«Стандартное солнце» (пиковая мощность излучения, которая достигает поверхности Земли на уровне моря в районе экватора в безоблачный полдень): 1000 Вт/м 2 , или 1 кВт/м 2 .

Это значение обычно используется в характеристиках фотоэлектрических систем. Здесь и далее все цифры приведены для поверхностей, оптимально расположенных относительно солнца (перпендикулярно лучам) в соответствии с широтой. Для горизонтальных поверхностей вы получите меньше солнечного света: чем дальше от экватора, тем ниже плотность солнечной энергии.

Инсоляция (среднее количество часов «стандартного солнца» на протяжении суток): от 4-5 солнечных часов на северо-востоке США до 5-7 часов на юго-западе. Инсоляция часто указывается в кВт·ч, численно вытекая из значения «стандартного солнца» в 1 кВт.

Общее количество излучаемой энергии солнечного света в день на м 2 на уровне моря: (энергия за день) = 1 кВт·ч × (инсоляция в часах). Учитывая среднюю инсоляцию в США, равную 5 солнечным часам, это значение обычно равно 5 кВт·ч/м 2 .

Солнечная мощность , усредненная за весь день: Watts averag = (энергия за день)/24. Для инсоляции в 5 кВт·ч мощность, усредненная за весь день - 5000 Вт/24 = 208 Вт/м 2 . Обратите внимание, что только небольшая часть этой энергии может быть преобразована в электричество из-за не очень высокой эффективности фотоэлектрических систем.

Типовые характеристики фотоэлектрических систем

Средний КПД распространенных коммерческих солнечных панелей: на кристаллическом кремнии (CSI) - 12-17%; тонкопленочных (из аморфного кремния и других материалов) - 8-12%.

Мощность , генерируемая панелью в один квадратный метр: PVwatts = (солнечная мощность) × (средний КПД), где КПД преобразуется в десятичное число.

Пиковая мощность в безоблачный полдень: PVwatts-peak = 1000 Вт × КПД. Как правило, пиковая мощность равна 120170 Вт/м 2 для CSi и 80-120 Вт/м 2 для тонких пленок (TF).

Суммарное усредненное количество энергии , производимой панелью в один м 2 за день: PVday = PVwatts-peak × (Инсоляция в часах). Для инсоляции в 5 часов это значение будет 0.6-0.85 кВт/м 2 для CSi и 0.4-0.6 кВт/м 2 для TF.

Выработанная энергия панели, усредненная за весь день: PVwatts-average = PVday/24. Это примерно 25-35 Вт/м 2 для CSi и 17-25 Вт/м 2 для TF.

Общая энергия , генерируемая фотоэлектрическим модулем на м 2 в год: PVyear = (полная энергия в день) × 365, которая будет равна примерно 219-310 кВт·ч для CSi и 146-219 кВт·ч для TF. Обратите внимание, что инверторы имеют эффективность 95-97%, поэтому фактической электроэнергии будет на 5% меньше.

Ожидаемая стоимость электроэнергии с одного м 2 , сэкономленной за год: Saving = PVyear × 0.95 × (стоимость кВт·ч), где 0.95 - КПД преобразователя и потери в проводах.

В среднем в США стоимость одного кВт·ч электроэнергии равна $0.12, это дает в год $24-35 для CSi и $17-24 для тонких пленок. Таким образом, в лучшем случае, можно будет сэкономить $35 в год на 1 м 2 панели. Эта цифра относится к высокоэффективной системе с номинальной мощностью 170 Вт/м 2 . Учитывая тот факт, что в настоящее время стоимость типичной фотоэлектрической системы составляет $8000 на 1000 Вт, такие установки будут стоить 170/1000 × $8,000 = $1,360 за м 2 . Это означает, что в нашем примере, гипотетический срок окупаемости будет 1360/35 = 39 лет. Никакое оборудование не сможет так долго функционировать. Скидки и кредиты могут сократить это время более чем на половину, однако, все равно, для среднестатистического домашнего хозяйства установка солнечной панели, скорее всего, не окупится. Конечно, это всего лишь пример. В районах с другой инсоляцией и другими затратами на установку срок окупаемости может быть выше или ниже.

Краткая информация о Солнце

• Диаметр: 1,392,000 км;
• Масса: 1,989,100 × 10 24 кг;
• Температура на поверхности: ~5,700 °С;
• Среднее расстояние от Земли до Солнца: 150 млн. км;
• Состав по массе: 74% водород, 25% гелий, 1% другие элементы;
• Яркость (общее количество энергии, излучаемой во всех направлениях): 3.85 × 10 26 Вт (~385 млрд. МВт);
• Плотность мощности излучения на поверхности Солнца: 63,300 кВт на квадратный метр.

