natural sau să fie spălate în timp util de ploile naturale, atunci pot funcționa fără întreținere timp de mulți ani. Posibilitatea unei operații atât de lungi într-un mod nesupravegheat este un alt avantaj major.

În cele din urmă, panourile solare sunt capabile să genereze energie de la zori până la amurg chiar și pe vreme înnorată, când colectoarele solare termice au o temperatură care diferă doar puțin de temperatura ambiantă. Desigur, în comparație cu o zi senină și însorită, productivitatea lor scade de multe ori, dar măcar ceva este mai bun decât nimic! În acest sens, dezvoltarea bateriilor cu o conversie maximă a energiei în acele intervale în care norii absorb radiația solară mai puțin decât toate prezintă un interes deosebit. În plus, atunci când alegeți fotoconvertitoare solare, trebuie să acordați atenție dependenței tensiunii generate de acestea de iluminare - ar trebui să fie cât mai mică posibil (când scade iluminarea, curentul ar trebui să scadă mai întâi și nu tensiunea, deoarece în caz contrar, pentru a obține măcar un efect util în zilele înnorate, va trebui să utilizați echipamente suplimentare scumpe care măresc forțat tensiunea la minim suficient pentru a încărca bateriile și a opera invertoarele).

Dezavantajele panourilor solare

Desigur, există multe dezavantaje ale panourilor solare. Pe lângă faptul că depinde de vreme și de ora din zi, se pot observa următoarele.

Eficiență scăzută. Același colector solar, cu alegerea corectă a formei și a materialului de suprafață, este capabil să absoarbă aproape toată radiația solară care a căzut pe el în aproape întregul spectru de frecvențe care transportă energie notabilă, de la infraroșu îndepărtat până la ultraviolet. Bateriile solare, pe de altă parte, convertesc energia selectiv - pentru excitația de lucru a atomilor sunt necesare anumite energii fotonice (frecvențe de radiație), prin urmare, în unele benzi de frecvență, conversia este foarte eficientă, în timp ce alte benzi de frecvență sunt inutile pentru ele. . În plus, energia fotonilor captați de aceștia este utilizată cuantic - „surplusul” acestuia, depășind nivelul necesar, merge la încălzirea materialului fotoconvertorului, care este dăunător în acest caz. În multe privințe, acest lucru explică eficiența lor scăzută.
Apropo, alegerea materialului greșit pentru stratul de protecție poate reduce semnificativ eficiența bateriei. Problema este agravată de faptul că sticla obișnuită absoarbe destul de bine partea ultravioletă de înaltă energie a intervalului, iar pentru unele tipuri de fotocelule, acest interval este foarte relevant - energia fotonilor infraroșii este prea mică pentru ei.

Sensibilitate la temperaturi ridicate. Odată cu creșterea temperaturii, eficiența celulelor solare, ca aproape toate celelalte dispozitive semiconductoare, scade. La temperaturi peste 100..125°C, acestea își pot pierde temporar capacitatea de lucru, iar încălzirea și mai multă îi amenință cu daune ireversibile. În plus, temperatura ridicată accelerează degradarea celulelor solare. Prin urmare, este necesar să se ia toate măsurile pentru a reduce încălzirea care este inevitabilă sub lumina directă arzătoare a soarelui. De obicei, producătorii limitează intervalul de temperatură nominală de funcționare a fotocelulelor la +70°...+90°C (adică încălzirea celulelor în sine și temperatura ambiantă, desigur, ar trebui să fie mult mai scăzută).
Situația se complică și mai mult de faptul că suprafața sensibilă a fotocelulelor destul de fragile este adesea acoperită cu sticlă de protecție sau plastic transparent. Dacă între capacul de protecție și suprafața fotocelulei rămâne un strat de aer, se formează un fel de „sară”, care agravează supraîncălzirea. Adevărat, prin creșterea distanței dintre sticla de protecție și suprafața fotocelulei și conectând această cavitate cu atmosfera de sus și de jos, se poate organiza un flux de aer de convecție care răcește în mod natural fotocelulele. Cu toate acestea, în soarele strălucitor și la temperaturi exterioare ridicate, acest lucru poate să nu fie suficient, în plus, această metodă contribuie la prăfuirea accelerată a suprafeței de lucru a fotocelulelor. Prin urmare, o baterie solară, chiar dacă nu este foarte mare, poate necesita un sistem special de răcire. Pentru dreptate, trebuie spus că astfel de sisteme sunt de obicei ușor automatizate, iar antrenarea ventilatorului sau a pompei consumă doar o mică parte din energia generată. În absența soarelui strălucitor, nu este prea multă încălzire și nu este nevoie deloc de răcire, astfel încât energia economisită la conducerea sistemului de răcire poate fi folosită și în alte scopuri. Trebuie remarcat faptul că în panourile moderne fabricate din fabrică, stratul de protecție aderă de obicei strâns la suprafața fotocelulelor și elimină căldura din exterior, dar în modelele de casă, contactul mecanic cu sticla de protecție poate deteriora fotocelula.

