الجغرافيا وميزات استخدام مجمعات الطاقة الشمسية في روسيا. أنواع مجمعات الطاقة الشمسية. حساب ناتج محطة للطاقة الشمسية على أساس قيم التشمس

طاقة الشمس هي مصدر الحياة على كوكبنا. تقوم الشمس بتسخين الغلاف الجوي وسطح الأرض. شكرا ل طاقة شمسيةتهب الرياح ، وتجري دورة المياه في الطبيعة ، وتسخن البحار والمحيطات ، وتتطور النباتات ، وتتغذى الحيوانات. بفضل الإشعاع الشمسي ، يوجد الوقود الأحفوري على الأرض. يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة أو برودة ودفع وكهرباء.

اشعاع شمسي

الإشعاع الشمسي هو إشعاع كهرومغناطيسي ، يتركز بشكل أساسي في نطاق الطول الموجي البالغ 0.28 ... 3.0 ميكرون. يتكون الطيف الشمسي من:

موجات فوق بنفسجية بطول 0.28 ... 0.38 ميكرون ، غير مرئية لأعيننا وتشكل ما يقرب من 2٪ من الطيف الشمسي ؛

موجات ضوئية في حدود 0.38 ... 0.78 ميكرومتر ، تشكل ما يقرب من 49٪ من الطيف ؛

موجات الأشعة تحت الحمراء بطول 0.78 ... 3.0 ميكرون ، والتي تمثل معظم نسبة 49٪ المتبقية من الطيف الشمسي.

يلعب باقي الطيف دورًا ضئيلًا في توازن حرارة الأرض.

ما مقدار الطاقة الشمسية التي تذهب إلى الأرض؟

تشرق الشمس كمية كبيرةالطاقة - حوالي 1.1 × 10 20 كيلو واط ساعة في الثانية. كيلوواط / ساعة هو مقدار الطاقة المطلوبة لتشغيل مصباح متوهج 100 وات لمدة 10 ساعات. تعترض الطبقات الخارجية للغلاف الجوي للأرض ما يقرب من جزء من المليون من الطاقة المنبعثة من الشمس ، أو ما يقرب من 1500 كوادريليون (1.5 × 10 18) كيلو وات في الساعة سنويًا. ومع ذلك ، نظرًا لانعكاسها وتشتتها وامتصاصها بواسطة غازات الغلاف الجوي والهباء الجوي ، فإن 47 ٪ فقط من جميع الطاقة ، أو ما يقرب من 700 كوادريليون (7 × 10 17) كيلوواط ساعة ، تصل إلى سطح الأرض.

ينقسم الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي للأرض إلى ما يسمى بالإشعاع المباشر وينتشر بفعل جزيئات الهواء والغبار والماء وما إلى ذلك الموجودة في الغلاف الجوي. مجموعهم يشكل مجموع الإشعاع الشمسي. كمية الطاقة المتساقطة لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية تعتمد على عدد من العوامل:

خط العرض ، المناخ المحلي ، موسم السنة ، زاوية ميل السطح بالنسبة للشمس.

الزمان والمكان

تتغير كمية الطاقة الشمسية المتساقطة على سطح الأرض بسبب حركة الشمس. تعتمد هذه التغييرات على الوقت من اليوم والوقت من السنة. عادة ، يضرب المزيد من الإشعاع الشمسي الأرض في الظهيرة أكثر من الصباح الباكر أو في وقت متأخر من المساء. عند الظهيرة ، تكون الشمس مرتفعة فوق الأفق ، ويختصر طول مسار أشعة الشمس عبر الغلاف الجوي للأرض. وبالتالي ، يتم تناثر وامتصاص كمية أقل من الإشعاع الشمسي ، مما يعني وصول المزيد إلى سطح الأرض.

تختلف كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض عن متوسط ​​القيمة السنوية: in وقت الشتاء- أقل من 0.8 كيلو واط ساعة / متر مربع في اليوم في الشمال (خط عرض 50 درجة) وأكثر من 4 كيلو واط ساعة / متر مربع في اليوم في وقت الصيففي نفس المنطقة. يتناقص الفرق كلما اقتربت من خط الاستواء.

تعتمد كمية الطاقة الشمسية أيضًا على الموقع الجغرافي للموقع: كلما اقتربنا من خط الاستواء ، زاد عددها. على سبيل المثال ، متوسط ​​إجمالي حوادث الإشعاع الشمسي السنوي على سطح أفقي هو: في أوروبا الوسطى وآسيا الوسطى وكندا - حوالي 1000 كيلو واط في الساعة / متر مربع ؛ في البحر الأبيض المتوسط ​​- حوالي 1700 كيلوواط ساعة / متر مربع ؛ في معظم المناطق الصحراوية بأفريقيا والشرق الأوسط وأستراليا - ما يقرب من 2200 كيلو واط ساعة / متر مربع.

وبالتالي ، تختلف كمية الإشعاع الشمسي بشكل كبير حسب الموسم و الموقع الجغرافي(انظر الجدول 1). يجب أن يؤخذ هذا العامل في الاعتبار عند استخدام الطاقة الشمسية.

الجدول 1

كمية الإشعاع الشمسي في أوروبا ومنطقة البحر الكاريبي ، كيلوواط ساعة / متر مربع في اليوم.
	جنوب اوروبا	اوربا الوسطى	شمال أوروبا	منطقة البحر الكاريبي
كانون الثاني	2,6	1,7	0,8	5,1
شهر فبراير	3,9	3,2	1,5	5,6
مارس	4,6	3,6	2,6	6,0
أبريل	5,9	4,7	3,4	6,2
قد	6,3	5,3	4,2	6,1
يونيو	6,9	5,9	5,0	5,9
تموز	7,5	6,0	4,4	6,4
أغسطس	6,6	5,3	4,0	6,1
شهر تسعة	5,5	4,4	3,3	5,7
اكتوبر	4,5	3,3	2,1	5,3
شهر نوفمبر	3,0	2,1	1,2	5,1
ديسمبر	2,7	1,7	0,8	4,8
عام	5,0	3,9	2,8	5,7

سحاب

تعتمد كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض على ظواهر جوية مختلفة وعلى موقع الشمس خلال النهار وطوال العام. السحب هي ظاهرة الغلاف الجوي الرئيسية التي تحدد كمية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض. في أي نقطة على الأرض ، يتناقص الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض مع زيادة الغطاء السحابي. وبالتالي ، فإن البلدان التي يغلب عليها طقس غائم تتلقى إشعاعًا شمسيًا أقل من الصحاري ، حيث يكون الطقس في الغالب صافًا. يتأثر تكوين السحب بوجود معالم التضاريس المحلية مثل الجبال والبحار والمحيطات ، فضلاً عن البحيرات الكبيرة. لذلك ، قد تختلف كمية الإشعاع الشمسي المتلقاة في هذه المناطق والمناطق المحيطة بها. على سبيل المثال ، قد تحصل الجبال على القليل اشعاع شمسيمن التلال والسهول المجاورة. تهب الرياح في اتجاه الجبال ، مما يؤدي إلى ارتفاع جزء من الهواء ، مما يؤدي إلى تبريد الرطوبة في الهواء ، مما يؤدي إلى تكوين السحب. قد تختلف أيضًا كمية الإشعاع الشمسي في المناطق الساحلية عن تلك المسجلة في المناطق الواقعة داخل القارة.

كمية الطاقة الشمسية التي يتم توفيرها خلال النهار تعتمد بشكل كبير على الظروف الجوية المحلية. عند الظهيرة ، مع سماء صافية ، يمكن أن يصل إجمالي الإشعاع الشمسي الساقط على سطح أفقي (على سبيل المثال ، في أوروبا الوسطى) إلى قيمة 1000 واط / متر مربع (في ظل ظروف مناخية مواتية للغاية ، يمكن أن يكون هذا الرقم أعلى) ، بينما في طقس ملبد بالغيوم - أقل من 100 واط / متر مربع حتى الظهيرة.

التلوث

أنثروبوجين و ظاهرة طبيعيةيمكن أيضًا أن تحد من كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض. الضباب الدخاني في المناطق الحضرية ودخان حرائق الغابات والرماد المحمول جواً من النشاط البركاني يقلل من استخدام الطاقة الشمسية عن طريق زيادة تشتت وامتصاص الإشعاع الشمسي. أي أن هذه العوامل تؤثر على الإشعاع الشمسي المباشر بدرجة أكبر من الإجمالي. في تلوث شديدالهواء ، على سبيل المثال ، مع الضباب الدخاني ، يتم تقليل الإشعاع المباشر بنسبة 40 ٪ والإجمالي - فقط بنسبة 15-25 ٪. يمكن للانفجار البركاني القوي أن يقلل ، علاوة على ذلك ، الإشعاع الشمسي المباشر على مساحة كبيرة من سطح الأرض بنسبة 20٪ والإجمالي - بنسبة 10٪ لفترة تتراوح من 6 أشهر إلى سنتين. مع انخفاض كمية الرماد البركاني في الغلاف الجوي ، يضعف التأثير ، ولكن العملية التعافي الكاملقد يستغرق عدة سنوات.

