Uvod

Poznato je da je Sunce primarni i glavni izvor energije za našu planetu. On zagrijava cijelu Zemlju, pokreće rijeke i daje snagu vjetru. Pod njegovim zrakama raste 1 kvadrilion tona biljaka, hraneći, zauzvrat, 10 trilijuna tona životinja i bakterija. Zahvaljujući istom Suncu, Zemlja je nakupila rezerve ugljovodonika, odnosno nafte, uglja, treseta itd., koje sada aktivno sagorevamo. Da bi čovječanstvo danas moglo zadovoljiti svoje energetske potrebe potrebno je oko 10 milijardi tona standardnog goriva godišnje. (Toplota sagorevanja ekvivalentnog goriva je 7.000 kcal/kg).

Zadaci:

Razmotrite glavne fizički principi i fenomeni;

· Formiranje znanja i vještina, omogućavajući da se izvrši teorijski proračun glavnih parametara;

Razmotrite prednosti i nedostatke korištenja solarne energije

Razmotrite načine za dobivanje električne energije i topline sunčevo zračenje

Solarna energija - korištenje sunčevog zračenja za dobivanje energije u bilo kojem obliku. Solarna energija koristi obnovljivi izvor energije i u budućnosti može postati ekološki prihvatljiva, odnosno ne proizvodi štetan otpad.

Sunčevo zračenje je praktično nepresušni izvor energije, ona ide u sve kutke Zemlje, "na dohvat ruke" je svakom potrošaču i ekološki je i pristupačan izvor energije.

Upotreba sunčeve svjetlosti i topline je čista, jednostavna i prirodnim putem primanje svih oblika energije koja nam je potrebna. Solarni kolektori se mogu koristiti za grijanje ili napajanje stambenih i poslovnih zgrada vruća voda... Sunčeva svetlost, koncentrisana paraboličnim ogledalima (reflektorima), koristi se za stvaranje toplote (sa temperaturama do nekoliko hiljada stepeni Celzijusa). Može se koristiti za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Osim toga, postoji još jedan način generiranja energije korištenjem sunca - fotonaponska tehnologija. Fotonaponske ćelije su uređaji koji pretvaraju sunčevo zračenje direktno u električnu energiju.

SOLARNA ENERGIJA

Energija Sunca je izvor života na našoj planeti. Sunce zagrijava atmosferu i površinu Zemlje. Hvala za solarna energija pušu vjetrovi, kruženje vode u prirodi se odvija, mora i okeani se zagrijavaju, biljke se razvijaju, životinje imaju hranu. Zahvaljujući sunčevom zračenju fosilna goriva postoje na Zemlji. Sunčeva energija se može pretvoriti u toplotu ili hladnoću, pogon i električnu energiju.

Sunčevo zračenje

Sunčevo zračenje je elektromagnetno zračenje, koncentrisano uglavnom u opsegu talasnih dužina od 0,28 ... 3,0 mikrona. Sunčev spektar se sastoji od:

Ultraljubičasti talasi dužine 0,28...0,38 mikrona, nevidljivi našim očima i čine približno 2% sunčevog spektra;

Svetlosni talasi u opsegu 0,38 ... 0,78 µm, koji čine približno 49% spektra;

Infracrveni talasi dužine 0,78 ... 3,0 mikrona, koji čine većinu preostalih 49% sunčevog spektra. Ostatak spektra igra sporednu ulogu toplotni bilans Zemlja.

Koliko sunčeve energije pogodi Zemlju?

Sunce zrači velika količina energija - približno 1,1x10 20 kWh u sekundi. Kilovat sat je količina energije potrebna za rad sijalice sa žarnom niti od 100 vati tokom 10 sati. Vanjski slojevi Zemljine atmosfere presreću otprilike milioniti dio energije koju emituje Sunce, ili otprilike 1.500 kvadriliona (1,5 x 10 18) kWh godišnje. Međutim, zbog svoje refleksije, raspršivanja i apsorpcije atmosferskih plinova i aerosola, samo 47% ukupne energije, ili otprilike 700 kvadriliona (7 x 10 17) kWh, dospijeva na površinu Zemlje.