Sensibilitate la iluminare neuniformă. De regulă, pentru a obține o tensiune a bateriei mai mult sau mai puțin convenabilă pentru utilizare (12, 24 sau mai mulți volți), fotocelulele sunt conectate în lanțuri în serie. Curentul din fiecare astfel de lanț și, prin urmare, puterea acestuia este determinat de cea mai slabă verigă - o celulă foto cu cele mai proaste caracteristici sau cu cea mai mică iluminare. Prin urmare, dacă cel puțin un element al lanțului este în umbră, acesta reduce semnificativ puterea întregului lanț - pierderile sunt disproporționate cu umbrirea (mai mult, în absența diodelor de protecție, un astfel de element va începe să disipeze puterea). generate de restul elementelor!). O reducere disproporționată a ieșirii poate fi evitată doar prin conectarea tuturor fotocelulelor în paralel, totuși, atunci ieșirea bateriei va avea prea mult curent la o tensiune prea scăzută - de obicei pentru fotocelulele individuale este de doar 0,5 .. 0,7 V, în funcție de acestea. tip și încărcare.

Sensibilitate la poluare. Chiar și un strat subtil de murdărie pe suprafața fotocelulelor sau a sticlei de protecție poate absorbi o cantitate semnificativă de lumină solară și poate reduce semnificativ producția de energie. Într-un oraș cu praf, acest lucru va necesita curățarea frecventă a suprafeței panourilor solare, în special a celor instalate orizontal sau cu o pantă ușoară. Desigur, aceeași procedură este necesară după fiecare ninsoare și după o furtună de praf... Cu toate acestea, departe de orașe, zone industriale, drumuri aglomerate și alte surse puternice de praf la un unghi de înclinare de 45 ° sau mai mult, ploile sunt destul de capabil să spele praful natural de pe suprafața panourilor, „automat” păstrându-le destul de curate. Da, iar zăpada pe o astfel de pantă, în plus, orientată spre sud, chiar și în zilele foarte geroase, de obicei nu zăbovește mult timp. Deci departe de sursele de poluare atmosferică, panourile solare pot funcționa cu succes ani de zile fără nicio întreținere, ar fi soare pe cer!

În cele din urmă, ultimul, dar cel mai important dintre obstacolele în calea distribuției largi și omniprezente a panourilor solare fotovoltaice este prețul lor destul de ridicat. Costul elementelor bateriei solare este în prezent de cel puțin 1 $ / W (1 kW - 1000 $), iar acest lucru este pentru modificări ineficiente fără a lua în considerare costul de asamblare și instalare a panourilor, precum și fără a lua în considerare prețul de baterii, controlere de încărcare și invertoare (convertoare ale curentului continuu de joasă tensiune produs la standard casnic sau industrial). În cele mai multe cazuri, pentru o estimare minimă a costurilor reale, aceste cifre ar trebui înmulțite cu 3-5 ori pentru auto-asamblare din fotocelule individuale și de 6-10 ori pentru achiziționarea de kituri de echipamente gata făcute (plus costul de instalare) .

Bateriile au cea mai scurtă durată de viață dintre toate elementele unui sistem de alimentare cu energie fotovoltaică, dar producătorii de baterii moderne care nu necesită întreținere susțin că, în așa-numitul mod tampon, vor funcționa aproximativ 10 ani (sau vor elabora tradiționalele 1000 de cicluri de încărcare puternică). -descărcare - dacă numărați un ciclu pe an).zi, atunci în acest mod vor dura 3 ani). Remarc că costul bateriilor este de obicei doar 10-20% din costul total al întregului sistem, iar costul invertoarelor și controlerelor de încărcare (ambele sunt produse electronice complexe și, prin urmare, există o oarecare probabilitate de eșec) - chiar și Mai puțin. Astfel, ținând cont de durata lungă de viață și de capacitatea de a lucra o perioadă lungă de timp fără întreținere, fotoconvertoarele pot plăti mai mult de o dată în viață și nu numai în zonele îndepărtate, ci și în zonele populate - dacă tarifele de energie electrică. continuă să crească în ritmul actual!

Colectori solari termici

Denumirea de „colectori solari” a fost atribuită dispozitivelor care utilizează încălzirea directă prin căldură solară, atât simple, cât și stivuibile (modulare). Cel mai simplu exemplu de colector solar termic este un rezervor de apă neagră pe acoperișul dușului de țară menționat mai sus (apropo, eficiența încălzirii apei într-un duș de vară poate fi crescută semnificativ prin construirea unei mini-sere în jurul rezervorului, la cel puțin dintr-o folie de plastic; este de dorit ca între film și pereții rezervorului de sus și pe lateral să existe un spațiu de 4-5 cm).

Cu toate acestea, colecționarii moderni seamănă puțin cu un astfel de rezervor. De obicei, acestea sunt structuri plate formate din tuburi subțiri înnegrite, așezate sub formă de zăbrele sau șarpe. Tuburile pot fi montate pe o foaie de substrat înnegrită, conductoare termic, care captează căldura solară care intră în golurile dintre ele - acest lucru vă permite să reduceți lungimea totală a tuburilor fără a pierde eficiența. Pentru a reduce pierderile de căldură și pentru a crește încălzirea, colectorul poate fi acoperit de sus cu o foaie de sticlă sau policarbonat transparent alveolar, iar pe reversul foii de distribuire a căldurii, pierderea inutilă de căldură este împiedicată printr-un strat de izolație termică - o se obține un fel de „sară”. Apa încălzită sau alt lichid de răcire se deplasează prin tub, care poate fi colectat într-un rezervor de stocare izolat termic. Mișcarea lichidului de răcire are loc sub acțiunea unei pompe sau prin gravitație datorită diferenței de densitate a lichidului de răcire înainte și după colectorul de căldură. În acest din urmă caz, pentru o circulație mai mult sau mai puțin eficientă, este necesară o selecție atentă a pantelor și a secțiunilor de conducte și amplasarea colectorului propriu-zis cât mai jos posibil. Dar, de obicei, colectorul este plasat în aceleași locuri ca și bateria solară - pe un perete însorit sau pe o pantă însorită a acoperișului, deși un rezervor suplimentar trebuie amplasat undeva. Fără un astfel de rezervor, cu disipare intensivă a căldurii (să zicem, dacă trebuie să umpleți o baie sau să faceți un duș), capacitatea colectorului poate să nu fie suficientă și, după o perioadă scurtă de timp, de la robinet va curge apă ușor încălzită.