محتمل

توفر لنا الشمس طاقة مجانية تزيد بمقدار 10000 مرة عن الطاقة المستخدمة بالفعل في جميع أنحاء العالم. في السوق التجاري العالمي وحده ، يتم شراء وبيع ما يقل قليلاً عن 85 تريليون (8.5 × 10 13) كيلوواط ساعة من الطاقة سنويًا. نظرًا لأنه من المستحيل تتبع العملية بأكملها ككل ، فمن المستحيل أن نقول على وجه اليقين مقدار الطاقة غير التجارية التي يستهلكها الناس (على سبيل المثال ، مقدار الخشب والأسمدة التي يتم جمعها وحرقها ، وكمية المياه المستخدمة لتوليد ميكانيكي أو الطاقة الكهربائية). يعتقد بعض الخبراء أن مثل هذه الطاقة غير التجارية تمثل خمس الطاقة المستخدمة. ولكن حتى لو كان الأمر كذلك ، إذن إجمالي الطاقةتستهلك البشرية خلال العام حوالي سبعة آلاف من الطاقة الشمسية التي تسقط على سطح الأرض خلال نفس الفترة.

في البلدان المتقدمة مثل الولايات المتحدة ، يبلغ استهلاك الطاقة ما يقرب من 25 تريليون (2.5 × 10 13) كيلو واط في الساعة سنويًا ، أي ما يعادل أكثر من 260 كيلو واط في الساعة للشخص الواحد يوميًا. هذا المؤشرهو ما يعادل أكثر من مائة 100 واط من المصابيح المتوهجة التي تعمل يوميًا على مدار اليوم. يستخدم المواطن الأمريكي العادي طاقة أكثر 33 مرة من الهندي ، و 13 مرة أكثر من الصينيين ، ومرتين ونصف المرة أكثر من الياباني ، ومرتين أكثر من السويدي.

كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى سطح الأرض أعلى بعدة مرات من استهلاكها ، حتى في دول مثل الولايات المتحدة ، حيث يكون استهلاك الطاقة هائلاً. إذا تم استخدام 1 ٪ فقط من أراضي الدولة لتركيب معدات الطاقة الشمسية (البطاريات الكهروضوئية أو أنظمة الطاقة الشمسيةلإمداد الماء الساخن) ، بكفاءة 10٪ ، عندها ستزود الولايات المتحدة بالطاقة بالكامل. ويمكن قول الشيء نفسه بالنسبة لجميع البلدان المتقدمة الأخرى. ومع ذلك ، بمعنى ما ، هذا غير واقعي - أولاً ، بسبب التكلفة العالية للأنظمة الكهروضوئية ، وثانيًا ، من المستحيل تغطية مثل هذه المناطق الكبيرة بمعدات الطاقة الشمسية دون الإضرار بالنظام البيئي. لكن المبدأ نفسه صحيح. من الممكن تغطية نفس المنطقة عن طريق نثر المنشآت على أسطح المنازل والمنازل وأكتاف الطرق وقطع الأرض المحددة مسبقًا ، إلخ. بالإضافة إلى ذلك ، في العديد من البلدان ، تم بالفعل تخصيص أكثر من 1٪ من الأراضي لاستخراج الطاقة وتحويلها وإنتاجها ونقلها. وبما أن معظم هذه الطاقة ليست متجددة على المستوى البشري ، فإن هذا النوع من إنتاج الطاقة أكثر ضررًا بالبيئة من أنظمة الطاقة الشمسية.

استخدام الطاقة الشمسية

في معظم أنحاء العالم ، فإن كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى أسطح وجدران المباني تتجاوز بكثير استهلاك الطاقة السنوي لسكان هذه المنازل. يعد استخدام ضوء الشمس والحرارة طريقة نظيفة وبسيطة وطبيعية للحصول على جميع أشكال الطاقة التي نحتاجها. مع مساعدة تجميع الطاقة الشمسيةيمكن تدفئة المباني السكنية والمباني التجارية و / أو تزويدها بالماء الساخن. ضوء الشمس، تتركزتستخدم المرايا المكافئة (العاكسات) لتوليد الحرارة (بدرجات حرارة تصل إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية). يمكن استخدامه للتدفئة أو لتوليد الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك طريقة أخرى لتوليد الطاقة باستخدام تكنولوجيا الطاقة الشمسية. الخلايا الكهروضوئية عبارة عن أجهزة تقوم بتحويل الإشعاع الشمسي مباشرة إلى كهرباء.

يمكن تحويل الإشعاع الشمسي إلى طاقة قابلة للاستخدام باستخدام ما يسمى بالأنظمة الشمسية النشطة والسلبية. تشمل أنظمة الطاقة الشمسية النشطة تجميع الطاقة الشمسيةوالخلايا الكهروضوئية. أنظمة سلبيةتم الحصول عليها من خلال تصميم المبنى والاختيار مواد بناءبطريقة تحقق أقصى استفادة من طاقة الشمس.

يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة قابلة للاستخدام وبشكل غير مباشر عن طريق التحول إلى أشكال أخرى من الطاقة ، مثل الكتلة الحيوية أو الرياح أو المياه. إن طاقة الشمس "تتحكم" في الطقس على الأرض. تمتص المحيطات والبحار نسبة كبيرة من الإشعاع الشمسي ، حيث ترتفع درجة حرارة المياه وتبخرها وتسقط على الأرض على شكل أمطار "تغذي" محطات الطاقة الكهرومائية. تتولد الرياح التي تتطلبها توربينات الرياح عن طريق تسخين الهواء غير المنتظم. فئة أخرى من مصادر الطاقة المتجددة الناشئة عن طاقة الشمس هي الكتلة الحيوية. تمتص النباتات الخضراء ضوء الشمس ، ونتيجة لعملية التمثيل الضوئي ، تتشكل المواد العضوية فيها ، والتي يمكن الحصول عليها لاحقًا من الطاقة الحرارية والكهربائية. وبالتالي ، فإن طاقة الرياح والمياه والكتلة الحيوية هي مشتق من الطاقة الشمسية.

الاستخدام السلبي للطاقة الشمسية

المباني الشمسية السلبية هي تلك التي تم تصميمها بأقصى قدر من الاعتبار للظروف المناخية المحلية ، وحيث يتم استخدام التقنيات والمواد المناسبة لتسخين وتبريد وإضاءة مبنى باستخدام الطاقة الشمسية. وهي تشمل تقنيات ومواد البناء التقليدية مثل العزل ، والأرضيات الضخمة ، والنوافذ الفرعية. يمكن بناء أماكن المعيشة هذه في بعض الحالات دون أي تكلفة إضافية. في حالات أخرى ، يمكن تعويض التكاليف الإضافية المتكبدة أثناء البناء عن طريق خفض تكاليف الطاقة. المباني الشمسية السلبية صديقة للبيئة وتساهم في خلق استقلالية للطاقة ومستقبل متوازن للطاقة.

في النظام الشمسي السلبي ، يعمل هيكل المبنى نفسه كمجمع للإشعاع الشمسي. يتوافق هذا التعريف مع معظم الأنظمة الأبسط ، حيث يتم تخزين الحرارة في المبنى من خلال الجدران أو الأسقف أو الأرضيات. هناك أيضًا أنظمة يتم فيها توفير عناصر خاصة لتراكم الحرارة ، مدمجة في هيكل المبنى (على سبيل المثال ، الصناديق بالحجارة أو الخزانات أو الزجاجات المملوءة بالماء). تصنف هذه الأنظمة أيضًا على أنها أنظمة شمسية سلبية. المباني الشمسية السلبية هي المكان المثالي للعيش. هنا يمكنك أن تشعر بشكل كامل بالاتصال بالطبيعة ، حيث يوجد الكثير من الضوء الطبيعي في مثل هذا المنزل ، فهو يوفر الكهرباء.

