소개

태양은 우리 행성의 주요 에너지원으로 알려져 있습니다. 그것은 지구 전체를 따뜻하게 하고 강을 움직이게 하고 바람에 힘을 줍니다. 그 광선 아래에서 1천억 톤의 식물이 자라며 10조 톤의 동물과 박테리아를 먹입니다. 같은 태양 덕분에 지구는 탄화수소, 즉 석유, 석탄, 이탄 등의 매장량을 축적했으며 현재 적극적으로 태우고 있습니다. 오늘날 인류가 필요한 에너지를 충족하려면 연간 약 100억 톤의 표준 연료가 필요합니다. (등가 연료의 연소열은 7,000kcal/kg입니다).

작업:

주요 고려 물리적 원리및 현상;

· 지식과 기술을 형성하여 주요 매개변수의 이론적 계산을 수행할 수 있습니다.

태양 에너지 사용의 장점과 단점 고려

전기와 열을 얻는 방법을 고려하십시오. 태양 복사

태양 에너지 - 어떤 형태로든 에너지를 얻기 위해 태양 복사를 사용합니다. 태양 에너지는 재생 가능한 에너지 원을 사용하며 미래에는 환경 친화적 인, 즉 유해 폐기물을 생성하지 않을 수 있습니다.

태양 복사는 실질적으로 무진장한 소스에너지는 지구 구석구석으로 이동하고 모든 소비자에게 "가까이" 있으며 환경 친화적이고 저렴한 에너지원입니다.

햇빛과 열의 사용은 깨끗하고 간단하며 자연스러운 방법우리가 필요로 하는 모든 형태의 에너지를 받습니다. 태양열 집열기는 주거용 및 상업용 건물을 가열하거나 공급하는 데 사용할 수 있습니다. 뜨거운 물... 포물선 거울(반사경)에 의해 집중된 햇빛은 열을 생성하는 데 사용됩니다(최대 섭씨 수천도의 온도). 난방이나 발전용으로 사용할 수 있습니다. 또한 태양광 발전 기술을 사용하여 에너지를 생성하는 또 다른 방법이 있습니다. 광전지는 태양 복사를 직접 전기로 변환하는 장치입니다.

태양 에너지

태양의 에너지는 우리 행성의 생명의 원천입니다. 태양은 대기와 지구 표면을 가열합니다. 덕분에 태양 에너지바람이 불고, 자연의 물 순환이 이루어지고, 바다와 대양이 가열되고, 식물이 발달하고, 동물이 음식을 먹습니다. 화석 연료가 지구에 존재하는 것은 태양 복사 덕분입니다. 태양 에너지는 열 또는 냉기, 추진력 및 전기로 변환될 수 있습니다.

태양 복사

태양 복사는 주로 0.28 ... 3.0 미크론의 파장 범위에 집중된 전자기 복사입니다. 태양 스펙트럼은 다음으로 구성됩니다.

길이가 0.28 ... 0.38 미크론인 자외선은 우리 눈에는 보이지 않으며 태양 스펙트럼의 약 2%를 구성합니다.

스펙트럼의 약 49%를 구성하는 0.38 ... 0.78 µm 범위의 광파;

태양 스펙트럼의 나머지 49%의 대부분을 차지하는 0.78 ... 3.0 미크론 길이의 적외선. 나머지 스펙트럼은 다음에서 작은 역할을 합니다. 열 균형지구.

얼마나 많은 태양 에너지가 지구에 도달합니까?

태양이 발산 큰 금액에너지 - 초당 약 1.1x10 20kWh. 킬로와트시는 100와트 백열전구를 10시간 동안 작동시키는 데 필요한 에너지의 양입니다. 지구 대기의 바깥층은 태양이 방출하는 에너지의 약 100만분의 1 또는 연간 약 1,500천조(1.5 x 10 18)kWh를 차단합니다. 그러나 대기 가스 및 에어로졸에 의한 반사, 산란 및 흡수로 인해 전체 에너지의 47% 또는 약 700조(7 x 10 17)kWh만이 지표면에 도달합니다.

지구 대기의 태양 복사는 대기에 포함된 공기, 먼지, 물 등의 입자에 대한 이른바 직접 복사와 산란 복사로 구분됩니다. 그들의 합은 총 일사량을 형성합니다.

단위 시간당 단위 면적당 떨어지는 에너지의 양은 지역 기후의 위도, 연중 계절 및 태양에 대한 표면의 경사 각도와 같은 여러 요인에 따라 달라집니다.

