introduction

Le soleil est connu pour être la principale et principale source d'énergie de notre planète. Il réchauffe la Terre entière, met les rivières en mouvement et donne de la force au vent. Sous ses rayons poussent 1 quadrillion de tonnes de plantes, nourrissant à leur tour 10 trillions de tonnes d'animaux et de bactéries. Grâce au même Soleil, la terre a accumulé des réserves d'hydrocarbures, c'est-à-dire du pétrole, du charbon, de la tourbe, etc., que nous brûlons maintenant activement. Pour que l'humanité puisse aujourd'hui satisfaire ses besoins énergétiques, il faut environ 10 milliards de tonnes de carburant standard par an. (La chaleur de combustion du carburant équivalent est de 7 000 kcal/kg).

Tâches:

Considérez le principal principes physiques et phénomènes ;

· Former des connaissances et des compétences, permettant d'effectuer un calcul théorique des principaux paramètres ;

Considérez les avantages et les inconvénients de l'utilisation de l'énergie solaire

Envisagez des moyens d'obtenir de l'électricité et de la chaleur à partir de radiation solaire

Énergie solaire - l'utilisation du rayonnement solaire pour obtenir de l'énergie sous quelque forme que ce soit. L'énergie solaire utilise une source d'énergie renouvelable et peut à l'avenir devenir écologique, c'est-à-dire qu'elle ne produit pas de déchets nocifs.

Le rayonnement solaire est pratiquement source inépuisable l'énergie, elle va aux quatre coins de la Terre, est "à portée de main" pour tout consommateur et est une source d'énergie écologique et abordable.

L'utilisation de la lumière du soleil et de la chaleur est propre, simple et Manière naturelle recevoir toutes les formes d'énergie dont nous avons besoin. Les capteurs solaires peuvent être utilisés pour chauffer ou alimenter des bâtiments résidentiels et commerciaux eau chaude... La lumière du soleil, concentrée par des miroirs paraboliques (réflecteurs), est utilisée pour générer de la chaleur (avec des températures allant jusqu'à plusieurs milliers de degrés Celsius). Il peut être utilisé pour le chauffage ou pour la production d'électricité. De plus, il existe un autre moyen de produire de l'énergie à l'aide du soleil - la technologie photovoltaïque. Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs qui convertissent directement le rayonnement solaire en électricité.

ÉNERGIE SOLAIRE

L'énergie du Soleil est la source de la vie sur notre planète. Le soleil chauffe l'atmosphère et la surface de la Terre. Grâce à énergie solaire les vents soufflent, le cycle de l'eau dans la nature s'effectue, les mers et les océans se réchauffent, les plantes se développent, les animaux ont de la nourriture. C'est grâce au rayonnement solaire que les énergies fossiles existent sur Terre. L'énergie solaire peut être convertie en chaleur ou en froid, en propulsion et en électricité.

Radiation solaire

Le rayonnement solaire est un rayonnement électromagnétique, concentré principalement dans la gamme de longueurs d'onde de 0,28 à 3,0 microns. Le spectre solaire est composé de :

Des ondes ultraviolettes d'une longueur de 0,28 ... 0,38 microns, invisibles à nos yeux et représentant environ 2% du spectre solaire ;

Ondes lumineuses comprises entre 0,38 et 0,78 µm, représentant environ 49 % du spectre ;

Ondes infrarouges d'une longueur de 0,78 à 3,0 microns, qui représentent la majeure partie des 49% restants du spectre solaire. Le reste du spectre joue un rôle mineur dans bilan thermique Terre.

Quelle quantité d'énergie solaire atteint la Terre ?

Le soleil rayonne grande quantitéénergie - environ 1,1x10 20 kWh par seconde. Un kilowattheure est la quantité d'énergie nécessaire pour faire fonctionner une ampoule à incandescence de 100 watts pendant 10 heures. Les couches externes de l'atmosphère terrestre interceptent environ un millionième de l'énergie émise par le Soleil, soit environ 1 500 quadrillions (1,5 x 10 18) kWh par an. Cependant, en raison de sa réflexion, de sa diffusion et de son absorption par les gaz atmosphériques et les aérosols, seulement 47 % de toute l'énergie, soit environ 700 quadrillions (7 x 10 17) kWh, atteint la surface de la Terre.