قصة

تاريخيا ، تأثر تصميم المباني بالمحليات الظروف المناخيةوتوافر مواد البناء. لاحقًا ، انفصلت البشرية عن الطبيعة ، متبعة طريق الهيمنة والسيطرة عليها. أدى هذا المسار إلى نمط بناء متسق لكل منطقة تقريبًا. في عام 100 م. ه. قام المؤرخ بليني الأصغر ببناء منزل صيفي في شمال إيطاليا ، في إحدى الغرف التي كانت توجد بها نوافذ من الميكا الفاخرة. كانت الغرفة أكثر دفئًا من الغرف الأخرى وتتطلب خشبًا أقل لتسخينها. في الحمامات الرومانية الشهيرة في القرن الأول والرابع. ن. ه. مثبتة خصيصا نوافذ كبيرةتواجه الجنوب للمزيد حرارة الشمسدخلت المبنى. بواسطة الفن السادس. أصبحت الغرف المشرقة في المنازل والمباني العامة شائعة لدرجة أن جستنيان كواد قدم "الحق في الشمس" لضمان وصول الفرد إلى الشمس. في القرن التاسع عشر ، كانت البيوت البلاستيكية تحظى بشعبية كبيرة ، حيث كان من المألوف السير تحت ظلال أوراق الشجر المورقة.

بسبب انقطاع التيار الكهربائي خلال الحرب العالمية الثانية بحلول نهاية عام 1947 في الولايات المتحدة ، المباني التي تستخدم بشكل سلبي طاقة شمسيةكان الطلب كبيرًا لدرجة أن شركة Libbey-Owens-Ford Glass Company نشرت كتابًا بعنوان Your Sunny Home ، والذي ظهر فيه 49 أفضل المشاريعالمباني الشمسية. في منتصف الخمسينيات من القرن الماضي ، صمم المهندس المعماري فرانك بريدجرز أول مبنى مكتبي يعمل بالطاقة الشمسية في العالم. النظام الشمسي لإمداد الماء الساخن المثبت فيه يعمل دون انقطاع منذ ذلك الوقت. تم تسجيل نفس المبنى "Bridgers-Paxton" في السجل التاريخي الوطني للبلاد كأول مبنى إداري في العالم ، يتم تسخينه باستخدام طاقة الشمس.

أدى انخفاض أسعار النفط بعد الحرب العالمية الثانية إلى صرف انتباه الجمهور عن المباني الشمسية وقضايا كفاءة الطاقة. منذ منتصف التسعينيات ، غير السوق موقفه تجاه البيئة والاستخدام طاقة متجددة، وتظهر الاتجاهات في البناء ، والتي تتميز بالجمع بين مشروع البناء المستقبلي والطبيعة المحيطة.

أنظمة الطاقة الشمسية السلبية

هناك عدة طرق رئيسية للاستخدام السلبي طاقة شمسيةفي العمارة. باستخدامهم ، يمكنك إنشاء العديد من المخططات المختلفة ، وبالتالي الحصول على مجموعة متنوعة من تصميمات المباني. الأولويات لبناء مبنى مع الاستخدام السلبي للطاقة الشمسية هي: موقع جيد للمنزل ؛ عدد كبير منالنوافذ المواجهة للجنوب (في النصف الشمالي من الكرة الأرضية) للسماح بدخول المزيد من ضوء الشمس في الشتاء (والعكس صحيح ، هناك عدد صغير من النوافذ التي تواجه الشرق أو الغرب للحد من أشعة الشمس غير المرغوب فيها في الصيف) ؛ الحساب الصحيح للحمل الحراري على الداخل ، من أجل تجنب التقلبات غير المرغوب فيها في درجات الحرارة والتدفئة في الليل ، وهيكل المبنى المعزول جيدًا.

يجب أن يكون الموقع والعزل واتجاه النوافذ والحمل الحراري على المبنى نظامًا واحدًا. لتقليل تقلبات درجات الحرارة الداخلية ، يجب وضع مادة عازلة خارج المبنى. ومع ذلك ، في الأماكن ذات التسخين الداخلي السريع ، حيث يتطلب القليل من العزل ، أو ذات سعة تخزين منخفضة للحرارة ، يجب أن يكون العزل في الداخل. ثم سيكون تصميم المبنى هو الأمثل في أي مناخ محلي. وتجدر الإشارة إلى أن التوازن الصحيح بين الحمل الحراري في المبنى والعزل لا يؤدي فقط إلى توفير الطاقة ، بل يؤدي أيضًا إلى توفير في مواد البناء.

أنظمة الطاقة الشمسية النشطة

أثناء تصميم المبنى ، يتم استخدام أنظمة الطاقة الشمسية النشطة مثل تجميع الطاقة الشمسيةوالبطاريات الكهروضوئية. تم تركيب هذه المعدات على الجانب الجنوبي من المبنى. لتعظيم كمية الدفء في الشتاء ، تجميع الطاقة الشمسيةفي أوروبا و شمال امريكابزاوية ميل تزيد عن 50 درجة من المستوى الأفقي. تتلقى الخلايا الكهروضوئية الثابتة أكبر قدر من الإشعاع الشمسي خلال العام عندما تكون زاوية الميل بالنسبة إلى الأفق مساوية لخط العرض الذي يقع عليه المبنى. تعتبر زاوية ميل سطح المبنى واتجاهه نحو الجنوب جوانب مهمة عند تصميم المبنى. يجب وضع مجمعات الطاقة الشمسية لإمداد الماء الساخن والبطاريات الكهروضوئية في المنطقة المجاورة مباشرة لمكان استهلاك الطاقة. المعيار الرئيسي عند اختيار المعدات هو كفاءتها.

تجميع الطاقة الشمسية

منذ العصور القديمة ، كان الإنسان يستخدم طاقة الشمس لتسخين المياه. في قلب العديد من الطاقة الشمسية أنظمة الطاقةيكمن التطبيق تجميع الطاقة الشمسية... يمتص المجمع الطاقة الضوئية من الشمس ويحولها إلى حرارة ، والتي يتم نقلها إلى وسط نقل الحرارة (سائل أو هواء) ثم استخدامها لتدفئة المباني ، وتسخين المياه ، وتوليد الكهرباء ، وتجفيف المنتجات الزراعية أو طهي الطعام. يمكن استخدام مجمعات الطاقة الشمسية في جميع العمليات التي تستخدم الحرارة تقريبًا.

بالنسبة لمبنى أو شقة سكنية نموذجية في أوروبا وأمريكا الشمالية ، فإن تسخين المياه هو ثاني أكثر العمليات المنزلية استهلاكًا للطاقة. بالنسبة لعدد من المنازل ، فهي الأكثر استهلاكًا للطاقة. يمكن أن يقلل استخدام الطاقة الشمسية من تكلفة تسخين المياه المنزلية بنسبة 70٪. يقوم المجمع بتسخين الماء مسبقًا ، ثم يتم تغذيته في عمود أو غلاية تقليدية ، حيث يتم تسخين الماء إلى درجة الحرارة المناسبة... هذا يترجم إلى توفير كبير في التكاليف. هذا النظام سهل التركيب ولا يتطلب صيانة تقريبًا.

اليوم ، يتم استخدام أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية في المنازل الخاصة والمباني السكنية والمدارس وغسيل السيارات والمستشفيات والمطاعم ، الزراعةوالصناعة. تشترك كل هذه المؤسسات في شيء واحد: استخدام الماء الساخن. لقد تعلم أصحاب المنازل وقادة الأعمال بالفعل أن أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية فعالة من حيث التكلفة وقادرة على تلبية احتياجات الماء الساخن في كل منطقة من مناطق العالم.

قصة

يقوم الناس بتسخين المياه بمساعدة الشمس منذ العصور القديمة ، قبل أن يحتل الوقود الأحفوري مكانة رائدة في قطاع الطاقة العالمي. مبادئ التسخين الشمسي معروفة منذ آلاف السنين. يسخن السطح المطلي باللون الأسود بشدة في الشمس ، بينما تسخن الأسطح الخفيفة بدرجة أقل ، بينما تسخن البياض أقل من جميع الأسطح الأخرى. تستخدم هذه الخاصية في المجمعات الشمسية - أشهر الأجهزة التي تستخدم طاقة الشمس بشكل مباشر. تم تطوير المجمعات منذ حوالي مائتي عام. أشهرها ، المجمع المسطح ، صنع في عام 1767 من قبل عالم سويسري اسمه هوراس دي سوسور. استخدمه السير جون هيرشل لاحقًا للطهي أثناء رحلته الاستكشافية إلى جنوب إفريقيا في ثلاثينيات القرن التاسع عشر.

وصلت تقنية تجميع الطاقة الشمسية إلى مستوى قريب من الحديث في عام 1908 عندما اخترع ويليام بيلي جامعًا بهيكل معزول حراريًا وأنابيب نحاسية. كان هذا المشعب يشبه إلى حد كبير نظام ثيرموسيفون حديث. بحلول نهاية الحرب العالمية الأولى ، باع بيلي 4000 من هؤلاء الجامعين ، وباع رجل الأعمال في فلوريدا الذي اشترى براءة اختراعه ما يقرب من 60 ألف جامع بحلول عام 1941. أدى تقنين النحاس الذي تم إدخاله في الولايات المتحدة خلال الحرب العالمية الثانية إلى انهيار سوق السخان الشمسي.