시간과 장소

지구 표면에 떨어지는 태양 에너지의 양은 태양의 움직임으로 인해 변합니다. 이러한 변경 사항은 하루 중 시간과 시간에 따라 다릅니다. 일반적으로 이른 아침이나 늦은 저녁보다 정오에 더 많은 태양 복사열이 지구에 도달합니다. 정오에 태양은 수평선 위로 높이 올라가고 태양 광선이 지구 대기를 통과하는 경로의 길이가 짧아집니다. 결과적으로 더 적은 태양 복사가 산란 및 흡수되어 표면에 더 많이 도달합니다.

지구 표면에 도달하는 태양 에너지의 양은 평균 연간 가치와 다릅니다. 겨울 시간- 북유럽에서는 1일 0.8kWh/m2 미만, 1일 4kWh/m2 이상 여름 시간같은 지역에서. 적도에 가까울수록 차이가 줄어듭니다.

태양 에너지의 양은 또한 사이트의 지리적 위치에 따라 달라집니다. 적도에 가까울수록 더 많습니다. 예를 들어, 수평면에 떨어지는 평균 연간 총 일사량은 다음과 같습니다. 중부 유럽, 중앙 아시아 및 캐나다 - 약 1000kWh / m2; 지중해 - 약 1700kWh / m2; 아프리카, 중동 및 호주의 대부분의 사막 지역 - 약 2200kWh / m2.

따라서 일사량은 계절과 계절에 따라 크게 달라집니다. 지리적 위치... 태양 에너지를 사용할 때 이 요소를 고려해야 합니다.

일사량빔에 의한 표면 조사량을 결정하는 양 태양 광선(심지어 구름에 의해 반사되거나 흩어짐). 표면은 태양 에너지를 전기 에너지... 그리고 이것은 자연 발전소가 얼마나 효과적일 것이며 일사량의 매개변수를 결정합니다. 일사량은 kW * h / m2, 즉 1시간 동안 표면 1제곱미터가 받는 태양 에너지의 양으로 측정됩니다. 자연적으로 파생된 측정항목은 다음에 대해 계산됩니다. 이상적인 조건: 완전한 결석직각(수직)으로 표면에 떨어지는 구름과 태양 광선.

간단한 말로, 일사량은 맑은 날씨에 계산된 표면에 태양이 직각으로 비추는 하루 평균 시간입니다.

종종 사람들은 태양이 오전 6시에 뜨고 오후 7시에 진다면 태양 전지판의 일일 출력은 태양이 비치는 동안 13시간 동안의 전력의 곱으로 간주되어야 한다고 생각합니다. 흐림이 있기 때문에 이것은 근본적으로 잘못된 것입니다. 그러나 주 태양은 하늘을 가로질러 이동하여 아래의 지표면에 광선을 던집니다. 다른 각도... 예, 확실히 태양광 패널을 태양 쪽으로 회전시키는 특수 추적기를 사용할 수 있지만 이것은 비용이 많이 들고 경제적으로 거의 정당화되지 않습니다. 트래커는 단위 면적당 전력을 증가시킬 필요가 있을 때 사용됩니다.

태양 활동 데이터는 어디에서 왔습니까?

미국 항공 우주국(NASA)은 지구 모든 지역의 태양 활동을 연구하고 있습니다. 위성은 24시간 내내 태양의 활동을 모니터링하고 수신된 정보를 테이블에 입력합니다. 계산은 지난 25년간의 데이터를 고려합니다. 상트페테르부르크(59.944, 30.323)에 대한 이러한 테이블의 예는 https://eosweb.larc.nasa.gov/ 링크에서 볼 수 있습니다. 이 조직은 미국 연방 정부에 속해 있으며 불행히도 웹사이트는 영어로만 제공됩니다.

우리는 두 가지에만 관심이 있기 때문에 테이블의 모든 값과 계수를 해독할 필요가 없습니다. 이것은 특정 월(OPT)의 태양 일사량의 실제 값과 최적의 경사각 값입니다. 태양 전지판(OPT ANG).

일사량을 기반으로 한 태양광 발전소의 출력 계산

상트페테르부르크에 5kW 용량의 네트워크 태양광 발전소가 있고 6월에 출력을 계산하려고 한다고 가정해 보겠습니다. 태양광 모듈은 최적의 각도로 설치됩니다.