Sticla de protecție, desigur, reduce oarecum eficiența colectorului, absorbind și reflectând câteva procente din energia solară, chiar dacă razele cad perpendicular. Când razele lovesc sticla la un unghi ușor față de suprafață, coeficientul de reflexie se poate apropia de 100%. Prin urmare, în absența vântului și a necesității doar de o ușoară încălzire în raport cu aerul din jur (cu 5-10 grade, să zicem, pentru udarea unei grădini), structurile „deschise” pot fi mai eficiente decât cele „vitrate”. Dar de îndată ce este necesară o diferență de temperatură de câteva zeci de grade sau dacă se ridică chiar și un vânt nu foarte puternic, pierderea de căldură a structurilor deschise crește rapid, iar sticla de protecție, cu toate deficiențele ei, devine o necesitate.

O notă importantă - trebuie avut în vedere că într-o zi însorită fierbinte, dacă nu există analize, apa se poate supraîncălzi peste punctul de fierbere, prin urmare, trebuie luate măsuri de precauție adecvate în proiectarea colectorului (furnizați o supapă de siguranță ). În colectoarele deschise fără sticlă de protecție, o astfel de supraîncălzire nu poate fi de obicei de temut.

Recent, colectoarele solare bazate pe așa-numitele conducte de căldură (a nu se confunda cu „conductele de căldură” folosite pentru a îndepărta căldura în sistemele de răcire ale computerelor) încep să fie utilizate pe scară largă. Spre deosebire de designul discutat mai sus, aici fiecare tub metalic încălzit, prin care circulă lichidul de răcire, este lipit în interiorul tubului de sticlă, iar aerul este pompat din golul dintre ele. Se dovedește un analog al unui termos, în care, datorită izolației termice în vid, pierderile de căldură sunt reduse de 20 de ori sau mai mult. Drept urmare, conform producătorilor, atunci când înghețul este de -35°C în afara sticlei, apa din tubul metalic interior cu un strat special care absoarbe cel mai larg spectru posibil de radiație solară se încălzește până la +50..+70. °C (diferență de peste 100°C) .Absorbția eficientă combinată cu o izolație termică excelentă fac posibilă încălzirea lichidului de răcire chiar și pe vreme înnorată, deși puterea de încălzire, desigur, este de multe ori mai mică decât în ​​lumina puternică a soarelui. Punctul cheie aici este de a asigura păstrarea vidului în golul dintre tuburi, adică etanșeitatea la vid a joncțiunii de sticlă și metal, într-un interval de temperatură foarte larg, ajungând la 150 ° C, pe toată durata de viață. de multi ani. Din acest motiv, la fabricarea unor astfel de colectoare, nu se poate face fără coordonarea atentă a coeficienților de dilatare termică ai sticlei și metalului și a proceselor de producție de înaltă tehnologie, ceea ce înseamnă că este puțin probabil să se poată realiza o conductă de căldură cu vid complet. în condiţii artizanale. Dar modelele mai simple de colecționare sunt realizate independent, fără probleme, deși, desigur, eficiența lor este ceva mai mică, mai ales iarna.

Pe lângă colectoarele solare lichide descrise mai sus, există și alte tipuri interesante de structuri: aer (lichidul de răcire este aer și nu se teme de îngheț), „bazine solare”, etc. Din păcate, majoritatea cercetării și dezvoltării pe colectoare solare este dedicat în mod special modelelor lichide, prin urmare speciile alternative practic nu sunt produse în masă și nu există atât de multe informații despre ele.

Avantajele colectoarelor solare

Cel mai important avantaj al colectoarelor solare este simplitatea și relativ ieftinitatea fabricării opțiunilor lor destul de eficiente, combinate cu nepretenția în funcționare. Minimumul necesar pentru a face un colector cu propriile mâini este câțiva metri dintr-o țeavă subțire (de preferință o țeavă de cupru cu pereți subțiri - poate fi îndoită cu o rază minimă) și puțină vopsea neagră, cel puțin lac bituminos. Îndoim tubul cu un șarpe, îl vopsim cu vopsea neagră, îl așezăm într-un loc însorit, îl conectăm la conducta de apă, iar acum cel mai simplu colector solar este gata! În același timp, bobina poate primi cu ușurință aproape orice configurație și profită la maximum de tot spațiul alocat colectorului. Cea mai eficientă înnegrire care poate fi aplicată acasă și care este, de asemenea, foarte rezistentă la temperaturi ridicate și la lumina directă a soarelui, este un strat subțire de funingine. Cu toate acestea, funinginea este ușor de șters și spălat, prin urmare, pentru o astfel de înnegrire, va fi necesară o sticlă de protecție și măsuri speciale pentru a preveni posibila pătrundere a condensului pe suprafața acoperită cu funingine.

Un alt avantaj important al colectoarelor este că, spre deosebire de panourile solare, acestea sunt capabile să capteze și să transforme în căldură până la 90% din radiația solară care a căzut asupra lor, iar în cazurile cele mai de succes, chiar mai mult. Prin urmare, nu numai pe vreme senină, ci și în condiții de înnorărire ușoare, eficiența colectoarelor depășește eficiența bateriilor fotovoltaice. În cele din urmă, spre deosebire de bateriile fotovoltaice, iluminarea neuniformă a suprafeței nu provoacă o scădere disproporționată a eficienței colectorului - doar fluxul total (integral) de radiație este important.