Le rayonnement solaire dans l'atmosphère terrestre est divisé en ce qu'on appelle le rayonnement direct et le rayonnement diffusé, sur les particules d'air, de poussière, d'eau, etc., contenues dans l'atmosphère. Leur somme forme le rayonnement solaire total.

La quantité d'énergie tombant par unité de surface et par unité de temps dépend d'un certain nombre de facteurs : la latitude du climat local, la saison de l'année et l'angle d'inclinaison de la surface par rapport au Soleil.

Lieu et heure

La quantité d'énergie solaire tombant à la surface de la Terre change en raison du mouvement du Soleil. Ces changements dépendent de l'heure de la journée et de la période de l'année. Habituellement, plus de rayonnement solaire frappe la Terre à midi qu'en début de matinée ou en fin de soirée. À midi, le Soleil est haut au-dessus de l'horizon et la longueur du trajet des rayons du Soleil à travers l'atmosphère terrestre est raccourcie. Par conséquent, moins de rayonnement solaire est diffusé et absorbé, ce qui signifie qu'une plus grande quantité atteint la surface.

La quantité d'énergie solaire atteignant la surface de la Terre diffère de la valeur annuelle moyenne : en heure d'hiver- moins de 0,8 kWh/m2 par jour dans le nord de l'Europe et plus de 4 kWh/m2 par jour en heure d'été dans la même région. La différence diminue à mesure que vous vous rapprochez de l'équateur.

La quantité d'énergie solaire dépend aussi de la situation géographique du site : plus on est proche de l'équateur, plus il est. Par exemple, le rayonnement solaire total annuel moyen incident sur une surface horizontale est : en Europe centrale, en Asie centrale et au Canada - environ 1000 kWh/m2 ; en Méditerranée - environ 1700 kWh / m 2; dans la plupart des régions désertiques d'Afrique, du Moyen-Orient et d'Australie - environ 2200 kWh / m2.

Ainsi, la quantité de rayonnement solaire varie considérablement selon la saison et position géographique... Ce facteur doit être pris en compte lors de l'utilisation de l'énergie solaire.

Ensoleillement Est une quantité qui détermine la quantité d'irradiation de la surface par le faisceau rayons de soleil(même réfléchie ou dispersée par les nuages). Une surface peut être n'importe quoi, y compris un panneau solaire qui convertit l'énergie du soleil en énergie électrique... Et c'est l'efficacité de votre centrale électrique naturelle qui détermine le paramètre d'insolation solaire. L'ensoleillement se mesure en kW * h / m2, c'est-à-dire la quantité d'énergie solaire reçue par un mètre carré de surface pendant une heure. Les métriques dérivées naturellement sont calculées pour conditions idéales: absence totale nuages ​​et rayons de soleil tombant à la surface à angle droit (perpendiculaire).

En mots simples, l'ensoleillement est le nombre moyen d'heures par jour pendant lesquelles le soleil brille sur la surface calculée à angle droit par temps clair.

Assez souvent, les gens croient que si le soleil se lève à 6 heures du matin et se couche à 19 heures, alors la production quotidienne d'un panneau solaire doit être considérée comme le produit de sa puissance de 13 heures pendant que le soleil brillait. C'est fondamentalement faux, car il y a de la nébulosité, mais le soleil principal se déplace dans le ciel, projetant des rayons sur la surface de la terre sous différents angles... Oui, vous pouvez certainement utiliser des trackers spéciaux qui feront pivoter votre panneau solaire vers le soleil, mais cela coûte cher et rarement économiquement justifié. Les trackers sont utilisés lorsqu'il est nécessaire d'augmenter la puissance par unité de surface.

D'où viennent les données d'activité solaire ?

La National Aeronautics and Space Administration (NASA) étudie l'activité solaire dans toutes les régions de notre planète. Les satellites surveillent l'activité du soleil 24 heures sur 24 et saisissent les informations reçues dans des tableaux. Les calculs tiennent compte des données des 25 dernières années. Vous pouvez voir un exemple d'un tel tableau pour Saint-Pétersbourg (59.944, 30.323) sur le lien https://eosweb.larc.nasa.gov/. Cette organisation appartient au gouvernement fédéral américain et, malheureusement, son site Web n'est disponible qu'en anglais.