Sunčevo zračenje u Zemljinoj atmosferi dijeli se na takozvano direktno zračenje i raspršeno zračenje, na čestice zraka, prašine, vode itd., sadržane u atmosferi. Njihov zbir čini ukupno sunčevo zračenje.

Količina energije koja pada po jedinici površine u jedinici vremena zavisi od niza faktora: geografske širine lokalne klime, godišnjeg doba i ugla nagiba površine u odnosu na Sunce.

Vrijeme i mjesto

Količina sunčeve energije koja pada na površinu Zemlje mijenja se zbog kretanja Sunca. Ove promjene zavise od doba dana i doba godine. Obično više sunčevog zračenja pogodi Zemlju u podne nego u ranim jutarnjim ili kasnim večernjim satima. U podne je Sunce visoko iznad horizonta, a dužina puta za sunčeve zrake kroz Zemljinu atmosferu je skraćena. Posljedično, manje sunčevog zračenja se raspršuje i apsorbira, što znači da više dolazi do površine.

Količina sunčeve energije koja dopire do površine Zemlje razlikuje se od prosječne godišnje vrijednosti: u zimsko vrijeme- manje od 0,8 kWh/m2 dnevno na severu Evrope i više od 4 kWh/m2 dnevno u ljetno vrijeme u istoj regiji. Razlika se smanjuje kako se približavate ekvatoru.

Količina sunčeve energije također ovisi o geografskoj lokaciji lokacije: što je bliže ekvatoru, to je više. Na primjer, prosječni godišnji ukupni upad sunčevog zračenja na horizontalnu površinu iznosi: u Centralnoj Evropi, Centralnoj Aziji i Kanadi - približno 1000 kWh/m2; na Mediteranu - oko 1700 kWh / m 2; u većini pustinjskih regija Afrike, Bliskog istoka i Australije - oko 2200 kWh / m2.

Dakle, količina sunčevog zračenja značajno varira u zavisnosti od godišnjeg doba i geografska lokacija... Ovaj faktor se mora uzeti u obzir kada se koristi solarna energija.

Solarna insolacija Je veličina koja određuje količinu zračenja površine snopom sunčeve zrake(čak i reflektovani ili razbacani oblacima). Površina može biti bilo koja, uključujući solarni panel koji pretvara sunčevu energiju u električna energija... A to je koliko će vaša prirodna elektrana biti efikasna i određuje parametar solarne insolacije. Insolacija se mjeri u kW*h/m2, odnosno u količini sunčeve energije koju primi jedan kvadratni metar površine u toku jednog sata. Prirodno izvedene metrike se izračunavaju za idealnim uslovima: potpuno odsustvo oblaci i sunčeve zrake koje padaju na površinu pod pravim uglom (okomito).

Jednostavnim riječima, solarna insolacija je prosječan broj sati dnevno u kojima sunce obasjava izračunatu površinu pod pravim uglom po vedrom vremenu.

Vrlo često ljudi vjeruju da ako sunce izlazi u 6 ujutro i zalazi u 19 sati, onda dnevni učinak solarnog panela treba smatrati proizvodom njegove snage za 13 sati dok sunce sija. Ovo je u osnovi pogrešno, jer postoji oblačnost, ali glavno sunce se kreće po nebu, bacajući zrake na površinu zemlje ispod različitim uglovima... Da, svakako možete koristiti posebne trackere koji će rotirati vaš solarni panel prema suncu, ali to je skupo i rijetko ekonomski opravdano. Trakeri se koriste kada je potrebno povećati snagu po jedinici površine.

Odakle dolaze podaci o solarnoj aktivnosti?

Nacionalna uprava za aeronautiku i svemir (NASA) proučava solarnu aktivnost u svim regijama naše planete. Sateliti prate aktivnost sunca 24 sata i unose primljene informacije u tabele. U proračunima su uzeti u obzir podaci iz posljednjih 25 godina. Primer takve tabele za Sankt Peterburg (59.944, 30.323) možete videti na linku https://eosweb.larc.nasa.gov/. Ova organizacija pripada američkoj saveznoj vladi i, nažalost, njihova web stranica je dostupna samo na engleskom jeziku.