حتى أزمة النفط العالمية عام 1973 ، تم نسيان هذه الأجهزة إلى حد كبير. ومع ذلك ، فقد استيقظت الأزمة اهتمام جديدلمصادر الطاقة البديلة. نتيجة لذلك ، فإن الطلب على طاقة شمسية... تهتم العديد من الدول بشدة بتنمية هذا المجال. زادت كفاءة أنظمة التدفئة الشمسية بشكل مطرد منذ السبعينيات بفضل استخدام الزجاج المقسى منخفض الحديد لتغطية المجمعات (يسمح بمرور طاقة شمسية أكثر من الزجاج التقليدي) ، وتحسين العزل الحراري وطلاء انتقائي دائم.

أنواع المجمعات الشمسية

يقوم المجمّع الشمسي النموذجي بتخزين الطاقة الشمسية في وحدات أسطح من الأنابيب والألواح المعدنية المطلية باللون الأسود لزيادة امتصاص الإشعاع. يتم وضعها في علبة زجاجية أو بلاستيكية وتميل نحو الجنوب لالتقاط أقصى قدر من ضوء الشمس. وبالتالي ، فإن المجمع عبارة عن دفيئة مصغرة تخزن الحرارة تحت لوح زجاجي. نظرًا لتوزيع الإشعاع الشمسي على السطح ، يجب أن يكون للمجمع مساحة كبيرة.

تتوفر مجمعات الطاقة الشمسية بأحجام وتصاميم مختلفة حسب تطبيقها. يمكنهم تزويد الأسرة بالماء الساخن للغسيل والغسيل والطبخ ، أو يمكن استخدامها لتسخين المياه مسبقًا لسخانات المياه الموجودة. يقدم السوق حاليا الكثير نماذج مختلفةجامعي. يمكن تقسيمها إلى عدة فئات. على سبيل المثال ، هناك عدة أنواع من المجمعات وفقًا لدرجة الحرارة التي يقدمونها:

ينتج المجمعات ذات درجات الحرارة المنخفضة حرارة منخفضة الدرجة ، أقل من 50 درجة مئوية. يتم استخدامها لتسخين المياه في حمامات السباحة وفي حالات أخرى عندما لا يكون الماء شديد السخونة مطلوبًا.

تنتج مجمعات درجات الحرارة المتوسطة حرارة محتملة عالية ومتوسطة (فوق 50 درجة مئوية ، عادة 60-80 درجة مئوية). عادة ما تكون هذه مجمعات مسطحة زجاجية ، يتم فيها نقل الحرارة عن طريق سائل ، أو مجمعات - مركّزات ، حيث يتم تسخين يركز... ممثل هذا الأخير هو الجامع إخلاء أنبوبي، والتي غالبًا ما تستخدم لتسخين المياه في القطاع السكني.

المشعبات ذات درجة الحرارة العالية عبارة عن صواني مكافئة وتستخدم بشكل أساسي من قبل شركات توليد الطاقة لتوليد الكهرباء لشبكة الطاقة.

مشعب متكامل

أبسط أنواع المجمعات الشمسية هو "جامع بالسعة" أو "جامع حراري" ، والذي حصل على هذا الاسم لأن المجمع هو أيضًا خزان تخزين حراري حيث يتم تسخين وتخزين جزء "يمكن التخلص منه" من الماء. تُستخدم هذه المجمعات لتسخين المياه مسبقًا ، والتي يتم تسخينها بعد ذلك إلى درجة الحرارة المطلوبة في التركيبات التقليدية ، على سبيل المثال ، في سخانات المياه بالغاز. في الظروف أسرةيدخل الماء المسخن إلى خزان التخزين. هذا يقلل من استهلاك الطاقة للتدفئة اللاحقة. هذا المجمع هو بديل غير مكلف لنظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية النشط الذي لا يستخدم الأجزاء المتحركة (المضخات) ، ويتطلب الحد الأدنى من الصيانة ، وتكاليف التشغيل صفر. تتكون مجمعات التخزين المتكاملة من خزان أسود واحد أو أكثر مملوء بالماء ويوضع في صندوق عازل للحرارة مغطى بغطاء زجاجي. في بعض الأحيان يتم وضع عاكس في الصندوق ، مما يضخم الإشعاع الشمسي. يمر الضوء عبر الزجاج ويسخن الماء. هذه الأجهزة غير مكلفة للغاية ، ومع ذلك ، قبل بداية الطقس البارد ، يجب تصريف المياه منها أو حمايتها من التجمد.

المجمعات المسطحة

مجمعات الألواح المسطحة هي أكثر أنواع مجمعات الطاقة الشمسية شيوعًا المستخدمة في أنظمة المياه الساخنة والتدفئة المنزلية. عادةً ما يكون هذا المجمع عبارة عن صندوق معدني عازل للحرارة بغطاء زجاجي أو بلاستيكي ، حيث يتم وضع لوحة امتصاص مطلية باللون الأسود. يمكن أن يكون التزجيج شفافًا أو غير لامع. عادةً ما تستخدم المجمعات المسطحة زجاجًا منخفضًا من الحديد ، ومعتمًا ، وناقلًا للضوء (والذي ينقل جزءًا كبيرًا من ضوء الشمس الذي يدخل المجمع). يضرب ضوء الشمس لوح امتصاص الحرارة ، وبفضل التزجيج ، يتم تقليل فقد الحرارة. يتم تغطية الجدران السفلية والجانبية للمجمع بمادة عازلة للحرارة ، مما يقلل من فقد الحرارة.

عادة ما تكون لوحة الامتصاص سوداء اللون الأسطح المظلمةتمتص طاقة شمسية أكثر من تلك الخفيفة. يمر ضوء الشمس عبر التزجيج ويصطدم بلوح الامتصاص ، الذي يسخن ، ويحول الإشعاع الشمسي إلى طاقة حرارية. يتم نقل هذه الحرارة إلى المبرد - الهواء أو السائل المنتشر عبر الأنابيب. نظرًا لأن معظم الأسطح السوداء لا تزال تعكس حوالي 10٪ من الإشعاع الساقط ، تتم معالجة بعض ألواح الامتصاص بطبقة انتقائية خاصة تحافظ بشكل أفضل على أشعة الشمس الممتصة وتستمر لفترة أطول من الطلاء الأسود العادي. يتكون الطلاء الانتقائي المستخدم في الألواح الشمسية من طبقة رقيقة قوية جدًا من أشباه الموصلات غير المتبلورة المترسبة على قاعدة معدنية. تتميز الطلاءات الانتقائية بامتصاص عالي في المنطقة المرئية من الطيف وانبعاثية منخفضة في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

عادةً ما تصنع الألواح الماصة من معدن يقوم بتوصيل الحرارة جيدًا (غالبًا من النحاس أو الألومنيوم). النحاس أغلى ثمناً ولكنه ينقل الحرارة بشكل أفضل وأقل عرضة للتآكل من الألمنيوم. يجب أن تتمتع لوحة الامتصاص بموصلية حرارية عالية من أجل نقل الطاقة المتراكمة إلى الماء مع الحد الأدنى من فقدان الحرارة. المجمعات المسطحةتنقسم إلى سائل وهواء. كلا النوعين من المجمعات مزجج أو غير مزجج.

مجمعات السوائل

في مجمعات السوائل ، تقوم الطاقة الشمسية بتسخين السائل المتدفق عبر الأنابيب المتصلة بلوحة الامتصاص. يتم نقل الحرارة التي تمتصها اللوحة على الفور إلى السائل.

يمكن أن تكون الأنابيب موازية لبعضها البعض ، ولكل منها مدخل ومخرج ، أو في شكل ملف. يعمل الترتيب السربنتيني للأنابيب على التخلص من إمكانية التسرب من خلال فتحات التوصيل ويضمن تدفقًا متساويًا للسائل. من ناحية أخرى ، قد يكون من الصعب تصريف السائل لتجنب التجمد ، حيث يمكن أن يبقى الماء في أماكن في الأنابيب المثنية.