Il n'est pas nécessaire de déchiffrer toutes les valeurs et coefficients du tableau, car nous ne nous intéressons qu'à deux - il s'agit de la valeur réelle de l'ensoleillement certains mois (OPT) et de la valeur de l'angle d'inclinaison optimal du panneau solaire (OPT ANG).

Calcul de la puissance d'une centrale solaire à partir des valeurs d'ensoleillement

Disons que nous avons une centrale solaire en réseau d'une capacité de 5 kW à Saint-Pétersbourg et que nous voulons calculer sa production en juin. Les modules solaires sont installés à un angle optimal.

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

* La formule est simplifiée, donc les unités de calcul dans la formule ne correspondront pas à la réponse. Ceci est corrigé en introduisant des paramètres dans la formule l'usine d'énergie solaire et convertir les jours en heures.

Mais en janvier, la même centrale ne générera que 5 * 1,13 * 30 = 169,5 kW * h, de sorte que les panneaux solaires de Saint-Pétersbourg ne sont activement utilisés qu'en été.

Pendant un an, une telle centrale solaire pourra recevoir 5 * 3,4 * 365 = 6205 kW soit 6,2 MW d'électricité propre. Est-ce rentable ? C'est à vous de décider, car la durée de vie de la centrale électrique du réseau est de plus de 50 ans et les tarifs de l'électricité industrielle augmentent chaque année d'au moins 10 %.

L'intensité de la lumière solaire qui atteint la terre varie selon l'heure de la journée, l'année, l'emplacement et les conditions météorologiques. La quantité totale d'énergie calculée par jour ou par an est appelée irradiation (ou en d'autres termes, "l'arrivée du rayonnement solaire") et montre la puissance du rayonnement solaire. L'irradiation se mesure en W*h/m² par jour, ou une autre période.

L'intensité du rayonnement solaire dans l'espace libre à une distance égale à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil est appelée constante solaire. Sa valeur est de 1353 W/m². Lors de son passage dans l'atmosphère, la lumière du soleil est atténuée principalement en raison de l'absorption du rayonnement infrarouge par la vapeur d'eau, du rayonnement ultraviolet par l'ozone et de la diffusion du rayonnement par les particules de poussière atmosphérique et les aérosols. L'indicateur de l'influence atmosphérique sur l'intensité du rayonnement solaire atteignant la surface de la terre est appelé « masse d'air » (AM). AM est défini comme la sécante de l'angle entre le Soleil et le zénith.

La figure 1 montre la distribution spectrale de l'intensité du rayonnement solaire dans conditions différentes... La courbe supérieure (AM0) correspond au spectre solaire en dehors de l'atmosphère terrestre (par exemple, à bord vaisseau spatial), c'est à dire. à masse d'air nulle. Il est approximé par la distribution de l'intensité du rayonnement d'un corps absolument noir à une température de 5800 K. Les courbes AM1 et AM2 illustrent la distribution spectrale du rayonnement solaire à la surface de la Terre lorsque le Soleil est à son zénith et à un angle entre le Soleil et le zénith de 60°, respectivement. Dans ce cas, la puissance totale de rayonnement est d'environ 925 et 691 W/m², respectivement. L'intensité moyenne du rayonnement sur Terre coïncide à peu près avec l'intensité du rayonnement à AM = 1,5 (le Soleil est à un angle de 45 ° par rapport à l'horizon).

Près de la surface de la terre, vous pouvez prendre moyenne intensité du rayonnement solaire 635 W/m². Par une journée ensoleillée très claire, cette valeur varie de 950 W/m² à 1220 W/m². La valeur moyenne est d'environ 1000 W/m². Exemple : Intensité du rayonnement total à Zurich (47 ° 30 ′ N, 400 m au-dessus du niveau de la mer) sur une surface perpendiculaire au rayonnement : 1er mai 12h00 1080 W/m2 ; 21 décembre 12h00 930 W/m2 ...