Nema potrebe dešifrirati sve vrijednosti i koeficijente u tabeli, jer nas zanimaju samo dvije - to je stvarna vrijednost sunčeve insolacije u određenim mjesecima (OPT) i vrijednost optimalnog ugla nagiba solarni panel (OPT ANG).

Proračun snage solarne elektrane na osnovu vrijednosti insolacije

Recimo da imamo mrežnu solarnu elektranu snage 5 kW u Sankt Peterburgu i želimo da izračunamo njenu snagu u junu. Solarni moduli se postavljaju pod optimalnim uglom.

5 kW * 5,76 kW * h / m2 * 30 dana = 864 kW * h

* Formula je pojednostavljena, tako da obračunske jedinice u formuli neće odgovarati odgovoru. Ovo se ispravlja uvođenjem parametara u formulu solarna elektrana i pretvaranje dana u sate.

Ali u januaru će ista elektrana proizvoditi samo 5 * 1,13 * 30 = 169,5 kW * h, tako da se solarni paneli iz Sankt Peterburga aktivno koriste samo ljeti.

Godinu dana će takva solarna elektrana moći primiti 5 * 3,4 * 365 = 6205 kW ili 6,2 MW čiste električne energije. Da li je to isplativo? Na vama je, jer radni vek mrežne elektrane je više od 50 godina, a tarife za industrijsku struju rastu svake godine za najmanje 10%.

Intenzitet sunčeve svjetlosti koja dopire do Zemlje varira u zavisnosti od doba dana, godine, lokacije i vremenskih uslova. Ukupna količina energije izračunata po danu ili godišnje naziva se zračenje (ili drugim riječima, "dolazak sunčevog zračenja") i pokazuje koliko je sunčevo zračenje bilo snažno. Ozračenje se mjeri u W*h/m² po danu ili drugom periodu.

Intenzitet sunčevog zračenja u slobodnom prostoru na udaljenosti jednakoj prosječnoj udaljenosti između Zemlje i Sunca naziva se solarna konstanta. Njegova vrijednost je 1353 W / m². Prilikom prolaska kroz atmosferu, sunčeva svjetlost se uglavnom slabi zbog apsorpcije infracrvenog zračenja vodenom parom, ultraljubičastog zračenja ozonom i raspršivanja zračenja česticama atmosferske prašine i aerosola. Indikator uticaja atmosfere na intenzitet sunčevog zračenja koje dopire do površine zemlje naziva se "vazdušna masa" (AM). AM se definiše kao sekansa ugla između Sunca i zenita.

Na slici 1 prikazana je spektralna raspodjela intenziteta sunčevog zračenja u različitim uslovima... Gornja kriva (AM0) odgovara sunčevom spektru izvan Zemljine atmosfere (na primjer, na brodu svemirski brod), tj. na nultu vazdušnu masu. Aproksimira se raspodjelom intenziteta zračenja apsolutno crnog tijela na temperaturi od 5800 K. Krive AM1 i AM2 ilustruju spektralnu raspodjelu sunčevog zračenja na površini Zemlje kada je Sunce u zenitu i pod kutom između Sunce i zenit od 60°, respektivno. U ovom slučaju, ukupna snaga zračenja je oko 925 i 691 W / m², respektivno. Prosječni intenzitet zračenja na Zemlji otprilike se poklapa sa intenzitetom zračenja na AM = 1,5 (Sunce je pod uglom od 45° prema horizontu).

Blizu površine zemlje, možete uzeti prosjek intenzitet sunčevog zračenja 635 W/m². Za vrlo vedrog sunčanog dana, ova vrijednost se kreće od 950 W/m² do 1220 W/m². Prosječna vrijednost je oko 1000 W/m². Primjer: Intenzitet ukupnog zračenja u Cirihu (47°30′ N, 400 m nadmorske visine) na površini okomitoj na zračenje: 1. maja 12:00 sati 1080 W/m2; 21. decembra 12:00 sati 930 W/m2 ...