5kW * 5.76kW * h / m2 * 30일 = 864kW * h

* 수식을 단순화하여 수식의 계산 단위가 정답과 일치하지 않습니다. 이것은 공식에 매개변수를 도입하여 수정됩니다. 태양광 발전소및 일을 시간으로 변환합니다.

그러나 1월에는 동일한 발전소가 5 * 1.13 * 30 = 169.5kW * h만 생성하므로 상트페테르부르크 태양광 패널은 여름에만 활발히 사용됩니다.

1년 동안 이러한 태양광 발전소는 5 * 3.4 * 365 = 6205kW 또는 6.2MW의 깨끗한 전기를 받을 수 있습니다. 수익성이 있습니까? 그리드 발전소의 수명이 50년 이상이고 산업용 전력 요금이 매년 최소 10%씩 인상되고 있기 때문에 그것은 여러분에게 달려 있습니다.

지구에 도달하는 햇빛의 강도는 시간, 연도, 위치 및 기상 조건에 따라 다릅니다. 1일 또는 1년에 계산된 총 에너지 양을 일사량(또는 "태양 복사의 도달")이라고 하며 태양 복사가 얼마나 강력한지를 보여줍니다. 조사량은 W * h / m²/일 또는 다른 기간으로 측정됩니다.

지구와 태양 사이의 평균 거리와 같은 거리에서 자유 공간의 태양 복사 강도를 태양 상수라고합니다. 그 값은 1353W / m²입니다. 대기를 통과할 때 햇빛은 주로 수증기에 의한 적외선 복사, 오존에 의한 자외선 복사 및 대기 먼지 입자 및 에어로졸에 의한 복사 산란으로 인해 감쇠됩니다. 지구 표면에 도달하는 태양 복사의 강도에 대한 대기의 영향 지표를 "기단"(AM)이라고 합니다. AM은 태양과 천정 사이의 각도의 할선으로 정의됩니다.

그림 1은 태양 복사 강도의 스펙트럼 분포를 보여줍니다. 다른 조건... 위쪽 곡선(AM0)은 지구 대기 외부의 태양 스펙트럼에 해당합니다(예: 우주선), 즉. 제로 기단에서. 이것은 5800K의 온도에서 절대 흑체의 복사 강도 분포에 의해 근사화됩니다. 곡선 AM1과 AM2는 태양이 천정에 있고 두 각도 사이의 각도에 있을 때 지구 표면의 태양 복사 스펙트럼 분포를 보여줍니다. 태양과 천정은 각각 60 °입니다. 이 경우 총 방사 전력은 각각 약 925 및 691 W/m²입니다. 지구의 평균 복사 강도는 AM = 1.5(태양은 수평선에 대해 45° 각도에 있음)에서의 복사 강도와 대략 일치합니다.

지구 표면 근처에서 가져갈 수 있습니다. 평균일사량 635 W / m². 매우 맑은 날에는 이 값이 950W/m²에서 1220W/m² 사이입니다. 평균값은 약 1000W/m²입니다. 예: 취리히의 총 복사 강도(47° 30' N, 해발 400m) 복사에 수직인 표면: 5월 1일 12:00시 1080W/m2, 12월 21일 12:00시 930W/m2 ...

태양 에너지 입력의 계산을 단순화하기 위해 일반적으로 1000W/m²의 강도에서 일조 시간으로 표시됩니다. 저것들. 1 시간은 1000 W * h / m²의 태양 복사 도착에 해당합니다. 이것은 태양 광선에 수직인 표면에 구름 한 점 없는 맑은 날의 한여름에 태양이 비추는 기간에 대략 해당합니다.

예시
밝은 태양은 태양 광선에 수직인 표면에 1000W/m²의 강도로 빛납니다. 1시간 동안 1m²당 1kWh의 에너지가 떨어집니다(에너지는 전력과 시간의 곱과 같습니다). 마찬가지로 낮 동안 5kWh/m²의 평균 일사량은 하루에 일조량이 가장 많은 5시간에 해당합니다. 피크 시간과 실제 시간을 혼동하지 마십시오. 일광 시간... 낮 시간 동안 태양은 다른 강도로 빛을 발하지만 전체적으로는 최대 강도로 5시간 동안 비치는 것과 같은 양의 에너지를 제공합니다. 태양광 발전소의 계산에 사용되는 것은 일조량이 가장 많은 시간입니다.