Солнечная батарея – это ряд солнечных модулей, которые преобразуют солнечную энергию в электричество и при помощи электродов передают его дальше, в другие преобразовательные устройства. Последние нужны для того, чтобы сделать из постоянного тока переменный, который способны воспринимать бытовые электроприборы. Постоянный ток получается, когда солнечную энергию воспринимают фотоэлементы и энергию фотонов преобразуют в электрический ток.

От того, сколько фотонов попадет на фотоэлемент, зависит, сколько энергии дает солнечная батарея. По этой причине, на производительность батареи влияет не только материал фотоэлемента, но и количество солнечных дней в году, угол падения солнечных лучей на батарею и другие факторы, не зависящие от человека.

Аспекты, влияющие на то, сколько энергии вырабатывает солнечная батарея

Прежде всего, производительность солнечных панелей зависит от материала изготовления и технологии производства. Из тех, что представлены на рынке, Вы можете найти батареи с производительностью от 5 до 22%. Все солнечные батареи разделяют на кремниевые и пленочные.

Производительность модулей на основе кремния:

• Монокристаллические кремниевые панели – до 22%.
• Поликристаллические панели – до 18%.
• Аморфные (гибкие) – до 5%.

Производительность пленочных модулей:

• На основе кадмий теллурида – до 12%.
• На основе селенида мели-индия-галлия – до 20%.
• На полимерной основе – до 5%.

Существуют так же смешанные типы панелей, которые преимуществами одного вида позволяют перекрыть недостатки другого, благодаря чему повышается КПД модуля.

Так же на то, сколько энергии дает солнечная батарея влияет количество ясных дней в году. Известно, что если солнце в Вашем регионе появляется на целый день меньше чем в 200 днях в году, то установка и использование солнечных батарей едва ли будет выгодной.

Кроме того, на КПД панелей влияет так же и температура нагрева батареи. Так, при нагревании на 1̊С производительность падает на 0,5%, соответственно, при нагреве на 10̊ С мы имеем в половину уменьшенный КПД. Чтобы предотвратить такие неприятности устанавливают системы охлаждения, так же требующие расход энергии.

Для сохранения высоких показателей производительности в течение дня устанавливают системы слежения за движением солнца, которые помогают сохранять прямой угол падения лучей на солнечные панели. Но эти системы стоят достаточно дорого, не говоря о самих батареях, поэтому не всем по карману устанавливать их для обеспечения энергией своего дома.

Сколько энергии вырабатывает солнечная батарея, зависит так же от суммарной площади установленных модулей, потому что каждый фотоэлемент может принять ограниченное количество .

Как рассчитать, сколько энергии дает солнечная батарея для Вашего дома?

Опираясь на вышеизложенные моменты, которые стоит учесть при покупке солнечных панелей, мы можем вывести простую формулу, по которой можем высчитать, какое количество энергии будет выдавать один модуль.

Допустим, Вы выбрали один из самых производительных модулей площадью в 2 м2. Количество солнечной энергии в обычный солнечный день равно примерно 1000 Ватт на м2. В итоге мы получаем такую формулу: солнечная энергия (1000 Вт/м2) × производительность (20%) × площадь модуля (2 м2) = мощность (400 Вт).

Если Вы хотите высчитать, сколько воспринимается батареей солнечной энергии в вечернее время суток и в облачный день, Вы можете воспользоваться следующей формулой: количество солнечной энергии в ясный день × синус угла солнечных лучей и поверхности панели × процент преобразуемой энергии в пасмурный день = сколько солнечной энергии в итоге преобразует батарея. Для примера допустим, что вечером угол падения лучей равен 30̊. Получаем следующий расчет: 1000 Вт/м2 × sin30̊ × 60% = 300 Вт/м2, и последнее число используем как основу расчета мощности.

4.1.1. Оценка валового энергетического ресурса (потенциала) солнечной энергии

Анализ факторов, влияющих на величину валового энергетического ресурса солнечной энергии. Энергия солнечной радиации, падающая на Землю, в 10000 раз превышает количество энергии, вырабатываемой человечеством. На мировом коммерческом рынке покупается и продается около 85∙10 3 млрд. кВт·ч энергии в год. Крайне сложно оценить, сколько некоммерческой энергии потребляет человечество. Некоторые эксперты считают, что некоммерческая составляющая близка к 20% от всей используемой энергии.

Потребление электроэнергии по России в целом в 2015 году составило 1,036∙10 3 млрд. кВт ч. Российская Федерация обладает огромным валовым ресурсом использования солнечной энергии. Энергия суммарного годового солнечного излучения, попадающего на горизонтальную поверхность территории нашей страны составляет около 20,743∙10 6 млрд. кВт∙час/год, что превышает потребность в энергии примерно в 20000 раз.

Облучение земной поверхности солнечной радиацией, оказывающей световое, тепловое и бактерицидное воздействие, называют инсоляцией .

Инсоляция измеряется количеством энергии солнечного излучения, падающей на единицу горизонтальной поверхности в единицу времени.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м 2 - солнечная постоянная.

Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря - 1020 Вт/м 2 . Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики. Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Суммарное солнечное излучение в атмосфере Земли складывается из прямого и рассеянного излучений . Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от:

– географической широты местности,

– местного климата и времени года,

– плотности, влажности и степени загрязнения атмосферного воздуха,

– годового и суточного движения Земли,

– характера земной поверхности,

– от угла наклона поверхности, на которую попадает излучение, по отношению к Солнцу.

Атмосфера поглощает часть солнечной энергии. Чем больше длина пути солнечных лучей в атмосфере, тем меньше прямой солнечной энергии доходит до поверхности земли. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади. На Земле это происходит в районе экватора в зоне тропиков. По мере удаления от этой зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей растет и уменьшается угол их падения на земную поверхность. В результате:

увеличиваются потери энергии в атмосферном воздухе,

солнечное излучение распределяется на большую территорию,

уменьшая количество прямой энергии, попадающей на единицу площади, и

увеличивая долю рассеянного излучения.

Кроме того, от широты местности зависит и продолжительность дня в разные времена года, что также определяет величину солнечной радиации, поступающей на поверхность земли. Важным фактором, определяющим потенциала солнечной энергии, является продолжительность солнечного излучения в течение года (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Продолжительность солнечного сияния на территории России, час/год

Для высокоширотных территорий, где значительная часть зимнего времени приходится на полярную ночь, различие в поступлении радиации летом и зимой может быть достаточно велико. Так за Полярным кругом продолжительность солнечного сияния изменяется от 0 часов в декабре до 200 – 300 часов в июне и июле при годовой продолжительности около 1200 – 1600 часов. На севере страны количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, в зимнее время отличается от среднегодового значения менее чем на 0,8 кВт·ч/(м 2 ×день), в летнее время - более чем на 4 кВт·ч /м 2 . Если в зимние месяцы уровни солнечной радиации в северных и южных регионах России сильно отличаются, то летние показатели инсоляции на этих территориях за счет длительного светового дня в северных широтах оказываются вполне соизмеримыми. Однако из-за более низкой годовой продолжительности солнечного сияния приполярные территории уступают по суммарной солнечной радиации районам средней полосы и юга соответственно в 1,3 и 1,7 раза.

Климатические условия в конкретной местности определяют продолжительность и уровень облачности в регионе, влажность и плотность воздуха. Облака - основное атмосферное явление, уменьшающее количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. На их формирование оказывает влияние такие особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться.

Характер земной поверхности и рельефа местности сказывается и на ее отражательной способности. Способность поверхности отражать радиацию называетсяальбедо (от латинского - белизна). Установлено, что альбедо земной поверхности изменяется в весьма широких пределах. Так, альбедо чистого снега равно 85-90 %, песка – 30-35%, чернозема – 5-14%, листьев зеленых – 20-25%, листьев желтых – 33-39%, водной поверхности при высоте Солнца 90 0 – 2%, водной поверхности при высоте Солнца 20 0 – 78 %. Отраженная радиация увеличивает составляющую рассеянного излучения.

Антропогенные и природные загрязнения атмосферы также могут ограничивать количество солнечной радиации, которое может попасть на земную поверхность. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают возможность использования солнечной энергии, увеличивая рассеивание и поглощение солнечной радиации. Эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.

Количество солнечной энергии, падающей на принимающую ее поверхность, изменяется и при изменении положения Солнца в течение суток в разные месяцы года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения солнечных лучей через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит, больше достигает поверхности. Кроме того, отклонение угла падения солнечных лучей на принимающую поверхность от 90 о приводит к снижению количества попадающей на единицу площади энергии – эффект проекции. Влияние этого эффекта на уровень инсоляции можно увидеть на рисунке 4.2.

Рис. 4.2. Влияние изменения угла падения солнечных лучей на величину

инсоляции – эффект проекции

Один поток солнечной энергии шириной в 1 км падает на землю под углом 90 °, а другой той же ширины - под углом 30 °. Оба потока несут одинаковое количество энергии. В этом случае косой солнечный луч распространяет свою энергию на площадь в два раза большую, чем луч, перпендикулярный к принимающей поверхности, а, следовательно, на единицу площади в единицу времени будет поступать вдвое меньше энергии.

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию(поглощенная радиация), нагревается и сама излучает тепло в атмосферу(отраженная радиация). Нижние слои атмосферы в значительной мерс задерживают земное излучение. Поглощенная земной поверхностью радиация расходуется на нагрев почвы, воздуха, воды.

Та часть суммарной радиации, которая остается после отражения и теплового излучения земной поверхности, называется радиационным балансом. Радиационный баланс земной поверхности меняется в течение суток и по сезонам года.