Da bi se pojednostavio proračun unosa solarne energije, obično se izražava u sunčanim satima pri intenzitetu od 1000 W/m². One. 1 sat odgovara dolasku sunčevog zračenja od 1000 W*h/m². To otprilike odgovara periodu kada sunce sija ljeti usred sunčanog dana bez oblaka na površini okomitoj na sunčeve zrake.

Primjer
Jarko sunce sija intenzitetom od 1000 W/m² na površinu okomitu na sunčeve zrake. Za 1 sat pada 1 kWh energije na 1 m² (energija je jednaka proizvodu snage i vremena). Isto tako, prosječna sunčeva svjetlost od 5 kWh/m² tokom dana odgovara 5 sunčanih sati dnevno. Nemojte brkati vršne sate sa stvarnim trajanjem dnevnim satima... Tokom dana sunce sija različitim intenzitetom, ali ukupno daje istu količinu energije kao da je sijalo 5 sati maksimalnim intenzitetom. To su vršni sunčani sati koji se koriste u proračunima solarnih elektrana.

Dolazak sunčevog zračenja varira tokom dana i od mesta do mesta, posebno u planinskim predelima. Ozračenje varira u prosjeku od 1000 kW*h/m2 godišnje za zemlje Sjeverne Evrope, do 2000-2500 kW*h/m2 godišnje za pustinje. Vremenski uslovi i deklinacija sunca (što zavisi od geografske širine područja) takođe dovode do razlika u dolasku sunčevog zračenja.

U Rusiji, suprotno uvriježenom mišljenju, postoji mnogo mjesta gdje je isplativo pretvarati solarnu energiju u električnu. Ispod je mapa izvora solarne energije u Rusiji. Kao što vidite, u većem dijelu Rusije može se uspješno koristiti u sezonskom režimu, au područjima sa više od 2000 sunčanih sati godišnje - tijekom cijele godine... Naravno, u zimski period proizvodnja energije iz solarnih panela je značajno smanjena, ali je i dalje cijena električne energije iz solarne elektrane znatno niža nego iz dizel ili benzinskih generatora.

Posebno je povoljno koristiti ga tamo gdje nema centraliziranih električnih mreža, a napajanje se vrši pomoću dizel agregata. A takvih regija u Rusiji ima puno.

Štoviše, čak i tamo gdje postoji mreža, korištenje solarnih panela koji rade paralelno s mrežom može značajno smanjiti troškove energije. Sa trenutnim trendom viših tarifa za ruske monopole prirodne energije, postavljanje solarnih panela postaje pametna investicija.

Solarna baterija je niz solarnih modula koji pretvaraju sunčevu energiju u električnu i, koristeći elektrode, dalje je prenose na druge uređaje za konverziju. Potonji su potrebni kako bi se od jednosmjerne struje napravila naizmjenična struja, koja je u stanju percipirati kućni električni aparati... Jednosmjerna struja se dobija kada solarnu energiju primaju solarne ćelije i energija fotona se pretvara u električnu struju.

Koliko fotona pogodi fotoćeliju određuje koliko energije daje solarna baterija. Iz tog razloga na performanse baterije ne utiče samo materijal fotoćelije, već i količina sunčanih dana za godinu dana, ugao upada sunčeve svetlosti na bateriju i drugi faktori koji su van kontrole osobe.

Aspekti koji utječu na to koliko energije generiše solarna ćelija

Prije svega, performanse solarnih panela ovise o materijalu proizvodnje i tehnologiji proizvodnje. Od onih na tržištu, možete pronaći baterije sa performansama u rasponu od 5 do 22%. Svi solarni paneli se dijele na silikonske i filmske.

Performanse silikonskog modula:

• Monokristalni silikonski paneli - do 22%.
• Polikristalne ploče - do 18%.
• Amorfna (fleksibilna) - do 5%.