أبسط أنظمة السوائل تستخدم الماء العادي، والتي تسخن مباشرة في المشعب وتدخل الحمام والمطبخ ، إلخ. يُعرف هذا النموذج بالنظام "المفتوح" (أو "المباشر"). في المناطق ذات المناخ البارد ، يجب تصريف مجمعات السوائل خلال موسم البرد ، عندما تنخفض درجة الحرارة إلى نقطة التجمد ؛ أو سائل مضاد للتجمد يستخدم كحامل للحرارة. في مثل هذه الأنظمة ، يمتص مائع نقل الحرارة الحرارة المخزنة في المجمع ويمر عبر المبادل الحراري. عادة ما يكون المبادل الحراري عبارة عن خزان مياه مركب في المنزل ، حيث يتم نقل الحرارة إلى الماء. هذا النموذج يسمى "نظام مغلق".

تستخدم مجمعات السائل المزجج للتدفئة مياه منزليةوكذلك لتدفئة المساحات. عادة ما تقوم المجمعات غير المطلية بتسخين مياه البركة. نظرًا لأن هؤلاء المجمعين لا يحتاجون إلى تحمل درجات الحرارة العالية ، فإنهم يستخدمون مواد غير مكلفة: البلاستيك والمطاط. لا يحتاجون إلى حماية من الصقيع حيث يتم استخدامها خلال الأشهر الأكثر دفئًا.

جامعي الهواء

تتمتع مجمعات الهواء بميزة أنها لا تعاني من مشاكل التجميد والغليان لسائل التبريد ، والتي تعاني أحيانًا من أنظمة السوائل. بينما يصعب اكتشاف تسرب سائل التبريد في مجمع الهواء وإصلاحه ، إلا أنه أقل إزعاجًا من تسرب السوائل. غالبًا ما تستخدم أنظمة الهواء مواد أرخص من الأنظمة السائلة. على سبيل المثال ، الزجاج البلاستيكي ، لأن درجة حرارة العملفيها أدناه.

مجمعات الهواء عبارة عن مجمعات مسطحة بسيطة وتستخدم بشكل أساسي لتدفئة الأماكن وتجفيف المنتجات الزراعية. الألواح الماصة في مجمعات الهواء عبارة عن ألواح معدنية وشاشات متعددة الطبقات ، بما في ذلك تلك المصنوعة من مواد غير معدنية. يمر الهواء عبر جهاز الامتصاص بالحمل الحراري الطبيعي أو بفعل مروحة. نظرًا لأن الهواء ينقل الحرارة بشكل أسوأ من السائل ، فإنه ينقل حرارة أقل إلى الماص من مائع نقل الحرارة. تحتوي بعض سخانات الهواء الشمسية على مراوح متصلة بلوحة الامتصاص لزيادة اضطراب الهواء وتحسين نقل الحرارة. عيب هذا التصميم أنه يستهلك الطاقة لتشغيل المراوح ، وبالتالي زيادة تكلفة تشغيل النظام. في المناخات الباردة ، يتم توجيه الهواء بين لوحة الامتصاص والعازل الجدار الخلفيالمجمع: وبالتالي تجنب فقد الحرارة من خلال التزجيج. ومع ذلك ، إذا لم يسخن الهواء أكثر من 17 درجة مئوية فوق درجة الحرارة الخارجية ، فيمكن لسائل التبريد أن يدور على جانبي لوحة الامتصاص دون خسائر كبيرة في الكفاءة.

المزايا الرئيسية لمجمعات الهواء هي بساطتها وموثوقيتها. هؤلاء الجامعون لديهم هيكل بسيط. مع الرعاية المناسبة ، يمكن أن يستمر جامع الجودة من 10 إلى 20 عامًا ويسهل إدارته. لا حاجة لمبادل حراري لأن الهواء لا يتجمد.

مجمعات الطاقة الشمسية ذات الأنابيب المفرغة

تم تصميم مجمعات الطاقة الشمسية التقليدية البسيطة المسطحة للاستخدام في المناطق ذات المناخات الشمسية الدافئة. تفقد فعاليتها بشكل كبير في الأيام غير المواتية - في الطقس البارد والغيوم والرياح. علاوة على ذلك ، يؤدي التكثيف والرطوبة الناجم عن الطقس إلى تآكل مبكر للمواد الداخلية ، مما يؤدي بدوره إلى تدهور أداء النظام وانهياره. يتم التخلص من هذه العيوب باستخدام المجمعات التي تم إجلاؤها.

المشعبات المفرغة تسخين الماء من أجل الاستخدام المنزليحيث يحتاج الماء بدرجة حرارة أعلى. يمر الإشعاع الشمسي عبر الأنبوب الزجاجي الخارجي ، ويدخل في أنبوب الامتصاص ويتحول إلى حرارة. يتم نقله إلى السائل الذي يتدفق عبر الأنبوب. يتكون المجمع من عدة صفوف من الأنابيب الزجاجية المتوازية ، كل منها متصل بممتص أنبوبي (بدلاً من لوحة الامتصاص في المجمعات المسطحة) مع طلاء انتقائي. يدور السائل المسخن من خلال المبادل الحراري وينقل الحرارة إلى الماء الموجود في خزان التخزين.

المجمعات التي تم إجلاؤها هي وحدات ، أي يمكن إضافة الأنابيب أو إزالتها حسب الحاجة ، حسب الحاجة إلى الماء الساخن. في صناعة المجمعات من هذا النوع ، يُمتص الهواء من الفراغ بين الأنابيب ويتم تشكيل فراغ. هذا يزيل فقدان الحرارة المرتبط بالتوصيل الحراري للهواء والحمل الحراري الناجم عن دورانه. يبقى فقدان حرارة الإشعاع ( طاقة حراريةينتقل من الأسطح الدافئة إلى الباردة ، حتى في ظل الفراغ). ومع ذلك ، فإن هذا الفقد ضئيل ولا يكاد يذكر مقارنة بكمية الحرارة المنقولة إلى السائل في أنبوب الامتصاص. الفراغ في الأنبوب الزجاجي - أفضل عزل حراري ممكن للمجمع - يقلل من فقد الحرارة ويحمي الممتص والمشتت الحراري من العوامل الضارة تأثيرات خارجية... والنتيجة هي أداء ممتاز يفوق أي نوع آخر من مجمعات الطاقة الشمسية.

هناك العديد من الأنواع المختلفة من الفتحات المفرغة. في بعض الحالات ، يمر أنبوب زجاجي ثالث آخر داخل أنبوب الامتصاص ؛ هناك تصميمات أخرى لزعانف نقل الحرارة وأنابيب السوائل. يوجد مشعب تفريغ يحتوي على 19 لترًا من الماء في كل أنبوب ، وبالتالي يلغي الحاجة إلى خزان منفصل لتخزين المياه. يمكن أيضًا وضع العاكسات خلف الأنابيب المفرغة لزيادة تركيز الإشعاع الشمسي على المجمع.

في المناطق ذات التقلبات العالية في درجات الحرارة ، تكون هذه المجمعات أكثر كفاءة من المجمعات المسطحة لعدد من الأسباب. أولاً ، تعمل بشكل جيد في كل من الإشعاع الشمسي المباشر والمنتشر. هذه الميزة ، جنبًا إلى جنب مع خاصية الفراغ لتقليل فقد الحرارة إلى الخارج ، تجعل هذه المجمعات لا غنى عنها في فصول الشتاء الباردة الملبدة بالغيوم. ثانيًا ، نظرًا للشكل الدائري للأنبوب المفرغ ، يسقط ضوء الشمس بشكل عمودي على جهاز الامتصاص معظم اليوم. للمقارنة ، في المجمّع المسطح الثابت ، يسقط ضوء الشمس عموديًا على سطحه عند الظهيرة فقط. تتميز المجمعات التي تم إجلاؤها بارتفاع درجة حرارة المياه وكفاءتها عن تلك المسطحة ، ولكنها أيضًا أكثر تكلفة.

المكثفات

تستخدم المجمعات البؤرية (المكثفات) أسطحًا عاكسة لتركيز الطاقة الشمسية على ماص ، يسمى أيضًا بالوعة الحرارة. درجة الحرارة التي يصلون إليها أعلى بكثير من تلك المجمعات المسطحة ، لكن يمكنهم فقط تركيز الإشعاع الشمسي المباشر ، مما يؤدي إلى ذلك أداء سيءفي طقس ضبابي أو غائم. يركز السطح العاكس ضوء الشمس المنعكس من سطح كبير على سطح ماص أصغر ، وبالتالي تحقيق درجة حرارة عالية. في بعض النماذج ، يتركز إشعاع الشمس في نقطة محورية ، بينما في نماذج أخرى ، تتركز أشعة الشمس على طول خط بؤري رفيع. يقع جهاز الاستقبال في نقطة الاتصال أو على طول الخط البؤري. يتدفق مائع نقل الحرارة عبر المستقبل ويمتص الحرارة. هذه المجمعات - المكثفات هي الأنسب للمناطق ذات التشمس العالي - بالقرب من خط الاستواء ، في مناخ قاري حاد وفي المناطق الصحراوية.