Dezavantajele colectoarelor solare

Dar colectoarele solare sunt mai sensibile la vreme decât panourile solare. Chiar și în lumina puternică a soarelui, vântul proaspăt poate reduce de mai multe ori eficiența de încălzire a unui schimbător de căldură deschis. Sticla de protecție, desigur, reduce drastic pierderile de căldură de la vânt, dar în cazul norilor denși, este și neputincioasă. Pe vreme înnorată cu vânt, practic nu are sens din partea colectorului, iar bateria solară produce cel puțin puțină energie.

Printre alte neajunsuri ale colectoarelor solare, voi evidentia in primul rand caracterul sezonier al acestora. Înghețurile scurte de primăvară sau de toamnă sunt suficiente pentru ca gheața formată în conductele de încălzire să creeze pericolul ruperii acestora. Desigur, acest lucru poate fi eliminat prin încălzirea „serei” cu o bobină cu o sursă de căldură terță parte în nopțile reci, cu toate acestea, în acest caz, eficiența energetică generală a colectorului poate deveni cu ușurință negativă! O altă opțiune - un colector cu dublu circuit cu antigel în circuitul extern - nu va necesita consum de energie pentru încălzire, dar va fi mult mai complicată decât opțiunile cu un singur circuit cu încălzire directă a apei, atât în ​​fabricație, cât și în timpul funcționării. Structurile de aer, în principiu, nu pot îngheța, dar există o altă problemă - căldura specifică scăzută a aerului.

Și totuși, poate, principalul dezavantaj al colectorului solar este că este tocmai un dispozitiv de încălzire și, deși mostrele fabricate industrial, în absența analizei de căldură, pot încălzi lichidul de răcire până la 190..200 ° C, temperatura de obicei atins depăşeşte rar 60..80 °C. Prin urmare, este foarte dificil să folosiți căldura extrasă pentru a obține cantități semnificative de lucru mecanic sau energie electrică. La urma urmei, chiar și pentru funcționarea turbinei cu abur și apă cu cea mai joasă temperatură (de exemplu, cea descrisă cândva de V.A. Zysin), este necesar să supraîncălziți apa la cel puțin 110 ° C! Dar, direct sub formă de căldură, energia, după cum știți, nu este stocată pentru o lungă perioadă de timp și chiar și la o temperatură mai mică de 100 ° C, poate fi folosită de obicei numai pentru alimentarea cu apă caldă și încălzirea locuinței. Cu toate acestea, având în vedere costul scăzut și ușurința de fabricare, acesta poate fi un motiv suficient de bun pentru a vă achiziționa propriul colector solar.

În mod corect, trebuie remarcat faptul că ciclul de funcționare „normal” al unui motor termic poate fi organizat și la temperaturi sub 100 ° C - fie dacă punctul de fierbere este scăzut prin reducerea presiunii în partea evaporatorului prin pomparea aburului de acolo. , sau prin utilizarea unui lichid al cărui punct de fierbere se află între temperatura de încălzire a colectorului solar și temperatura ambiantă (optim - 50..60°С). Adevărat, îmi amintesc doar un lichid non-exotic și relativ sigur care îndeplinește mai mult sau mai puțin aceste condiții - acesta este alcoolul etilic, care fierbe la 78 ° C în condiții normale. Evident, în acest caz, cu siguranță va trebui să organizați un ciclu închis, rezolvând multe probleme conexe. În unele situații, poate fi promițător să folosiți motoare cu încălzire externă (motoare Stirling). În acest sens, utilizarea aliajelor cu efect de memorie a formei, care este descrisă pe acest site în articolul lui I.V.

Concentrația energiei solare

Creșterea eficienței colectorului solar constă în primul rând într-o creștere constantă a temperaturii apei încălzite peste punctul de fierbere. Pentru a face acest lucru, se folosește de obicei concentrația energiei solare pe colector folosind oglinzi. Acest principiu stă la baza majorității centralelor solare, diferențele sunt doar în numărul, configurația și amplasarea oglinzilor și a colectorului, precum și în metodele de control al oglinzilor. Drept urmare, în punctul de focalizare, este foarte posibil să se atingă o temperatură de nici măcar sute, ci mii de grade - la această temperatură, poate avea loc deja descompunerea termică directă a apei în hidrogen și oxigen (hidrogenul rezultat poate fi ars). noaptea și în zilele înnorate)!

Din păcate, funcționarea eficientă a unei astfel de instalații este imposibilă fără un sistem complex de control pentru oglinzile concentratoare, care trebuie să urmărească poziția în continuă schimbare a Soarelui pe cer. În caz contrar, după câteva minute, punctul de focalizare va părăsi colectorul, care în astfel de sisteme are adesea dimensiuni foarte mici, iar încălzirea fluidului de lucru se va opri. Chiar și utilizarea oglinzilor paraboloide rezolvă problema doar parțial - dacă acestea nu sunt întoarse periodic după Soare, atunci în câteva ore nu va mai cădea în vasul lor sau îi va lumina doar marginea - nu va mai avea sens din asta.