Performanse filmskih modula:

• Na bazi kadmijum telurida - do 12%.
• Na bazi meli-indijum-galijum selenida - do 20%.
• Na bazi polimera - do 5%.

Postoje također mješoviti tipovi paneli, koji uz prednosti jednog tipa omogućavaju pokrivanje nedostataka drugog, čime se povećava efikasnost modula.

Takođe, na to koliko energije solarna baterija obezbeđuje zavisi od broja vedrih dana u godini. Poznato je da ako se sunce u vašem kraju pojavi cijeli dan za manje od 200 dana u godini, onda postavljanje i korištenje solarnih panela teško da će biti isplativo.

Osim toga, temperatura zagrijavanja baterije također utiče na efikasnost panela. Dakle, kada se zagrije za 1 ° C, produktivnost pada za 0,5%, odnosno kada se zagrije za 10 ° C, imamo upola manju efikasnost. Kako bi se spriječili takvi problemi, ugrađuju se rashladni sistemi koji također zahtijevaju potrošnju energije.

Da spasim Visoke performanse solarni sistemi za praćenje su instalirani tokom dana, koji pomažu u održavanju pravog ugla upada zraka na solarne panele. Ali ovi sistemi su prilično skupi, da ne spominjemo same baterije, tako da ne može svako priuštiti da ih instalira za napajanje svog doma.

Koliko energije solarna baterija generiše zavisi i od ukupne površine ugrađenih modula, jer svaka solarna ćelija može primiti ograničenu količinu.

Kako izračunati koliko energije solarni panel daje vašem domu?

Na osnovu gore navedenih točaka koje treba uzeti u obzir pri kupovini solarnih panela, možemo izvesti jednostavnu formulu po kojoj možemo izračunati koliko će energije proizvesti jedan modul.

Recimo da ste odabrali jedan od najproduktivnijih modula površine 2 m2. Količina solarne energije po tipičnom sunčanom danu je približno 1000 vati po m2. Kao rezultat, dobijamo sljedeću formulu: solarna energija (1000 W/m2) × produktivnost (20%) × površina modula (2 m2) = snaga (400 W).

Ako želite izračunati koliko solarne energije percipira baterija uveče i po oblačnom danu, možete koristiti sljedeću formulu: količina sunčeve energije po vedar dan × sinus ugla sunčeve svjetlosti i površine panela × postotak energije pretvorene po oblačnom danu = koliko solarne energije na kraju pretvori bateriju. Na primjer, recimo da je navečer upadni ugao zraka 30̊. Dobijamo sljedeću kalkulaciju: 1000 W / m2 × sin30̊ × 60% = 300 W / m2, a kao osnovu za izračunavanje snage koristimo posljednji broj.

Porast cijena energenata u Rusiji tjera interesovanje za jeftine energente. Sunčeva energija je najdostupnija. Energija sunčevog zračenja koja pada na Zemlju je 10.000 puta veća od količine energije koju proizvodi čovječanstvo. Problemi nastaju u tehnologiji prikupljanja energije iu vezi sa neravnomjernim snabdijevanjem energijom solarnih elektrana. Stoga se solarni kolektori i solarni paneli koriste ili u kombinaciji sa uređajima za skladištenje energije ili kao sredstvo za dodatno punjenje glavne elektrane.

Naša zemlja je ogromna i slika distribucije solarne energije na njenoj teritoriji je veoma raznolika.

Prosječni solarni ulazni podaci

Intenzitet unosa solarne energije

Područja maksimalnog intenziteta sunčevog zračenja. Više od 5 kW se isporučuje po 1 kvadratnom metru. sat. solarne energije po danu.

Duž južne granice Rusije od Bajkala do Vladivostoka, u regiji Jakutsk, na jugu Republike Tive i Republike Burjatije, začudo, iza arktičkog kruga u istočnom dijelu Severne zemlje.

Ulaz solarne energije od 4 do 4,5 kW. sat za 1 sq. metar na dan

Krasnodarski kraj, Severni Kavkaz, Rostov region, južni deo oblasti Volge, južni regioni Novosibirska, Irkutske regije, Buryatia, Tuva, Khakasia, Primorsky i Khabarovsk region, Amurska oblast, ostrvo Sahalin, ogromne teritorije od Krasnojarsk Territory do Magadana, Severna zemlja, severoistočno od Jamalo-Neneckog autonomnog okruga.