تعمل المحاور بشكل أفضل عندما تواجه الشمس مباشرة. لهذا ، يتم استخدام أجهزة التتبع ، والتي تحول المجمع "لمواجهة" الشمس أثناء النهار. تدور أجهزة التتبع أحادية المحور من الشرق إلى الغرب ؛ ذو محورين - من الشرق إلى الغرب وزاوية فوق الأفق (لتتبع حركة الشمس عبر السماء طوال العام). تستخدم المحاور بشكل أساسي في التركيبات الصناعية ، لأنها باهظة الثمن ويجب أن تكون أجهزة المتابعة كذلك رعاية مستمرة... تستخدم بعض أنظمة الطاقة الشمسية السكنية مكثفات مكافئة. تستخدم هذه التركيبات لإمداد الماء الساخن والتدفئة ومعالجة المياه. في الأنظمة المنزلية ، تُستخدم أجهزة التتبع أحادية المحور بشكل أساسي - فهي أرخص وأبسط من الأجهزة ثنائية المحور.

يدفع ارتفاع أسعار الطاقة في روسيا الاهتمام بمصادر الطاقة الرخيصة. الطاقة الشمسية هي الأكثر توفرًا بسهولة. تبلغ طاقة الإشعاع الشمسي الساقط على الأرض 10000 مرة أعلى من كمية الطاقة التي يولدها الإنسان. تنشأ مشاكل في تكنولوجيا جمع الطاقة وفيما يتعلق بالتزويد غير المتكافئ للطاقة لمحطات الطاقة الشمسية. لذلك ، يتم استخدام مجمعات الطاقة الشمسية والألواح الشمسية إما بالاقتران مع أجهزة تخزين الطاقة أو كوسيلة لإعادة الشحن الإضافي لمحطة الطاقة الرئيسية.

بلدنا شاسعة وصورة توزيع الطاقة الشمسية على أراضيه متنوعة للغاية.

متوسط ​​بيانات المدخلات الشمسية

شدة مدخلات الطاقة الشمسية

مناطق كثافة الإشعاع الشمسي القصوى. يتم توفير أكثر من 5 كيلوواط لكل متر مربع. ساعة. الطاقة الشمسية يوميا.

على طول الحدود الجنوبية لروسيا من بايكال إلى فلاديفوستوك ، في منطقة ياكوتسك ، في جنوب جمهورية تيفا وجمهورية بورياتيا ، بشكل غريب بما فيه الكفاية ، وراء الدائرة القطبية الشمالية في الجزء الشرقي من سيفيرنايا زمليا.

مدخلات الطاقة الشمسية من 4 إلى 4.5 كيلوواط. ساعة مقابل 1 متر مربع. متر في اليوم

إقليم كراسنودار ، شمال القوقاز ، منطقة روستوف ، الجزء الجنوبي من منطقة الفولغا ، المناطق الجنوبية من نوفوسيبيرسك ، مناطق إيركوتسك ، بورياتيا ، تيفا ، خاكاسيا ، بريمورسكي و منطقة خاباروفسك، منطقة أمور ، جزيرة سخالين ، مناطق شاسعة من إقليم كراسنويارسك إلى ماجادان ، سيفيرنايا زمليا ، شمال شرق منطقة يامالو نينيتس المتمتعة بالحكم الذاتي.

من 2.5 إلى 3 كيلو واط. ساعة لكل متر مربع متر في اليوم

على طول القوس الغربي - نيجني نوفغورود وموسكو وسانت بطرسبرغ وسالخارد والجزء الشرقي من تشوكوتكا وكامتشاتكا.

من 3 إلى 4 كيلو واط. ساعة مقابل 1 متر مربع. متر في اليوم

بقية البلاد.

مدة سطوع الشمس في السنة

يكون تدفق الطاقة أكثر كثافة في مايو ويونيو ويوليو. خلال هذه الفترة ، في وسط روسيا ، 1 متر مربع. متر من السطح لحساب 5 كيلو واط. ساعة في اليوم. أدنى كثافة هي في ديسمبر ويناير ، عند 1 متر مربع. متر من السطح يمثل 0.7 كيلو واط. ساعة في اليوم.

ميزات التثبيت

إذا تم تثبيت المجمع الشمسي بزاوية 30 درجة على السطح ، فمن الممكن ضمان إزالة الطاقة في الوضعين الأقصى والأدنى ، على التوالي ، 4.5 و 1.5 كيلو واط في الساعة لكل 1 متر مربع. متر. في يوم.

توزيع كثافة الإشعاع الشمسي في وسط روسيا حسب الأشهر

بناءً على البيانات المقدمة ، من الممكن حساب مساحة مجمعات الطاقة الشمسية المسطحة المطلوبة لتوفير إمدادات المياه الساخنة لعائلة مكونة من 4 أفراد في منزل فردي. يمكن تسخين 300 لتر من الماء من 5 درجات إلى 55 درجة في يونيو بواسطة المجمعين بمساحة 5.4 متر مربع ، في 18 ديسمبر متر مربع. أمتار. إذا تم استخدام مجمعات فراغ أكثر كفاءة ، فإن مساحة المجمع المطلوبة تنخفض إلى النصف تقريبًا.

تغطية المياه بالطاقة الشمسية DHW

من الناحية العملية ، يُنصح باستخدام مجمعات الطاقة الشمسية ليس كمصدر رئيسي لإمداد الماء الساخن ، ولكن كجهاز لتسخين المياه التي تدخل إلى منشأة التدفئة. في هذه الحالة ، يتم تقليل استهلاك الوقود بشكل حاد. في الوقت نفسه ، يتم ضمان الإمداد المستمر بالمياه الساخنة وتوفير المياه الساخنة وتدفئة المنزل ، إذا كان منزلًا للإقامة الدائمة. في الصيف ، يتم استخدامها للحصول على الماء الساخن أنواع مختلفةتجميع الطاقة الشمسية. من المجمعات المصنوعة في المصنع إلى الأجهزة المنزلية المصنوعة من مواد الخردة. إنها تختلف ، أولاً وقبل كل شيء ، من حيث الكفاءة. صنع المصنع أكثر كفاءة ، لكنه أغلى ثمناً. تقريبًا مجانًا ، يمكنك إنشاء مجمّع بمبادل حراري من ثلاجة قديمة.

في روسيا ، يتم تنظيم تركيب مجمعات الطاقة الشمسية بواسطة RD 34.20.115-89 " تعليمات منهجيةلحساب وتصميم أنظمة التدفئة الشمسية "، VSN 52-86 (بتنسيق RTF ، 11 ميغا بايت)" تركيبات إمدادات المياه بالطاقة الشمسية الساخنة. معايير التصميم ". هناك توصيات لاستخدام مصادر الطاقة غير التقليدية في تربية الحيوانات وإنتاج الأعلاف ومزارع الفلاحين وقطاع الإسكان الريفي ، تم تطويرها بناءً على طلب وزارة الزراعة في عام 2002. GOST R 51595" مجمعات الطاقة الشمسية. المتطلبات الفنية "، GOST R 51594" طاقة شمسية... المصطلحات والتعاريف "،

تصف هذه الوثائق بشيء من التفصيل مخططات مجمعات الطاقة الشمسية المستخدمة والطرق الأكثر فاعلية لاستخدامها في مختلف الظروف المناخية.

مجمعات الطاقة الشمسية في ألمانيا

في ألمانيا ، تدعم الدولة تكاليف تركيب مجمعات الطاقة الشمسية ، لذلك يتزايد استخدامها بشكل مطرد. في عام 2006 ، تم تركيب 1،300،000 متر مربع من المجمعات. من هذا المبلغ ، ما يقرب من 10 ٪ من المجمعات الفراغية أغلى ثمناً وأكثر كفاءة. تبلغ المساحة الإجمالية لمجمعات الطاقة الشمسية المثبتة حتى الآن حوالي 12 مليون متر مربع.

المواد والرسومات المقدمة من Viessmann

تختلف شدة ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض باختلاف الوقت من اليوم والسنة والموقع والأحوال الجوية. يُطلق على إجمالي كمية الطاقة المحسوبة يوميًا أو سنويًا اسم التشعيع (أو بعبارة أخرى "وصول الإشعاع الشمسي") ويظهر مدى قوة الإشعاع الشمسي. يتم قياس التشعيع بـ W * h / m² في اليوم أو فترة أخرى.