Источники информации для оценки величины валового ресурса (потенциала) солнечной энергии. Информационной основой для оценки величины этого валового ресурса (потенциала) солнечной энергии являются данные измерений солнечной радиации в различных регионах страны с последующим делением территории региона на зоны с относительно однородным значением уровня инсоляции. Для этих целей необходимы данные, сформированные с использованием результатов актинометрических наблюдений, т.е. данные об интенсивности прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, о радиационном балансе и характере отражения излучения от земной поверхности (альбедо).

Учитывая резкое сокращение числа метеостанций, ведущих наземные актинометрические наблюдения на территории России, в 2014 году для оценки валового потенциала (ресурса) солнечной энергии использовалась информация о распределении ресурсов энергии солнца базы данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE) . Эта база формировалась на основе спутниковых измерений радиационного баланса земной поверхности, проводившихся в рамках программы World Climate Research Program’s International Satellite and Cloud Climatology Program (ISCCP) с июля 1983 года по июнь 2005 года. По их результатам с учетом характера отражения излучения от земной поверхности, состояния облачности, загрязнения атмосферы аэрозолями и других факторов рассчитаны значения месячных сумм солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, для сетки 1º×1º, покрывающей весь земной шар, включая и территорию Российской Федерации.

Расчет общей радиации, падающей на наклонную поверхность, с заданным углом ориентации. При оценке потенциала необходимо иметь возможность определять величину общей радиации, попадающей в определенное время на наклонную поверхность, ориентированную по отношению к поверхности земли под интересующим нас углом .

Прежде, чем приступить к описанию методики расчета общей радиации, следует ввести основные понятия, связанные оценкой солнечной радиации.

Рассмотрение будет производиться в горизонтальной системе координат. В этой системе начало координат помещается в точке нахождения наблюдателя на поверхности земли. В качестве основной плоскости выступает горизонтальная плоскость - плоскость математического горизонта . Одной координатой в этой системе является либо высота солнца α , либо его зенитное расстояние z . Другой координатой является азимут а.

Математи́ческий горизо́нт - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии в точке нахождения наблюдателя.

Математический горизонт не совпадает с видимым горизонтом вследствие неровности поверхности Земли, различной высотой точек наблюдения, а также искривления лучей света в атмосфере.

Зенитный угол Солнца z - это угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной плоскости в точке наблюдения А.

Угол высоты Солнца α - это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Сумма α+z равна 90°.

Азимут Солнца а - это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг.

Азимут поверхности а п измеряется как угол между нормалью к рассматриваемой поверхности и направлением на юг.

Угол склонение Солнца - это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение Солнца в течение года непрерывно изменяется - от -23°27" в день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27" в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).

Местное истинное солнечное время – это время, определяемое в месте нахождения наблюдателя видимым положением Солнца на небесной сфере. 12 часов по местному солнечному времени соответствует времени, когда Солнце находится в зените (выше всего на небе).

Местное время обычно отличается от местного солнечного времени из-за наличия эксцентриситета земной орбиты, использования людьми временных зон и искусственных временных смещений для экономии энергии.

Небесный экватор – это большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира (ось вращения земли) и совпадает с плоскостью земного экватора.

Небесный экватор делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное полушарие, с вершиной в северном полюсе мира, и южное полушарие, с вершиной в южном полюсе мира.

Небесный меридиан - большой круг небесной сферы, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира (ось вращения земли).

Часовой угол - угловое расстояние, измеренное вдоль небесного экватора на запад от небесного меридиана (той его части, которую солнце пересекает в момент верхней кульминации) до часового круга, проходящего через избранную точку на небесной сфере.

Часовой угол является результатом перевода местного солнечного времени в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Так как Земля поворачивается на 15 0 за один час (360 о /24 часа), то за каждый час после полудня Солнце проходит 15 0 . Утром угол солнца отрицательный, вечером - положительный.

В качестве исходной информации для расчета общей радиации используется значения следующих показателей, полученных путем статистической обработки данных наблюдений:

– среднемесячное количество общей солнечной радиации, падающей на горизонтальную площадку в течение суток, ;

– среднемесячное количество рассеянной (диффузной) солнечной радиации, падающей на горизонтальную площадку в течение суток, ;

– альбедо поверхности земли - среднемесячное отношение количества солнечной радиации, отраженной поверхностью земли, к количеству общей солнечной радиации, падающей на поверхность земли (т.е. доля радиации отраженной поверхностью земли), доля.

Все дальнейшие расчеты проводятся для «среднего дня месяца», т.е. дня, у которого угол склонения Солнца наиболее близок к среднемесячному углу .

Солнечная радиация на горизонтальную поверхность . С использованием этой информации производится расчет значений общей ( и рассеянной () солнечных радиаций, падающих на горизонтальную поверхность за t -й час наблюдения:

И – коэффициенты перехода от суточных радиаций к часовым - определяются следующим образом:

– часовой угол в t -й расчетный час суток, град.;

– часовой угол захода солнца (заката), град.