Cel mai simplu mod de a concentra energia solară în condiții de „acasă” este să plasezi o oglindă pe orizontală lângă colector, astfel încât „raza de soare” să cadă în cea mai mare parte a zilei pe colector. O opțiune interesantă este să folosiți suprafața unui rezervor special creat în apropierea casei ca o astfel de oglindă, mai ales dacă nu este un rezervor obișnuit, ci un „iaz solar” (deși acest lucru nu este ușor de făcut, iar eficiența reflectării va să fie mult mai mică decât cea a unei oglinzi convenționale). Un rezultat bun poate fi obținut prin crearea unui sistem de butuci de oglindă verticale (această întreprindere este de obicei mult mai supărătoare, dar în unele cazuri poate fi destul de justificat să instalați pur și simplu o oglindă mare pe un perete adiacent dacă formează un unghi intern cu colector - totul depinde de configurația și locația clădirii și a colectorului).

Redirecționarea radiației solare folosind oglinzi poate crește, de asemenea, puterea unei rețele fotovoltaice. Dar, în același timp, încălzirea acestuia crește și poate dezactiva bateria. Prin urmare, în acest caz, trebuie să te limitezi la un câștig relativ mic (cu câteva zeci de procente, dar nu uneori), și trebuie să controlezi cu atenție temperatura bateriei, mai ales în zilele calde și senine! Tocmai din cauza pericolului de supraîncălzire unii producători de baterii fotovoltaice interzic în mod expres funcționarea produselor lor cu iluminare sporită creată cu ajutorul unor reflectoare suplimentare.

Transformarea energiei solare în energie mecanică

Tipurile tradiționale de instalații solare nu presupun obținerea directă a lucrărilor mecanice. Pentru a face acest lucru, un motor electric trebuie conectat la o baterie solară pe fotoconvertoare, iar atunci când se utilizează un colector solar termic, abur supraîncălzit (și este puțin probabil să se poată face fără concentratoare de oglindă pentru supraîncălzire) trebuie alimentat la admisia unei turbine cu abur sau la cilindrii unui motor cu abur. Colectivele cu căldură relativ mică pot converti căldura în mișcare mecanică în moduri mai exotice, cum ar fi actuatoarele din aliaj cu memorie de formă.

Există însă instalații care presupun conversia căldurii solare în lucru mecanic, direct încorporate în proiectarea acestora. Mai mult, dimensiunile și puterea lor sunt foarte diferite - acesta este proiectul unui turn solar imens de sute de metri înălțime și o pompă solară modestă, care este locul pentru o cabană de vară.

Soarele este o sursă de energie inepuizabilă, sigură pentru mediu și ieftină. Potrivit experților, cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața Pământului în decurs de o săptămână depășește energia tuturor rezervelor mondiale de petrol, gaze, cărbune și uraniu 1 . Potrivit academicianului Zh.I. Alferov, „omenirea are un reactor termonuclear natural de încredere - Soarele. Este o stea din clasa Zh-2, foarte medie, din care sunt până la 150 de miliarde în Galaxie. Dar aceasta este steaua noastră și trimite puteri uriașe pe Pământ, a căror transformare ne permite să satisfacem aproape orice cerere de energie a omenirii timp de multe sute de ani.” Mai mult, energia solară este „curată” și nu are un impact negativ asupra ecologiei planetei 2 .

Un punct important este faptul că materia primă pentru fabricarea celulelor solare este unul dintre cele mai comune elemente - siliciul. În scoarța terestră, siliciul este al doilea element după oxigen (29,5% din masă) 3 . Potrivit multor oameni de știință, siliciul este „uleiul secolului XXI”: timp de 30 de ani, un kilogram de siliciu dintr-o centrală fotovoltaică generează atâta energie electrică cât 75 de tone de petrol într-o centrală termică.

Cu toate acestea, unii experți consideră că energia solară nu poate fi numită ecologică din cauza faptului că producția de siliciu pur pentru fotovoltaice este o producție foarte „murdară” și foarte consumatoare de energie. Odată cu aceasta, construcția de centrale solare necesită alocarea unor terenuri vaste, comparabile ca suprafață cu rezervoarele hidroelectrice. Un alt dezavantaj al energiei solare, conform experților, este volatilitatea ridicată. Asigurarea funcționării eficiente a sistemului energetic, ale cărui elemente sunt centrale solare, este posibilă cu condiția:
- prezența unor capacități de rezervă semnificative folosind purtători de energie tradiționali care pot fi conectați noaptea sau în zilele înnorate;
- realizarea unei modernizări la scară largă și costisitoare a rețelelor electrice 4 .

În ciuda acestui neajuns, energia solară își continuă dezvoltarea în lume. În primul rând, având în vedere faptul că energia radiantă va deveni mai ieftină și în câțiva ani va fi un concurent semnificativ pentru petrol și gaze.

În momentul de față în lume există instalatii fotovoltaice, conversia energiei solare în energie electrică pe baza metodei de conversie directă și instalatii termodinamice, în care energia solară este mai întâi transformată în căldură, apoi în ciclul termodinamic al unui motor termic este transformată în energie mecanică, iar în generator este transformată în energie electrică.

Celulele solare ca sursă de energie pot fi folosite:
- în industrie (industria aviatică, industria auto etc.),
- în agricultură,
- în sectorul casnic,
- în industria construcțiilor (de exemplu, case ecologice),
- la centralele solare,
- în sisteme de supraveghere video autonome,
- în sisteme de iluminat autonome,
- în industria spațială.