تسمى شدة الإشعاع الشمسي في الفضاء الحر على مسافة مساوية لمتوسط ​​المسافة بين الأرض والشمس بالثابت الشمسي. قيمتها 1353 واط / م². عند المرور عبر الغلاف الجوي ، يتم تخفيف ضوء الشمس بشكل أساسي بسبب امتصاص الأشعة تحت الحمراء بواسطة بخار الماء والأشعة فوق البنفسجية بواسطة الأوزون وتشتت الإشعاع بواسطة جزيئات الغبار والهباء الجوي. يسمى مؤشر تأثير الغلاف الجوي على كثافة الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض "الكتلة الهوائية" (AM). يتم تعريف AM على أنها قاطع الزاوية بين الشمس والسمت.

يوضح الشكل 1 التوزيع الطيفي لشدة الإشعاع الشمسي في ظروف مختلفة... المنحنى العلوي (AM0) يتوافق مع الطيف الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض (على سبيل المثال ، على متن الطائرة سفينة فضائية)، بمعنى آخر. عند صفر كتلة هوائية. يتم تقريبه عن طريق توزيع كثافة إشعاع جسم أسود تمامًا عند درجة حرارة 5800 كلفن. يوضح المنحنيان AM1 و AM2 التوزيع الطيفي للإشعاع الشمسي على سطح الأرض عندما تكون الشمس في أوجها وفي زاوية بين الشمس وذروة 60 درجة ، على التوالي. في هذه الحالة ، تبلغ الطاقة الإشعاعية الإجمالية حوالي 925 و 691 واط / متر مربع ، على التوالي. يتطابق متوسط ​​شدة الإشعاع على الأرض تقريبًا مع كثافة الإشعاع عند AM = 1.5 (الشمس بزاوية 45 درجة في الأفق).

بالقرب من سطح الأرض ، يمكنك أن تأخذ معدلشدة الإشعاع الشمسي 635 واط / م². في يوم مشمس صافٍ جدًا ، تتراوح هذه القيمة من 950 واط / متر مربع إلى 1220 واط / متر مربع. متوسط ​​القيمة حوالي 1000 واط / متر مربع. مثال: شدة إجمالي الإشعاع في زيورخ (47 ° 30 شمالاً ، 400 متر فوق مستوى سطح البحر) على سطح متعامد مع الإشعاع: 1 مايو 12:00 ساعة 1080 وات / م 2 ؛ 21 ديسمبر 12:00 ساعة 930 وات / م 2 ...

لتبسيط حساب مدخلات الطاقة الشمسية ، عادة ما يتم التعبير عنها بساعات من أشعة الشمس بكثافة 1000 واط / متر مربع. أولئك. 1 ساعة تقابل وصول إشعاع شمسي 1000 واط * ساعة / متر مربع. يتوافق هذا تقريبًا مع الفترة التي تشرق فيها الشمس في الصيف في منتصف يوم مشمس صافٍ على السطح المتعامد مع أشعة الشمس.

مثال
تشرق الشمس الساطعة بقوة 1000 واط / م 2 على سطح متعامد مع أشعة الشمس. لمدة ساعة واحدة ، ينخفض ​​1 كيلو وات / ساعة من الطاقة لكل 1 متر مربع (الطاقة تساوي ناتج الطاقة والوقت). وبالمثل ، فإن متوسط ​​الإشعاع الشمسي البالغ 5 كيلو واط ساعة / متر مربع خلال النهار يتوافق مع 5 ساعات ذروة من سطوع الشمس في اليوم. لا تخلط بين ساعات الذروة والمدة الفعلية ساعات النهار... خلال ساعات النهار ، تشرق الشمس بكثافة مختلفة ، لكنها في المجمل تعطي نفس القدر من الطاقة كما لو كانت تتألق لمدة 5 ساعات بأقصى كثافة. إنها ساعات الذروة من أشعة الشمس التي تستخدم في حسابات محطات الطاقة الشمسية.

يختلف وصول الإشعاع الشمسي على مدار اليوم ومن مكان إلى آخر ، خاصة في المناطق الجبلية. يختلف التشعيع في المتوسط ​​من 1000 كيلو واط * ساعة / متر مربع سنويًا لدول شمال أوروبا ، إلى 2000-2500 كيلو واط * ساعة / متر مربع سنويًا للصحاري. تؤدي الظروف الجوية وانحراف الشمس (الذي يعتمد على خط عرض المنطقة) أيضًا إلى اختلافات في وصول الإشعاع الشمسي.

في روسيا ، على عكس الاعتقاد السائد ، هناك الكثير من الأماكن التي يكون من المربح فيها تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء باستخدام. يوجد أدناه خريطة لموارد الطاقة الشمسية في روسيا. كما ترون ، يمكن استخدامه بنجاح في معظم أنحاء روسيا في الوضع الموسمي ، وفي المناطق التي يزيد فيها ضوء الشمس عن 2000 ساعة / سنة - على مدار السنة... بطبيعة الحال ، في فترة الشتاءيتم تقليل إنتاج طاقة الألواح الشمسية بشكل كبير ، ولكن لا تزال تكلفة الكهرباء من محطة للطاقة الشمسيةلا يزال أقل بكثير من مولد الديزل أو البنزين.

من المفيد بشكل خاص استخدامه حيث لا توجد شبكات كهربائية مركزية ويتم توفير مصدر الطاقة بواسطة مولدات الديزل. وهناك الكثير من هذه المناطق في روسيا.

علاوة على ذلك ، حتى في حالة وجود شبكة ، فإن استخدام الألواح الشمسية التي تعمل بالتوازي مع الشبكة يمكن أن يقلل بشكل كبير من تكاليف الطاقة. مع الاتجاه الحالي نحو زيادة الرسوم الجمركية على احتكارات الطاقة الطبيعية في روسيا ، أصبح تركيب الألواح الشمسية استثمارًا ذكيًا.

"الشمس القياسية"(ذروة قوة الإشعاع التي تصل إلى سطح الأرض عند مستوى سطح البحر في المنطقة الاستوائية في فترة ما بعد الظهيرة الصافية): 1000 واط / م 2 ، أو 1 كيلو واط / م 2.

تستخدم هذه القيمة بشكل شائع في خصائص الأنظمة الكهروضوئية. فيما يلي ، يتم تقديم جميع الأشكال للأسطح التي يتم تحديد موقعها على النحو الأمثل بالنسبة للشمس (عموديًا على الأشعة) وفقًا لخط العرض. بالنسبة للأسطح الأفقية ، تحصل على قدر أقل من ضوء الشمس: كلما ابتعدت عن خط الاستواء ، قلت كثافة الطاقة الشمسية.

تشمس(متوسط ​​عدد ساعات "الشمس العادية" خلال النهار): من 4-5 ساعات من سطوع الشمس في شمال شرق الولايات المتحدة إلى 5-7 ساعات في الجنوب الغربي. يشار إلى التشمس بالكيلو وات ساعة ، مشتق عدديًا من "الشمس القياسية" بقيمة 1 كيلو وات.

إجمالي كمية الطاقة المنبعثة من ضوء الشمسفي اليوم لكل متر مربع عند مستوى سطح البحر: (الطاقة في اليوم) = 1 كيلو واط ساعة × (التشميس بالساعات). مع الأخذ في الاعتبار متوسط ​​التشمس في الولايات المتحدة ، والذي يساوي 5 ساعات من أشعة الشمس ، فإن هذه القيمة عادة ما تساوي 5 كيلو واط ساعة / م 2.

الطاقة الشمسية، بمتوسط ​​يوم كامل: متوسط ​​واط = (الطاقة في اليوم) / 24. لتشمس 5 كيلو واط في الساعة ، متوسط ​​الطاقة على مدار اليوم بالكامل هو 5000 واط / 24 = 208 واط / م 2. يرجى ملاحظة أنه لا يمكن تحويل سوى جزء صغير من هذه الطاقة إلى كهرباء بسبب عدم وجود الكثير كفاءة عاليةالأنظمة الكهروضوئية.

الخصائص النموذجية للأنظمة الكهروضوئية

متوسط ​​الكفاءةالألواح الشمسية التجارية الشائعة: السيليكون البلوري (CSI) - 12-17٪ ؛ طبقة رقيقة (من السيليكون غير المتبلور ومواد أخرى) - 8-12٪.

سلطةتم إنشاؤها بواسطة لوحة ذات متر مربع واحد: PVwatts = (الطاقة الشمسية) × (متوسط ​​الكفاءة) ، حيث يتم تحويل الكفاءة إلى رقم عشري.

الطاقة القصوىفي فترة ما بعد الظهيرة صافية: PVwatts- الذروة = 1000 واط × الكفاءة. عادةً ، تبلغ الطاقة القصوى 120-170 واط / م 2 لـ CSi و 80-120 واط / م 2 للأغشية الرقيقة (TF).