Часовой угол солнца рассчитывается с использованием соотношения

– время солнечного полдня, информацию о котором можно найти в Базе Данных NASA, час.

Часовой угол захода солнца оценивается как

– широта, град.;

– угол склонения солнца, град.

Угол склонения Солнца определяют по следующей формуле

– день года (от 1 до 365).

Солнечная радиация на произвольно-ориентированную наклонную поверхность. Расчет часовых значений общей солнечной радиации , падающей на ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность, производится следующим образом

– угол падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность в t -й час, град.;

– зенитный угол Солнца в t -й час, град.;

– угол наклона поверхности к горизонту, град.;

Зенитный угол Солнца

Угол падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность:

– азимутальный угол Солнца в t -й час суток, град.;

– азимут наклонной поверхности, град.

Расчет угла падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность можно произвести и с использованием следующих соотношений:

Рассмотренные выше соотношения могут быть использованы для оценки энергетического потенциала солнца с дифференциацией на часовые (или трехчасовые) интервалы суток.

Валовый электроэнергетический ресурс (потенциал) солнечной энергии. Для оценки валового электроэнергетического ресурса энергии солнца на территории нашей страны использовались среднемесячные дневные значения суммарной солнечной радиации, падающей на 1 м 2 горизонтальной плоскости (кВт·ч/(м 2 ∙день)). На основе этой информации с дифференциацией по субъектам федерации оценено среднее количество солнечной радиации в млн. кВт∙ч, попадающей на 1 квадратный километр территории в течение года (или в кВт∙ч /(м 2 ∙год)) рис. 4.3.

Рис. 4.3. Распределение годовых ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации с детализацией по субъектам федерации

На карте каждому субъекту федерации поставлен в соответствие его код.

Список субъектов федерации с указанием их кодов с дифференциацией по федеральным округам России представлен ниже. С учетом специфики оценки энергетического потенциала ВИЭ города Москва и Санкт-Петербург объедены с Московской и Ленинградской областями соответственно с присвоением объединенной территории кода области. Субъекты федерации с большой протяженности с Севера на Юг могут быть разделены на части: Север, Центр, Юг.

1. Центральный ФО : (31) Белгородская область, (32) Брянская область, (33) Владимирская область, (36) Воронежская область, (37) Ивановская область, (40) Калужская область, (44) Костромская область, (46) Курская область, (48) Липецкая область, (50) Московская область и Москва, (57) Орловская область, (62) Рязанская область, (67) Смоленская область, (68) Тамбовская область, (69) Тверская область, (71) Тульская область, (76) Ярославская область.

2. Северо-Западный ФО: (10) Республика Карелия, (11) Республика Коми, (29) Архангельская область, (35) Вологодская область, (39) Калининградская область, (47) Ленинградская область и Санкт-Петербург, (51) Мурманская область, (53) Новгородская область, (60) Псковская область, (83) Ненецкий АОк.

3. Южный ФО: (1) Республика Адыгея, (8) Республика Калмыкия, (23) Краснодарский край, (30) Астраханская область, (34) Волгоградская область, (61) Ростовская область, (91) Республика Крым и Севастополь.

4. Северо-Кавказский ФО: (5) Республика Дагестан, (6) Республики Ингушетия, (7) Республика Кабардино-Балкария, (9) Республика Карачаево-Черкесия, (15) Республика Северная Осетия-Алания, (20) Чеченская республика, (26) Ставропольский край.

5. Приволжский ФО: (2) Республика Башкортостан, (12) Республика Марий Эл, (13) Республика Мордовия, (16) Республика Татарстан, (18) Республика Удмуртия, (21) Республика Чувашия, (43) Кировская область, (52) Нижегородская область, (56) Оренбургская область, (58) Пензенская область, (59) Пермский край, (63) Самарская область, (64) Саратовская область, (73) Ульяновская область.

6. Уральский ФО: (45) Курганская область, (66) Свердловская область, (72) Тюменская область, (74) Челябинская область, (86) Ханты-Мансийский Аок-Югра, (89) Ямало-Ненецкий АОк.

7. Сибирский ФО : (3) Республика Бурятия, (4) Республика Алтай, (17) Республика Тыва, (19) Республика Хакасия, (22) Алтайский край, (24) Красноярский край (24-1. Север, 24-2. Центр, 24-3. Юг), (38) Иркутская область (38-1. Север, 38-2. Юг), (42) Кемеровская область, (54) Новосибирская область, (55) Омская область, (70) Томская область, (75) Забайкальский край.

8. Дальневосточный ФО: (14) Республика Саха (Якутия) (14-1. Север, 14-2. Центр, 14-3. Юг), (25) Приморский край, (27) Хабаровский край, (27-1. Север, 27-2. Юг), (28) Амурская область, (41) Камчатский край, (49) Магаданская область, (65) Сахалинская область, (79) Еврейская АО, (87) Чукотский АОк.