태양 복사의 도착은 하루 종일 그리고 장소에 따라 특히 산악 지역에서 다양합니다. 조사량은 북유럽 국가의 경우 연간 평균 1000kW * h / m2에서 사막의 경우 연간 2000-2500kW * h / m2까지 다양합니다. 날씨 조건과 태양의 적위(지역의 위도에 따라 다름)도 태양 복사의 도착에 차이를 만듭니다.

러시아에서는 대중의 믿음과 달리 태양에너지를 전기로 바꾸는 것을 이용해 수익을 내는 곳이 많다. 아래는 러시아의 태양 에너지 자원 지도입니다. 보시다시피 대부분의 러시아에서는 계절 모드로 성공적으로 사용할 수 있으며 연간 일조량이 2000시간 이상인 지역에서 - 일년 내내... 자연스럽게, 겨울 기간태양광 패널의 에너지 생성은 크게 감소하지만 여전히 태양광 발전소의 전기 비용은 디젤 또는 가솔린 발전기보다 훨씬 낮습니다.

중앙 집중식 전기 네트워크가 없고 전원 공급 장치가 디젤 발전기에 의해 제공되는 곳에서 사용하는 것이 특히 유리합니다. 그리고 러시아에는 그러한 지역이 많이 있습니다.

또한 그리드가 있는 경우에도 그리드와 병렬로 작동하는 태양 전지판을 사용하면 에너지 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 러시아의 자연 에너지 독점에 대한 관세가 높아지는 추세에 따라 태양 전지판을 설치하는 것이 현명한 투자가 되고 있습니다.

태양 전지는 태양 에너지를 전기로 변환하고 전극을 사용하여 다른 변환 장치로 더 전송하는 일련의 태양 전지 모듈입니다. 후자는 감지할 수 있는 직류에서 교류를 만들기 위해 필요합니다. 가전제품... 직류는 태양전지가 태양에너지를 받아 광자의 에너지를 전류로 변환할 때 얻어진다.

얼마나 많은 광자가 광전지에 부딪히는가에 따라 태양 전지가 제공하는 에너지의 양이 결정됩니다. 이러한 이유로 배터리 성능은 광전지의 재질뿐만 아니라 광전지의 양에 의해서도 영향을 받습니다. 화창한 날 1년에 배터리에 대한 햇빛의 입사각 및 사람이 통제할 수 없는 기타 요인.

태양 전지가 생성하는 전력량에 영향을 미치는 측면

우선, 태양 전지판의 성능은 제조 재료 및 생산 기술에 따라 달라집니다. 시장에 나와 있는 배터리 중에서 성능 범위가 5~22%인 배터리를 찾을 수 있습니다. 모든 태양 전지판은 실리콘과 필름으로 나뉩니다.

실리콘 모듈 성능:

• 단결정 실리콘 패널 - 최대 22%.
• 다결정 패널 - 최대 18%.
• 무정형(유연) - 최대 5%.

필름 모듈 성능:

• 카드뮴 텔루라이드 기준 - 최대 12%.
• 멜리-인듐-갈륨 셀레나이드 기준 - 최대 20%.
• 폴리머 기반 - 최대 5%.

도 있다 혼합 유형패널은 한 유형의 장점으로 다른 유형의 단점을 커버할 수 있어 모듈의 효율성을 높입니다.

또한 태양 전지가 제공하는 에너지의 양은 연간 맑은 날의 수에 영향을 받습니다. 1년에 200일 이내로 하루 종일 태양이 당신의 지역에 나타나면 태양 전지판의 설치 및 사용은 거의 수익성이 없는 것으로 알려져 있습니다.

또한 배터리의 가열 온도도 패널의 효율에 영향을 미칩니다. 따라서 1 ° C로 가열하면 생산성이 각각 0.5 % 감소하고 10 ° C로 가열하면 효율이 절반입니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 에너지 소비가 필요한 냉각 시스템이 설치됩니다.

저장하려면 고성능태양광 추적 시스템은 주간에 설치되어 태양광 패널에 직사광선 입사각을 유지하는 데 도움이 됩니다. 그러나 이러한 시스템은 배터리 자체는 말할 것도 없고 상당히 비싸므로 모든 사람이 가정에 전력을 공급하기 위해 설치할 여유가 없습니다.

태양 전지가 생성하는 에너지의 양은 설치된 모듈의 총 면적에 따라 달라집니다. 각 태양 전지는 제한된 양을받을 수 있기 때문입니다.