Potrivit Institutului de Strategie Energetică, potențialul teoretic al energiei solare în Rusia este de peste 2.300 de miliarde de tone de combustibil standard, potențialul economic este de 12,5 milioane de tone echivalent combustibil. Potențialul energiei solare de intrare pe teritoriul Rusiei timp de trei zile depășește energia întregii producții anuale de energie electrică din țara noastră.
Datorită locației Rusiei (între 41 și 82 de grade latitudine nordică), nivelul radiației solare variază semnificativ: de la 810 kWh/m 2 pe an în regiunile nordice îndepărtate până la 1400 kWh/m 2 pe an în regiunile sudice. Fluctuațiile sezoniere mari influențează și nivelul radiației solare: la o lățime de 55 de grade, radiația solară în ianuarie este de 1,69 kWh/m2, iar în iulie - 11,41 kWh/m2 pe zi.

Potențialul energiei solare este cel mai mare în sud-vest (Nordul Caucazului, regiunea Mării Negre și Caspice) și în Siberia de Sud și Orientul Îndepărtat.

Cele mai promițătoare regiuni în ceea ce privește utilizarea energiei solare: Kalmykia, Teritoriul Stavropol, Regiunea Rostov, Teritoriul Krasnodar, Regiunea Volgograd, Regiunea Astrakhan și alte regiuni din sud-vest, Altai, Primorye, Regiunea Chita, Buriația și alte regiuni din sud-est . Mai mult, unele zone din Vestul și Estul Siberiei și Orientul Îndepărtat depășesc nivelul radiației solare din regiunile sudice. Deci, de exemplu, în Irkutsk (52 de grade latitudine nordică) nivelul radiației solare ajunge la 1340 kWh/m2, în timp ce în Republica Yakutia-Sakha (62 de grade latitudine nordică) această cifră este de 1290 kWh/m2. 5

În prezent, Rusia are tehnologii avansate pentru transformarea energiei solare în energie electrică. Există o serie de întreprinderi și organizații care au dezvoltat și îmbunătățesc tehnologia convertoarelor fotoelectrice: atât pe siliciu, cât și pe structuri multijoncțiuni. Există o serie de evoluții în utilizarea sistemelor de concentrare pentru centralele solare.

Cadrul legislativ pentru sprijinirea dezvoltării energiei solare în Rusia este la început. Cu toate acestea, primii pași au fost deja făcuți:
- 3 iulie 2008: Hotărârea Guvernului nr. 426 „Cu privire la calificarea unei instalaţii de producere care funcţionează pe baza utilizării surselor regenerabile de energie”;
- 8 ianuarie 2009: Decretul Guvernului Federației Ruse N 1-r „Cu privire la principalele direcții ale politicii de stat în sfera creșterii eficienței energetice a industriei de energie electrică pe baza utilizării surselor de energie regenerabilă pentru perioada în sus până în 2020"

Au fost aprobate ținte de creștere până în 2015 și 2020 a ponderii SRE în nivelul global al balanței energetice a Rusiei la 2,5%, respectiv 4,5% 6 .

Potrivit diferitelor estimări, în prezent, în Rusia, cantitatea totală de capacitate de generare solară pusă în funcțiune nu depășește 5 MW, dintre care cea mai mare parte revine gospodăriilor. Cea mai mare instalație industrială din industria solară rusă este o centrală solară de 100 kW pusă în funcțiune în regiunea Belgorod în 2010 (pentru comparație, cea mai mare centrală solară din lume este situată în Canada, cu o capacitate de 80.000 kW).

În prezent, în Rusia sunt implementate două proiecte: construcția de parcuri solare în teritoriul Stavropol (capacitate - 12 MW) și în Republica Daghestan (10 MW) 7 . În ciuda lipsei de sprijin pentru energia regenerabilă, o serie de companii implementează mici proiecte în domeniul energiei solare. De exemplu, Sakhaenergo a instalat o stație mică în Yakutia cu o capacitate de 10 kW.

La Moscova există mici instalații: în Leontievsky Lane și pe Michurinsky Prospekt, intrările și curțile mai multor case sunt iluminate cu ajutorul modulelor solare, ceea ce a redus costurile de iluminare cu 25%. Pe strada Timiryazevskaya, pe acoperișul uneia dintre stațiile de autobuz sunt instalate panouri solare, care asigură un sistem de transport de referință și informații și Wi-Fi.

Dezvoltarea energiei solare în Rusia se datorează mai multor factori:

1) condiții climatice: acest factor afectează nu numai anul de atingere a parității rețelei, ci și alegerea tehnologiei de instalare solară care este cea mai potrivită pentru o anumită regiune;

2)sprijin guvernamental: prezența stimulentelor economice stabilite legal pentru energia solară este esențială pentru
dezvoltarea acestuia. Printre tipurile de sprijin de stat care sunt utilizate cu succes într-un număr de țări europene și în Statele Unite, se pot distinge: un tarif de alimentare pentru centralele solare, subvenții pentru construcția de centrale solare, diverse opțiuni pentru stimulente fiscale, compensarea unei părți din costurile de deservire a creditelor pentru achiziționarea de instalații solare;

3)costul SFEU (instalații solare fotovoltaice): Astăzi, centralele solare sunt una dintre cele mai scumpe tehnologii de generare a energiei electrice utilizate. Cu toate acestea, pe măsură ce costul a 1 kWh de energie electrică generată scade, energia solară devine competitivă. Cererea de SPPM depinde de scăderea costului de 1W a capacității instalate a SPPM (~3.000 USD în 2010). Reducerea costurilor se realizează prin creșterea eficienței, reducerea costurilor tehnologice și reducerea profitabilității producției (impactul concurenței). Potențialul de reducere a costului de 1 kW de putere depinde de tehnologie și variază de la 5% la 15% pe an;