Бытующее мнение о том, что Россия, расположенная преимущественно в средних и высоких широтах, не располагает значительными ресурсами солнечной энергии для ее эффективного энергетического использования, не соответствует действительности. На изображенной ниже карте (рис.4.4) приведено среднегодовое распределение ресурсов энергии солнечной радиации по территории России, поступающей в среднем за день на 1 площадки южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту (для каждой географической точки это свой угол, при котором суммарное за год поступление энергии солнечной радиации на единичную площадку максимально).

Рис.4.4. Распределение годовых среднедневных поступлений солнечной

радиации по территории России, кВт×час/(м 2 ×день) (оптимально

ориентированная поверхность южной ориентации)

Рассмотрение представленной карты показывает, что в сегодняшних границах России наиболее "солнечными" являются не районы Северного Кавказа, как предполагают многие, а регионы Приморья и юга Сибири (4,5-5 кВт×час/(м 2 ×день) и выше). Интересно, что известные черноморские курорты (Сочи и др.), по среднегодовому поступлению солнечной радиации (с точки зрения природного потенциала и ресурса солнечной инсоляции) относятся к той же зоне, что и большая часть Сибири, включая Якутию (4,0-4,5 кВт×час/(м 2 ×день)).

Для энергетически плохо обеспеченных районов с децентрализованным энергоснабжением важным является тот факт, что более 60 % территории страны, в том числе и многие северные регионы, характеризуются среднегодовым дневным поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт×час/(м 2 ×день), что не отличается от юга Германии, широко использующего солнечные установки.

Анализ карты свидетельствует, что в Российской Федерации наибольшая интенсивность инсоляции от 4,5 до 5,0 кВт×час/м 2 и более в день наблюдается в Приморье, на юге Сибири, на юге Республики Тыва и Республики Бурятия, и даже за Полярным Кругом в восточной части Северной Земли, а не в южных районах страны. По солнечному потенциалу, 4,0 - 4,5 кВт×час/(м 2 ×день), Краснодарский край, Ростовская область, южная часть Поволжья, большая часть Сибири (включая Якутию), южные районы Новосибирской, Иркутской областей, Бурятия, Тыва, Хакассия, Приморский и Хабаровский край, Амурская область, остров Сахалин, обширные территории от Красноярского края до Магадана, Северная Земля, северо-восток Ямало-Ненецкого АО относятся к той же зоне, что и Северный Кавказ с известными российскими черноморскими курортами. Для Нижнего Новгорода, Москвы, Санкт-Петербурга, Салехарда, восточной части Чукотки и Камчатки характерна средняя солнечная радиация от 2,5 до 3 кВт×час/м 2 в день. На остальной территории страны преобладает интенсивность инсоляции от 3 до 4 кВт×час/м 2 в день.

Наибольшую интенсивность поток энергии имеет в мае, июне и июле. В этот период в средней полосе России на 1 кв. метр поверхности приходится 5 кВт×час в день. Наименьшая интенсивность в декабре-январе, когда 1 кв. метр поверхности приходится 0,7 кВт×час в день.

Учитывая сложившуюся ситуацию, на карте Украины (рис. 4.3) можно проанализировать уровень солнечной радиации на территории Крыма.

Рис. 4.3. Распределение годовых поступлений солнечной радиации по

территории Украины, кВт×час/(м 2 ×год) (оптимально ориентированная

поверхность южной ориентации)

Валовый теплоэнергетический ресурс солнечной энергии. Валовой теплоэнергетический ресурс (потенциал) задает максимальное количество тепловой энергии, соответствующее энергии поступающего на территорию России солнечного излучения.

Информацией для оценки этого ресурса может служить инсоляция в мега- или килокалориях на единицу площади принимающей излучение поверхности в единицу времени.

Рисунок 4.4 дает представление о распределении суммарная солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории Российской Федерации в килокалориях на 1 см 2 в год.

Рис.4.4. Распределение годовых поступлений солнечной радиации по

территории России, ккал/(см 2 ×год)

Комплексное районирование территории России по потенциалу солнечной радиации можно увидеть на рисунке 4.6. Выделено 10 зон по приоритету потенциала использования. Очевидно, что наиболее благоприятными условиями для практического использования энергии солнца обладают южные районы европейской части, юг Забайкалья и Дальнего Востока.

Рис. 19. Районирование территории России по потенциалу солнечной

радиации (цифра в кружке – номер по приоритету потенциала)

Значения валовых энергетических потенциалов солнечной энергии с дифференциацией по федеральным округам Российской Федерации .