إجمالي متوسط ​​كمية الطاقةيتم إنتاجها بواسطة لوحة واحدة متر مربع في اليوم: PVday = PVwatts-الذروة × (تشميس بالساعات). بالنسبة للتشمس عند 5 ساعات ، ستكون هذه القيمة 0.6-0.85 كيلو واط / م 2 لـ CSi و 0.4-0.6 كيلو واط / م 2 لـ TF.

توليد الطاقةمتوسط ​​الألواح على مدار اليوم بالكامل: PVwatts-average = PVday / 24. هذا ما يقرب من 25-35 واط / م 2 لـ CSi و 17-25 W / m2 لـ TF.

إجمالي الطاقةيتم إنشاؤها بواسطة وحدة كهروضوئية لكل متر مربع سنويًا: PVyear = ( إجمالي الطاقةفي اليوم) × 365 ، والتي ستكون حوالي 219-310 كيلو واط في الساعة لـ CSi و146-219 كيلو واط في الساعة لـ TF. يرجى ملاحظة أن كفاءة العواكس 95-97٪ ، وبالتالي فإن الكهرباء الفعلية ستكون 5٪ أقل.

التكلفة المتوقعة للكهرباءمن م 2 يتم توفيره سنويًا: التوفير = PVyear × 0.95 × (تكلفة كيلوواط ساعة) ، حيث 0.95 هي كفاءة المحول وخسائر الأسلاك.

في المتوسط ​​، في الولايات المتحدة ، تبلغ تكلفة كيلوواط ساعة واحد من الكهرباء 0.12 دولارًا أمريكيًا ، مما يعطي 24-35 دولارًا أمريكيًا سنويًا لـ CSi و 17-24 دولارًا أمريكيًا للأفلام الرقيقة. وبالتالي ، في أفضل الأحوال ، سيكون من الممكن توفير 35 دولارًا سنويًا مقابل 1 متر مربع من اللوحة. يشير هذا الرقم إلى نظام عالي الكفاءة بقوة اسمية تبلغ 170 واط / م 2. بالنظر إلى أن التكلفة الحالية للنظام الكهروضوئي النموذجي هي 8000 دولار لكل 1000 واط ، فإن مثل هذه التركيبات ستكلف 170/1000 × 8000 دولار = 1360 دولارًا لكل متر مربع. هذا يعني أنه في مثالنا ، ستكون فترة الاسترداد الافتراضية 1360/35 = 39 عامًا. لا توجد معدات يمكن أن تعمل لفترة طويلة. يمكن أن تقلل الخصومات والائتمانات هذه المرة بأكثر من النصف ، ومع ذلك ، بالنسبة للأسرة العادية ، فإن تركيب الألواح الشمسية ربما لن يؤتي ثماره. بالطبع ، هذا مجرد مثال. في المناطق التي بها تشميس مختلف وتكاليف تركيب مختلفة ، قد تكون فترة الاسترداد أعلى أو أقل.

معلومات موجزة عن الشمس

• القطر: 1.392.000 كم
• الوزن: 1989100 × 10 24 كجم ؛
• درجة حرارة السطح: ~ 5700 درجة مئوية ؛
• متوسط ​​المسافة من الأرض إلى الشمس: 150 مليون كيلومتر ؛
• التركيب بالوزن: 74٪ هيدروجين ، 25٪ هيليوم ، 1٪ عناصر أخرى ؛
• السطوع (إجمالي كمية الطاقة المشعة في جميع الاتجاهات): 3.85 × 10 26 واط (~ 385 مليار ميغاواط) ؛
• كثافة القدرة الإشعاعية على سطح الشمس: 63300 كيلوواط لكل متر مربع.

البطارية الشمسية عبارة عن سلسلة من الوحدات الشمسية التي تحول الطاقة الشمسية إلى كهرباء ، وباستخدام الأقطاب الكهربائية ، تنقلها إلى أجهزة تحويل أخرى. هذا الأخير ضروري من أجل صنع تيار متناوب من التيار المباشر القادر على الإدراك الأجهزة الكهربائية المنزلية... يتم الحصول على التيار المباشر عندما تستقبل الخلايا الشمسية الطاقة الشمسية وتتحول طاقة الفوتونات إلى تيار كهربائي.

يحدد عدد الفوتونات التي تضرب الخلية الكهروضوئية مقدار الطاقة التي تعطيها البطارية الشمسية. لهذا السبب ، لا يتأثر أداء البطارية بمادة الخلية الكهروضوئية فحسب ، بل يتأثر أيضًا بالكمية أيام مشمسةفي السنة ، زاوية السقوط أشعة الشمسعلى البطارية وعوامل أخرى خارجة عن سيطرة الإنسان.

الجوانب التي تؤثر على مقدار الطاقة التي تولدها الخلايا الشمسية

بادئ ذي بدء ، يعتمد أداء الألواح الشمسية على مادة التصنيع وتكنولوجيا الإنتاج. من تلك الموجودة في السوق ، يمكنك العثور على بطاريات ذات أداء يتراوح من 5 إلى 22٪. جميع الألواح الشمسية مقسمة إلى سيليكون وفيلم.

أداء وحدة السيليكون:

• ألواح سيليكون أحادية البلورية - تصل إلى 22٪.
• الألواح متعددة الكريستالات - حتى 18٪.
• غير متبلور (مرن) - حتى 5٪.

أداء وحدات الفيلم:

• على أساس الكادميوم تيلورايد - ما يصل إلى 12٪.
• على أساس ميلي-إنديوم-غاليوم سيلينيد - ما يصل إلى 20٪.
• البوليمر - حتى 5٪.

هناك أيضا أنواع مختلطةالألواح ، والتي ، مع مزايا نوع واحد ، تسمح بتغطية عيوب نوع آخر ، وبالتالي زيادة كفاءة الوحدة.

أيضًا ، يتأثر مقدار الطاقة التي توفرها البطارية الشمسية بعدد الأيام الصافية في السنة. من المعروف أنه إذا ظهرت الشمس في منطقتك ليوم كامل في أقل من 200 يوم في السنة ، فلن يكون تركيب واستخدام الألواح الشمسية مربحًا.

بالإضافة إلى ذلك ، تؤثر درجة حرارة تسخين البطارية أيضًا على كفاءة الألواح. لذلك ، عند التسخين بمقدار 1 درجة مئوية ، تنخفض الإنتاجية بنسبة 0.5٪ ، على التوالي ، عند التسخين بمقدار 10 درجات مئوية ، يكون لدينا نصف الكفاءة. لمنع مثل هذه المشاكل ، يتم تثبيت أنظمة التبريد ، والتي تتطلب أيضًا استهلاك الطاقة.

للحفاظ على مستويات عالية من الإنتاجية على مدار اليوم ، تم تثبيت أنظمة تتبع الطاقة الشمسية للمساعدة في الحفاظ على زاوية مستقيمة لحدوث الأشعة على الألواح الشمسية. لكن هذه الأنظمة باهظة الثمن ، ناهيك عن البطاريات نفسها ، لذلك لا يستطيع الجميع تركيبها لتشغيل منازلهم.

يعتمد مقدار الطاقة التي تولدها البطارية الشمسية أيضًا على المساحة الإجمالية للوحدات المركبة ، لأن كل خلية شمسية يمكن أن تتلقى كمية محدودة.

كيف تحسب مقدار الطاقة التي توفرها الألواح الشمسية لمنزلك؟

بناءً على النقاط المذكورة أعلاه التي يجب أخذها في الاعتبار عند شراء الألواح الشمسية ، يمكننا استنباط معادلة بسيطة يمكننا من خلالها حساب مقدار الطاقة التي ستنتجها وحدة واحدة.

لنفترض أنك اخترت واحدة من أكثر الوحدات إنتاجية بمساحة 2 م 2. تبلغ كمية الطاقة الشمسية في يوم مشمس نموذجي حوالي 1000 واط لكل متر مربع. نتيجة لذلك ، نحصل على الصيغة التالية: الطاقة الشمسية (1000 واط / م 2) × الإنتاجية (20٪) × مساحة الوحدة (2 م 2) = الطاقة (400 وات).

إذا كنت تريد حساب مقدار الطاقة الشمسية التي تدركها البطارية في المساء وفي يوم غائم ، يمكنك استخدام الصيغة التالية: كمية الطاقة الشمسية في يوم صافٍ × جيب زاوية ضوء الشمس وسطح اللوحة × النسبة المئوية من الطاقة المحولة في يوم غائم = مقدار الطاقة الشمسية التي تحول البطارية في النهاية. على سبيل المثال ، لنفترض أنه في المساء تكون زاوية سقوط الأشعة 30 درجة. نحصل على الحساب التالي: 1000 W / m2 × sin30̊ × 60٪ = 300 واط / م 2 ، ونستخدم الرقم الأخير كأساس لحساب القدرة.