4) standarde de mediu: piața energiei solare poate fi afectată pozitiv de înăsprirea reglementărilor de mediu (restricții și amenzi) din cauza unei eventuale revizuiri a Protocolului de la Kyoto. Îmbunătățirea mecanismelor de vânzare a certificatelor de emisii poate oferi un nou impuls economic pentru piața SFE;

5) echilibrul cererii și ofertei de energie electrică: implementarea planurilor ambițioase existente pentru construcția și reconstrucția rețelei de generare și electricitate
capacitatea companiilor desprinse din RAO „UES din Rusia” în cursul reformei industriei, va crește semnificativ furnizarea de energie electrică și poate crește presiunea asupra prețului
pe piata angro. Totuși, retragerea vechii capacități și creșterea simultană a cererii vor atrage după sine o creștere a prețului;

6)prezența problemelor cu conexiunea tehnologică:întârzierile în îndeplinirea cererilor de conectare tehnologică la sistemul centralizat de alimentare cu energie electrică reprezintă un stimulent pentru trecerea la surse alternative de energie, inclusiv SFEU. Astfel de întârzieri sunt determinate atât de o lipsă obiectivă de capacitate, cât și de ineficiența organizării racordării tehnologice de către companiile de rețea sau de lipsa finanțării racordării tehnologice din tarif;

7) inițiative ale guvernului local: guvernele regionale și municipale pot implementa propriile programe pentru dezvoltarea energiei solare sau, mai general, a surselor de energie regenerabile/netradiționale. Astăzi, astfel de programe sunt deja implementate în teritoriile Krasnoyarsk și Krasnodar, Republica Buriația etc.;

8) dezvoltarea productiei proprii: Producția rusă de SFEU poate avea un impact pozitiv asupra dezvoltării consumului rusesc de energie solară. În primul rând, datorită producției proprii, conștientizarea generală a populației cu privire la disponibilitatea tehnologiilor solare și popularitatea acestora este în creștere. În al doilea rând, costul SFEU pentru utilizatorii finali este redus prin reducerea verigilor intermediare ale lanțului de distribuție și prin reducerea componentei de transport 8 .

6 http://www.ng.ru/energy/2011-10-11/9_sun_energy.html
7 Organizatorul este Hevel LLC, ai cărui fondatori sunt Grupul de Companii Renova (51%) și Corporația de Stat Corporația Rusă de Nanotehnologii (49%).

Soarele radiază o cantitate imensă de energie - aproximativ 1,1x1020 kWh pe secundă. Un kilowatt-oră este cantitatea de energie necesară pentru a funcționa un bec cu incandescență de 100 de wați timp de 10 ore. Atmosfera exterioară a Pământului interceptează aproximativ o milioneme din energia emisă de Soare, sau aproximativ 1500 de cvadrilioane (1,5 x 1018) kWh anual. Cu toate acestea, datorită reflectării, împrăștierii și absorbției de către gazele și aerosolii atmosferici, doar 47% din toată energia, sau aproximativ 700 de cvadrilioane (7 x 1017) kWh, ajunge la suprafața Pământului.

Radiația solară din atmosfera Pământului este împărțită în așa-numitele radiații directe și împrăștiată de particulele de aer, praf, apă etc. conținute în atmosferă. Suma lor formează radiația solară totală. Cantitatea de energie care scade pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp depinde de o serie de factori:

• latitudine
• sezonul climatic local al anului
• unghiul de înclinare al suprafeței față de soare.

Ora și locația geografică

Cantitatea de energie solară care cade pe suprafața Pământului se modifică din cauza mișcării Soarelui. Aceste modificări depind de ora din zi și de anotimp. De obicei, mai multă radiație solară lovește Pământul la prânz decât dimineața devreme sau seara târziu. La amiază, Soarele este sus deasupra orizontului, iar lungimea traseului razelor Soarelui prin atmosfera Pământului este redusă. În consecință, mai puțină radiație solară este împrăștiată și absorbită, ceea ce înseamnă că ajunge mai mult la suprafață.

Cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața Pământului diferă de valoarea medie anuală: iarna - mai puțin de 0,8 kWh/m2 pe zi în nordul Europei și mai mult de 4 kWh/m2 pe zi vara în aceeași regiune. Diferența scade pe măsură ce te apropii de ecuator.

Cantitatea de energie solară depinde și de locația geografică a amplasamentului: cu cât este mai aproape de ecuator, cu atât este mai mare. De exemplu, radiația solară totală medie anuală incidentă pe o suprafață orizontală este: în Europa Centrală, Asia Centrală și Canada - aproximativ 1000 kWh/m2; în Marea Mediterană - aproximativ 1700 kWh/m2; în majoritatea regiunilor deșertice din Africa, Orientul Mijlociu și Australia, aproximativ 2200 kWh/m2.

Astfel, cantitatea de radiație solară variază semnificativ în funcție de perioada anului și de locația geografică (vezi tabel). Acest factor trebuie luat în considerare la utilizarea energiei solare.