При оценке технического потенциала солнечной электроэнергетики были использованы показатели наиболее распространенных (90%) в то время фотоэлектрических элементов на кремниевой основе с КПД 15%. Рабочая площадь солнечных установок с учетом плотности размещения фотоэлементов в фотоэлектрических модулях принималась равной 0,1 % от площади однородной по уровню радиации территории рассматриваемого региона. Технический потенциал рассчитывался в тоннах условного топлива как произведение валового солнечного потенциала территории на долю площади, занимаемой фотоэлементами, и их КПД.

Определение технического теплоэнергетического потенциала региона ориентировано на технические возможности преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию на наиболее эффективных установках солнечного горячего водоснабжения. Оценка технического потенциала проводилась на основе данных о теплопроизводительности таких установок на каждом из участков с однородным уровнем инсоляции и принятых допущениях: о занимаемой солнечными коллекторами площади, равной 1 % от площади рассматриваемой территории, соотношении между площадями тепловых и электрических установок – 0,8 и 0,2 соответственно и КПД топливного устройства - 0,7. Перевод в тонны условного топлива осуществлялся с помощью коэффициента 0,34 т.у.т./ кВт×час.

Наиболее объективным из известных показателей, характеризующих возможность практического использования ресурсов солнечной энергетики, принято считать показатель ее экономического потенциала. Экономическая целесообразность и масштабы применения электрических и тепловых солнечных установок должны определяться исходя из их конкурентоспособности с традиционными источниками энергии. Отсутствие нужного количества необходимой и достоверной информации явилось причиной использования для оценки величины экономического потенциала упрощенных методов, ориентированных на мнения квалифицированных экспертов.

В соответствии с экспертными оценками, экономический потенциал солнечной электроэнергетики был принят равным 0,05% от годового потребления электрической энергии в рассматриваемом регионе (по данным Росстата) с переводом его в тонны условного топлива.

При известной интенсивности солнечной радиации общий энергетический потенциал солнечной радиации может быть исчислен в тоннах условного топлива, киловатт-часах, гигакалориях. Учитывая использование в солнечной энергетике фотоэлектрических элементов для получения электрической энергии и солнечных коллекторов для выработки тепла, общий технический и экономический потенциал в соответствии с рассмотренной выше методикой делят на электроэнергетический и теплоэнергетический (табл. 9).

Рост цен на энергоносители в России заставляет проявлять интерес к дешевым источникам энергии. Наиболее доступной является солнечная энергия. Энергия солнечной радиации, падающая на Землю в 10 000 раз превышает количество вырабатываемой человечеством энергии. Проблемы возникают в технологии сбора энергии и в связи с неравномерностью поступления энергии на гелиоустановки. Поэтому солнечные коллекторы и солнечные батареи применяются или совместно с аккумуляторами энергии или в качестве средства дополнительной подпитки для основной энергетической установки.

Страна у нас обширна и картина распределения солнечной энергии по ее территории весьма разнообразна.

Усредненные данные поступления солнечной энергии

Интенсивность поступления солнечной энергии

Зоны максимальной интенсивности солнечного излучения. На 1 квадратный метр поступает более 5 кВт. час. солнечной энергии в день.

По южной границе России от Байкала до Владивостока, в районе Якутска, на юге Республики Тыва и Республики Бурятия, как это не странно, за Полярным Кругом в восточной части Северной Земли.

Поступление солнечной энергии от 4 до 4,5 кВт. час на 1 кв. метр в день

Краснодарский край, Северный Кавказ, Ростовская область, южная часть Поволжья, южные районы Новосибирской, Иркутской областей, Бурятия, Тыва, Хакассия, Приморский и Хабаровский край, Амурская область, остров Сахалин, обширные территории от Красноярского края до Магадана, Северная Земля, северо-восток Ямало-Ненецкого АО.

От 2,5 до 3 кВт. час на кв. метр в день

По западной дуге - Нижний Новгород, Москва, Санкт-Петербург, Салехард, восточная часть Чукотки и Камчатка.

От 3 до 4 кВт. час на 1 кв. метр в день

Остальная территория страны.

Продолжительность солнечного сияния в год

Наибольшую интенсивность поток энергии имеет в мае, июне и июле. В этот период в средней полосе России на 1 кв. метр поверхности приходится 5 кВт. час в день. Наименьшая интенсивность в декабре-январе, когда 1 кв. метр поверхности приходится 0,7 кВт. час в день.

Особенности установки

Если установить солнечный коллектор под углом 30 градусов к поверхности, то можно обеспечить съем энергии в максимальном и минимальном режиме соответственно 4,5 и 1.5 кВт час на 1 кв. метр. в день.

Распределение интенсивности солнечного излучния в средней полосе России по месяцам

Исходя из приведенных данных можно рассчитать площадь плоских солнечных коллекторов, необходимую для обеспечения горячего водоснабжения семьи из 4-х человек в индивидуальном доме. Нагрев 300 литров воды от 5 градусов до 55 градусов в июне могут обеспечить коллекторы площадью 5,4 квадратного метра, в декабре 18 кв. метров. Если применить более эффективные вакуумные коллекторы, то требуемая площадь коллекторов снижается примерно вдвое.