Pour simplifier le calcul de l'apport d'énergie solaire, il est généralement exprimé en heures d'ensoleillement à une intensité de 1000 W/m². Celles. 1 heure correspond à l'arrivée d'un rayonnement solaire de 1000 W*h/m². Cela correspond à peu près à la période où le soleil brille en été au milieu d'une journée ensoleillée sans nuages ​​sur la surface perpendiculaire aux rayons du soleil.

Exemple
Le soleil éclatant brille avec une intensité de 1000 W/m² sur une surface perpendiculaire aux rayons du soleil. Pendant 1 heure, 1 kWh d'énergie tombe par 1 m² (l'énergie est égale au produit de la puissance et du temps). De même, un ensoleillement moyen de 5 kWh/m² en journée correspond à 5 heures de pointe d'ensoleillement par jour. Ne pas confondre heures de pointe et durée réelle Heures de jour... Pendant les heures de clarté, le soleil brille avec des intensités différentes, mais au total, il donne la même quantité d'énergie que s'il brillait pendant 5 heures à intensité maximale. Ce sont les heures de pointe d'ensoleillement qui sont utilisées dans les calculs des centrales solaires.

L'arrivée du rayonnement solaire varie tout au long de la journée et d'un endroit à l'autre, en particulier dans les régions montagneuses. L'irradiation varie en moyenne de 1000 kW*h/m2 par an pour les pays d'Europe du Nord, à 2000-2500 kW*h/m2 par an pour les déserts. Les conditions météorologiques et la déclinaison du soleil (qui dépend de la latitude de la zone) entraînent également des différences dans l'arrivée du rayonnement solaire.

En Russie, contrairement aux idées reçues, il existe de nombreux endroits où il est rentable de convertir l'énergie solaire en électricité en utilisant. Vous trouverez ci-dessous une carte des ressources en énergie solaire en Russie. Comme vous pouvez le voir, dans la majeure partie de la Russie, il peut être utilisé avec succès en mode saisonnier et dans les zones avec plus de 2000 heures d'ensoleillement / an - toute l'année... Naturellement, dans période hivernale la production d'énergie à partir de panneaux solaires est considérablement réduite, mais le coût de l'électricité d'une centrale solaire reste nettement inférieur à celui d'un générateur diesel ou à essence.

Il est particulièrement avantageux de l'utiliser là où il n'y a pas de réseaux électriques centralisés et où l'alimentation est assurée par des générateurs diesel. Et il y a beaucoup de telles régions en Russie.

De plus, même là où il y a un réseau, l'utilisation de panneaux solaires fonctionnant en parallèle avec le réseau peut réduire considérablement les coûts énergétiques. Avec la tendance actuelle à la hausse des tarifs pour les monopoles russes de l'énergie naturelle, l'installation de panneaux solaires devient un investissement intelligent.

Une batterie solaire est une série de modules solaires qui convertissent l'énergie solaire en électricité et, à l'aide d'électrodes, la transmettent à d'autres dispositifs de conversion. Ces derniers sont nécessaires pour faire un courant alternatif à partir de courant continu, qui est capable de percevoir appareils électroménagers... Le courant continu est obtenu lorsque l'énergie solaire est reçue par des cellules solaires et que l'énergie des photons est convertie en courant électrique.

Le nombre de photons qui frappent la cellule photoélectrique détermine la quantité d'énergie fournie par la batterie solaire. Pour cette raison, les performances de la batterie sont influencées non seulement par le matériau de la cellule photoélectrique, mais également par la quantité jours ensoleillés en un an, l'angle d'incidence de la lumière du soleil sur la batterie et d'autres facteurs indépendants de la volonté d'une personne.

Aspects affectant la quantité d'énergie générée par une cellule solaire

Tout d'abord, les performances des panneaux solaires dépendent du matériau de fabrication et de la technologie de production. Parmi celles du marché, vous pouvez trouver des batteries avec des performances allant de 5 à 22%. Tous les panneaux solaires sont divisés en silicium et film.

Performances du module silicium :

• Panneaux de silicium monocristallin - jusqu'à 22%.
• Panneaux polycristallins - jusqu'à 18%.
• Amorphe (flexible) - jusqu'à 5%.