	Europa de Sud	Europa Centrală	Europa de Nord	Regiunea Caraibe
ianuarie	2,6	1,7	0,8	5,1
februarie	3,9	3,2	1,5	5,6
Martie	4,6	3,6	2,6	6,0
Aprilie	5,9	4,7	3,4	6,2
Mai	6,3	5,3	4,2	6,1
iunie	6,9	5,9	5,0	5,9
iulie	7,5	6,0	4,4	6,0
August	6,6	5,3	4,0	6,1
Septembrie	5,5	4,4	3,3	5,7
octombrie	4,5	3,3	2,1	5,3
noiembrie	3,0	2,1	1,2	5,1
decembrie	2,7	1,7	0,8	4,8
AN	5,0	3,9	2,8	5,7

Influența norilor asupra energiei solare

Cantitatea de radiație solară care ajunge la suprafața Pământului depinde de diferite fenomene atmosferice și de poziția Soarelui atât în ​​timpul zilei, cât și pe tot parcursul anului. Norii sunt principalul fenomen atmosferic care determină cantitatea de radiație solară care ajunge la suprafața Pământului. În orice punct al Pământului, radiația solară care ajunge la suprafața Pământului scade odată cu creșterea acoperirii norilor. În consecință, țările cu vreme predominant înnorată primesc mai puțină radiație solară decât deșerturile, unde vremea este în cea mai mare parte senină.

Formarea norilor este influențată de prezența unor caracteristici locale precum munții, mările și oceanele, precum și lacurile mari. Prin urmare, cantitatea de radiație solară primită în aceste zone și regiunile adiacente acestora poate diferi. De exemplu, munții pot primi mai puțină radiație solară decât poalele și câmpiile adiacente. Vânturile care bat spre munți fac ca o parte din aer să se ridice și, răcind umiditatea din aer, formează nori. Cantitatea de radiație solară în zonele de coastă poate diferi, de asemenea, de cele înregistrate în zonele situate în interior.

Cantitatea de energie solară primită în timpul zilei depinde în mare măsură de fenomenele atmosferice locale. La amiază cu cer senin, solar total

radiatia care cade pe o suprafata orizontala poate atinge (de exemplu, in Europa Centrala) o valoare de 1000 W/m2 (in conditii meteorologice foarte favorabile aceasta cifra poate fi mai mare), in timp ce pe vreme foarte innorata este sub 100 W/m2 chiar si la amiază.

Efectele poluării atmosferice asupra energiei solare

Fenomenele antropice și naturale pot limita, de asemenea, cantitatea de radiație solară care ajunge la suprafața Pământului. Smogul urban, fumul de la incendiile forestiere și cenușa vulcanică în aer reduc utilizarea energiei solare prin creșterea dispersiei și absorbției radiației solare. Adică, acești factori au o influență mai mare asupra radiației solare directe decât asupra totală. Cu poluarea severă a aerului, de exemplu, cu smog, radiația directă este redusă cu 40%, iar totalul - doar cu 15-25%. O erupție vulcanică puternică poate reduce, și pe o suprafață mare a suprafeței Pământului, radiația solară directă cu 20% și total - cu 10% pentru o perioadă de la 6 luni la 2 ani. Odată cu scăderea cantității de cenușă vulcanică din atmosferă, efectul slăbește, dar procesul de recuperare completă poate dura câțiva ani.

Potențialul energiei solare

Soarele ne oferă de 10.000 de ori mai multă energie gratuită decât este folosită de fapt în întreaga lume. Numai piața comercială globală cumpără și vinde puțin sub 85 de trilioane (8,5 x 1013) kWh de energie pe an. Deoarece este imposibil de urmărit întregul proces, nu este posibil să spunem cu certitudine câtă energie necomercială consumă oamenii (de exemplu, cât lemn și îngrășământ sunt colectate și arse, câtă apă este folosită pentru a produce produse mecanice sau electrice). energie). Unii experți estimează că o astfel de energie necomercială reprezintă o cincime din toată energia utilizată. Dar chiar dacă acest lucru este adevărat, atunci energia totală consumată de omenire în timpul anului este doar aproximativ o șapte miimi din energia solară care lovește suprafața Pământului în aceeași perioadă.

În țările dezvoltate, precum SUA, consumul de energie este de aproximativ 25 trilioane (2,5 x 1013) kWh pe an, ceea ce corespunde la mai mult de 260 kWh de persoană pe zi. Acesta este echivalentul a folosi zilnic peste 100 de becuri cu incandescență de 100 W pentru o zi întreagă. Un cetățean american consumă de 33 de ori mai multă energie decât un indian, de 13 ori mai mult decât un chinez, de două ori și jumătate mai mult decât un japonez și de două ori mai mult decât un suedez.

Cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața Pământului este de multe ori mai mare decât consumul acesteia, chiar și în țări precum Statele Unite, unde consumul de energie este uriaș. Dacă doar 1% din teritoriul țării ar fi folosit pentru instalarea de echipamente solare (panouri fotovoltaice sau sisteme solare de apă caldă) care funcționează la o eficiență de 10%, atunci SUA ar fi alimentate integral cu energie. Același lucru se poate spune despre toate celelalte țări dezvoltate. Cu toate acestea, într-un anumit sens, acest lucru este nerealist - în primul rând, din cauza costului ridicat al sistemelor fotovoltaice și, în al doilea rând, este imposibil să acoperiți suprafețe atât de mari cu echipamente solare fără a afecta ecosistemul. Dar principiul în sine este corect.

Este posibilă acoperirea aceleiași suprafețe prin dispersarea instalațiilor pe acoperișurile clădirilor, pe case, pe marginea drumurilor, pe terenuri prestabilite etc. În plus, în multe țări deja mai mult de 1% din teren este alocat pentru extracția, conversia, producerea și transportul energiei. Și, deoarece cea mai mare parte a acestei energii este neregenerabilă la scara existenței umane, acest tip de producție de energie este mult mai dăunătoare mediului decât sistemele solare.