Покрытие потребностей в ГВС на счет солнечной энергии

На практике солнечные коллекторы желательно применять не в качестве основного источника ГВС, а в качестве устройства для подогрева воды, поступающей в отопительную установку. В этом случае расход топлива резко снижается. При этом обеспечивается бесперебойная подача горячей воды и экономия средств на ГВС и отопление дома, если это дом для постоянного проживания. На дачах, в летнее время, для получения горячей воды, применяются различные виды солнечных коллекторов. От коллекторов заводского изготовления до самодельных устройств, изготовленных из подручных материалов. Различаются они, прежде всего, по эффективности. Заводской эффективнее, но стоит дороже. Практически бесплатно можно сделать коллектор с теплообменником от старого холодильника.

В России установка солнечных коллекторов регламентируется РД 34.20.115-89 "Методические указания по расчету и проектированию систем солнечного обогрева", ВСН 52-86 (в формате RTF, 11 Mb) "Установки горячего солнечного водоснабжения. Нормы проектирования". Имеются рекомендации по использованию нетрадиционных источников энергии в животноводстве, кормопроизводстве, крестьянских хозяйствах и сельском жилищном секторе, разработанные по заявке Минсельхоза в 2002 году. Действуют ГОСТ Р 51595 "Солнечные коллекторы. Технические требования", ГОСТ Р 51594 "Солнечная энергетика. Термины и определения",

В этих документах довольно подробно описаны схемы применяемых солнечных коллекторов и наиболее эффективные способы их применения в различных климатических условиях.

Солнечные коллекторы в Германии

В Германии государство дотирует затраты на установку солнечных коллекторов, поэтому их применение устойчиво растет. В 2006 году было установлено 1 миллион 300 тысяч квадратных метров коллекторов. Из этого количества примерно 10% более дорогие и эффективные вакуумные коллекторы. Общая площадь установленных на сегодняшний день солнечных коллекторов составила примерно 12 миллионов квадратных метров.

Материалы и графики предоставлены компанией Viessmann

Введение

Солнце, как известно, является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Оно греет всю Землю, приводит в движение реки и сообщает силу ветру. Под его лучами вырастает 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря тому же Солнцу на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа и пр., которые мы сейчас активно сжигаем. Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива. (Теплота сгорания условного топлива - 7 000 ккал/кг).

Задачи:

· рассмотреть основные физические принципы и явления;

· сформировать знания и умения, позволяющие проводить теоретический расчет основных параметров;

· рассмотреть достоинства и недостатки использования солнечной энергетики

· рассмотреть способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

Солнечная энергетика - использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Солнечное излучение является практически неисчерпаемым источником энергии, оно поступает во все уголки Земли, находится "под рукой" у любого потребителя и является экологически чистым доступным источником энергии.

Использование солнечного света и тепла - чистый, простой, и естественный способ получения всех форм необходимой нам энергии. При помощи солнечных коллекторов можно обогреть жилые дома и коммерческие здания или обеспечить их горячей водой. Солнечный свет, сконцентрированный параболическими зеркалами (рефлекторами), применяют для получения тепла (с температурой до нескольких тысяч градусов Цельсия). Его можно использовать для обогрева или для производства электроэнергии. Кроме этого, существует другой способ производства энергии с помощью Солнца - фотоэлектрические технологии. Фотоэлектрические элементы - это устройства, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в электричество.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

Солнечная радиация

Солнечная радиация - это электромагнитное излучение, сосредоточенное в основном в диапазоне волн длиной 0,28…3,0 мкм. Солнечный спектр состоит из:

Ультрафиолетовых волн длиной 0,28…0,38 мкм, невидимых для наших глаз и составляющих приблизительно 2 % солнечного спектра;

Световых волн в диапазоне 0,38 … 0,78 мкм, составляющих приблизительно 49 % спектра;

Инфракрасных волн длиной 0,78…3,0 мкм, на долю которых приходится большая часть оставшихся 49 % солнечного спектра. Остальные части спектра играют незначительную роль в тепловом балансе Земли.

Сколько солнечной энергии попадает на Землю?

Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x10 20 кВт ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 10 18) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 10 17) кВт·ч, достигает поверхности Земли.

Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное, на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение.

Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов: широты местного климата, сезона года, угла наклона поверхности по отношению к Солнцу.

Время и место

Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит, больше достигает поверхности.

Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0,8 кВт·ч/м 2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт·ч /м 2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору.

Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе, Средней Азии и Канаде - приблизительно 1000 кВт·ч/м 2 ; в Средиземноморье - приблизительно 1700 кВт·ч /м 2 ; в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт·ч/м 2 .

Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости от времени года и географического положения. Этот фактор необходимо учитывать при использовании солнечной энергии.