Performances des modules de film :

• À base de tellurure de cadmium - jusqu'à 12%.
• À base de séléniure de méli-indium-gallium - jusqu'à 20%.
• À base de polymère - jusqu'à 5%.

Il y a aussi types mixtes panneaux, qui, avec les avantages d'un type, permettent de couvrir les inconvénients d'un autre, augmentant ainsi l'efficacité du module.

De plus, la quantité d'énergie fournie par la batterie solaire est affectée par le nombre de jours clairs par an. On sait que si le soleil dans votre région apparaît pendant une journée entière en moins de 200 jours par an, alors l'installation et l'utilisation de panneaux solaires ne seront guère rentables.

De plus, la température de chauffage de la batterie affecte également l'efficacité des panneaux. Ainsi, lorsqu'il est chauffé à 1 °C, la productivité baisse de 0,5%, respectivement, lorsqu'il est chauffé à 10 °C, nous avons la moitié de l'efficacité. Pour éviter de tels problèmes, des systèmes de refroidissement sont installés, qui nécessitent également une consommation d'énergie.

Sauver haute performance des systèmes de suivi solaire sont installés pendant la journée, ce qui permet de maintenir un bon angle d'incidence des rayons sur les panneaux solaires. Mais ces systèmes sont assez chers, sans parler des batteries elles-mêmes, donc tout le monde ne peut pas se permettre de les installer pour alimenter sa maison.

La quantité d'énergie générée par la batterie solaire dépend également de la surface totale des modules installés, car chaque cellule solaire peut recevoir une quantité limitée.

Comment calculer la quantité d'énergie fournie par un panneau solaire pour votre maison ?

Sur la base des points ci-dessus qui doivent être pris en compte lors de l'achat de panneaux solaires, nous pouvons dériver une formule simple par laquelle nous pouvons calculer la quantité d'énergie qu'un module produira.

Disons que vous avez choisi l'un des modules les plus productifs avec une superficie de 2 m2. La quantité d'énergie solaire lors d'une journée ensoleillée typique est d'environ 1000 watts par m2. En conséquence, nous obtenons la formule suivante : énergie solaire (1000 W/m2) × productivité (20 %) × surface du module (2 m2) = puissance (400 W).

Si vous souhaitez calculer la quantité d'énergie solaire perçue par une batterie le soir et par temps nuageux, vous pouvez utiliser la formule suivante : quantité d'énergie solaire par temps clair × sinus de l'angle d'ensoleillement et surface du panneau × pourcentage d'énergie convertie par temps nuageux = combien d'énergie solaire convertit finalement la batterie. Par exemple, disons que le soir l'angle d'incidence des rayons est de 30̊. Nous obtenons le calcul suivant : 1000 W / m2 × sin30̊ × 60% = 300 W / m2, et nous utilisons le dernier nombre comme base de calcul de la puissance.

La hausse des prix de l'énergie en Russie force l'intérêt pour les sources d'énergie bon marché. L'énergie solaire est la plus disponible. L'énergie du rayonnement solaire tombant sur la Terre est 10 000 fois supérieure à la quantité d'énergie générée par l'humanité. Des problèmes surviennent dans la technologie de collecte d'énergie et en relation avec l'approvisionnement inégal d'énergie aux installations solaires. Par conséquent, les capteurs solaires et les panneaux solaires sont utilisés soit en conjonction avec des dispositifs de stockage d'énergie, soit comme moyen de recharge supplémentaire pour la centrale électrique principale.

Notre pays est vaste et le tableau de la répartition de l'énergie solaire sur son territoire est très diversifié.

Données d'entrée solaire moyenne

Intensité de l'apport d'énergie solaire

Zones d'intensité maximale de rayonnement solaire. Plus de 5 kW sont fournis par mètre carré. heure. énergie solaire par jour.

Le long de la frontière sud de la Russie du Baïkal à Vladivostok, dans la région de Iakoutsk, au sud de la République de Tyva et de la République de Bouriatie, assez curieusement, au-delà du cercle polaire arctique dans la partie orientale de Severnaya Zemlya.