Od 2,5 do 3 kW. sat po kvadratu metar na dan

duž zapadnog luka - Nižnji Novgorod, Moskva, Sankt Peterburg, Salekhard, istočni dio Čukotke i Kamčatka.

Od 3 do 4 kW. sat za 1 sq. metar na dan

Ostatak zemlje.

Trajanje sunca godišnje

Protok energije je najintenzivniji u maju, junu i julu. Tokom ovog perioda, u centralnoj Rusiji, 1 sq. metar površine iznosi 5 kW. sat dnevno. Najmanji intenzitet je u decembru-januaru, kada je 1 m2. metar površine iznosi 0,7 kW. sat dnevno.

Karakteristike instalacije

Ako je solarni kolektor postavljen pod uglom od 30 stepeni u odnosu na površinu, tada je moguće osigurati uklanjanje energije u maksimalnom i minimalnom režimu, respektivno, 4,5 odnosno 1,5 kWh po 1 sq. metar. za jedan dan.

Distribucija intenziteta sunčevog zračenja u centralnoj Rusiji po mjesecima

Na osnovu datih podataka moguće je izračunati površinu ravnih solarnih kolektora potrebnih za snabdijevanje toplom vodom 4-člane porodice u individualnoj kući. Zagrijavanje 300 litara vode od 5 stepeni do 55 stepeni u junu mogu obezbijediti kolektori površine 5,4 kvadrata, u decembru 18 kvadrata. metara. Ako se koriste efikasniji vakuum kolektori, potrebna površina kolektora se približno prepolovi.

Pokrivenost solarnom PTV-om

U praksi je preporučljivo koristiti solarne kolektore ne kao glavni izvor opskrbe toplom vodom, već kao uređaj za zagrijavanje vode koja ulazi u instalaciju grijanja. U ovom slučaju, potrošnja goriva je naglo smanjena. Ovo osigurava nesmetano napajanje vruća voda i ušteda novca na vodosnabdijevanju i grijanju kuće, ako se radi o kući za stalno stanovanje. Na dachama se ljeti koriste za dobijanje tople vode različite vrste solarni kolektori. Od fabrički napravljenih sakupljača do kućnih uređaja napravljenih od otpadnog materijala. Razlikuju se, prije svega, po efikasnosti. Fabrički proizveden je efikasniji, ali skuplji. Gotovo besplatno možete napraviti kolektor sa izmjenjivačem topline iz starog frižidera.

U Rusiji je ugradnja solarnih kolektora regulisana RD 34.20.115-89 " Metodička uputstva za proračun i projektovanje sistema solarnog grejanja ", VSN 52-86 (u RTF formatu, 11 Mb)" Instalacije za snabdevanje toplom solarnom vodom. Standardi dizajna ". Postoje preporuke za upotrebu netradicionalnih izvora energije u stočarstvu, proizvodnji stočne hrane, seljačkim farmama i sektoru ruralnog stanovanja, razvijene na zahtjev Ministarstva poljoprivrede 2002. GOST R 51595" Solarni kolektori. Tehnički zahtjevi ", GOST R 51594" Solarna energija. Termini i definicije",

Ovi dokumenti detaljno opisuju sheme solarnih kolektora koji se koriste i najviše efikasne načine njihova primjena u različitim klimatskim uvjetima.

Solarni kolektori u Njemačkoj

U Njemačkoj država subvencionira troškove ugradnje solarnih kolektora, pa njihova upotreba stalno raste. U 2006. godini instalirano je 1 milion 300 hiljada kvadratnih metara kolekcionari. Od ovog iznosa, oko 10% su skuplji i efikasniji vakuum kolektori. Ukupna površina do sada instaliranih solarnih kolektora iznosi oko 12 miliona kvadratnih metara.

Materijale i grafiku obezbeđuje Viessmann