Apport d'énergie solaire de 4 à 4,5 kW. heure pour 1 m² mètre par jour

région de Krasnodar, Caucase du Nord, région de Rostov, la partie sud de la région de la Volga, les régions méridionales de Novossibirsk, Régions d'Irkoutsk, Bouriatie, Touva, Khakassie, Primorsky et région de Khabarovsk, Région de l'Amour, île de Sakhaline, vastes territoires de Territoire de Krasnoïarskà Magadan, Severnaya Zemlya, au nord-est du district autonome de Yamalo-Nenets.

De 2,5 à 3 kW. heure par m² mètre par jour

Le long de l'arc ouest - Nijni Novgorod, Moscou, Saint-Pétersbourg, Salekhard, la partie orientale de Tchoukotka et le Kamchatka.

De 3 à 4 kW. heure pour 1 m² mètre par jour

Le reste du pays.

Durée d'ensoleillement par an

Le flux d'énergie est le plus intense en mai, juin et juillet. Pendant cette période, dans le centre de la Russie, 1 m². mètre de surface représente 5 kW. heure par jour. L'intensité la plus faible se situe en décembre-janvier, lorsque 1 m². mètre de surface représente 0,7 kW. heure par jour.

Caractéristiques d'installation

Si le capteur solaire est installé à un angle de 30 degrés par rapport à la surface, il est alors possible d'assurer l'élimination de l'énergie dans les modes maximum et minimum, respectivement, 4,5 et 1,5 kWh pour 1 m². mètre. en un jour.

Répartition de l'intensité du rayonnement solaire en Russie centrale par mois

Sur la base des données fournies, il est possible de calculer la surface de capteurs solaires plats nécessaire pour fournir l'alimentation en eau chaude d'une famille de 4 personnes dans une maison individuelle. Le chauffage de 300 litres d'eau de 5 degrés à 55 degrés en juin peut être assuré par des collecteurs d'une superficie de 5,4 mètres carrés, en décembre 18 mètres carrés. mètres. Si des capteurs sous vide plus efficaces sont utilisés, la surface de capteur requise est approximativement réduite de moitié.

Couverture solaire ECS

En pratique, il est conseillé d'utiliser des capteurs solaires non pas comme source principale d'alimentation en eau chaude, mais comme dispositif de chauffage de l'eau entrant dans l'installation de chauffage. Dans ce cas, la consommation de carburant est fortement réduite. Cela garantit un approvisionnement ininterrompu eau chaude et économiser de l'argent sur l'approvisionnement en eau chaude et le chauffage de la maison, s'il s'agit d'une maison de résidence permanente. Aux datchas, en été, pour obtenir de l'eau chaude, on les utilise différentes sortes capteurs solaires. Des collectionneurs fabriqués en usine aux appareils artisanaux fabriqués à partir de matériaux de récupération. Ils diffèrent, tout d'abord, en termes d'efficacité. La fabrication en usine est plus efficace, mais plus chère. Presque gratuitement, vous pouvez fabriquer un collecteur avec un échangeur de chaleur à partir d'un vieux réfrigérateur.

En Russie, l'installation de capteurs solaires est réglementée par le RD 34.20.115-89 " Instructions méthodiques pour le calcul et la conception des systèmes de chauffage solaire ", VSN 52-86 (au format RTF, 11 Mo)" Installations d'alimentation en eau chaude solaire. Normes de conception ". Il existe des recommandations pour l'utilisation de sources d'énergie non traditionnelles dans l'élevage, la production de fourrage, les fermes paysannes et le secteur du logement rural, élaborées à la demande du ministère de l'Agriculture en 2002. GOST R 51595" Capteurs solaires. Exigences techniques ", GOST R 51594" Énergie solaire. Termes et définitions",

Ces documents décrivent en détail les schémas des capteurs solaires utilisés et les plus moyens efficaces leur application dans diverses conditions climatiques.

Capteurs solaires en Allemagne

En Allemagne, l'État subventionne les coûts d'installation des capteurs solaires, leur utilisation ne cesse donc de croître. En 2006, 1 million 300 mille ont été installés mètres carrés collectionneurs. De ce montant, environ 10 % sont des collecteurs sous vide plus chers et plus efficaces. La superficie totale des capteurs solaires installés à ce jour est d'environ 12 millions de mètres carrés.

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