태양 전지 패널이 가정에 제공하는 에너지의 양을 계산하는 방법은 무엇입니까?

태양광 패널을 구입할 때 고려해야 하는 위의 사항을 기반으로 한 모듈이 생산할 에너지 양을 계산할 수 있는 간단한 공식을 도출할 수 있습니다.

면적이 2m2인 가장 생산적인 모듈 중 하나를 선택했다고 가정해 보겠습니다. 전형적인 화창한 날의 태양 에너지 양은 m2당 약 1000와트입니다. 결과적으로 태양 에너지(1000W/m2) × 생산성(20%) × 모듈 면적(2m2) = 전력(400W)의 공식을 얻습니다.

저녁과 흐린 날에 배터리가 감지하는 태양 에너지의 양을 계산하려면 맑은 날의 태양 에너지 양 × 태양광과 패널 표면 각도의 사인 × 백분율을 사용할 수 있습니다. 흐린 날에 변환된 에너지의 양 = 궁극적으로 배터리를 변환하는 태양 에너지의 양. 예를 들어, 저녁에 광선의 입사각이 30°라고 가정해 봅시다. 1000 W / m2 × sin30̊ × 60% = 300 W / m2로 계산하고 마지막 숫자를 전력 계산의 기초로 사용합니다.

러시아의 에너지 가격 상승은 저렴한 에너지 원에 대한 관심을 강요하고 있습니다. 태양 에너지는 가장 쉽게 구할 수 있습니다. 지구에 떨어지는 태양 복사 에너지는 인류가 생산하는 에너지의 10,000배 이상입니다. 에너지 수집 기술과 태양광 발전소에 에너지가 고르지 않게 공급되는 것과 관련하여 문제가 발생합니다. 따라서 태양열 집열기와 태양 전지판은 에너지 저장 장치와 함께 사용되거나 주 발전소의 추가 충전 수단으로 사용됩니다.

우리 나라는 광대하고 영토에 대한 태양 에너지 분포의 그림은 매우 다양합니다.

평균 태양열 입력 데이터

태양에너지 투입량

최대 태양 복사 강도의 영역. 1제곱미터당 5kW 이상이 공급됩니다. 시. 하루 태양 에너지.

바이칼에서 블라디보스토크까지 러시아 남부 국경을 따라 야쿠츠크 지역, 티바 공화국과 부랴티아 공화국 남쪽, 이상하게도 세베르나야 젬랴 동부의 북극권 너머.

4 ~ 4.5kW의 태양 에너지 입력. 1제곱미터당 1시간 하루에 미터

크라스노다르 지역, 북 코카서스, 로스토프 지역, 볼가 지역 남부, 노보시비르스크 남부 지역, 이르쿠츠크 지역, Buryatia, Tuva, Khakassia, Primorsky 및 하바롭스크 지역, 아무르 지역, 사할린 섬, 광활한 영토에서 크라스노야르스크 준주 Yamalo-Nenets 자치구 북동쪽, Severnaya Zemlya의 Magadan까지.

2.5 ~ 3kW. 평방 미터당 시간 하루에 미터

서쪽 호를 따라 - 니즈니 노브고로드, 모스크바, 상트 페테르부르크, Salekhard, Chukotka 및 Kamchatka의 동부 부분.

3~4kW. 1제곱미터당 1시간 하루에 미터

나머지 국가.

연간 일조 시간

에너지 흐름은 5월, 6월, 7월에 가장 강렬합니다. 이 기간 동안 러시아 중부에서는 1 sq. 표면 미터는 5kW를 차지합니다. 하루에 한 시간. 가장 낮은 강도는 12-1월에 1제곱미터입니다. 표면 미터는 0.7kW를 차지합니다. 하루에 한 시간.

설치 기능

태양열 집열기를 표면과 30도 각도로 설치하면 최대 및 최소 모드에서 각각 4.5 및 1.5kWh/1sq의 에너지 제거를 보장 할 수 있습니다. 미터. 하루에.

월별 중앙 러시아의 태양 복사 강도 분포

주어진 데이터를 기반으로 개별 주택에서 4인 가족의 온수 공급에 필요한 평면 태양열 집열기의 면적을 계산할 수 있습니다. 6월에 300리터의 물을 5도에서 55도로 가열하는 것은 12월 18제곱미터에 5.4제곱미터 면적의 수집가가 제공할 수 있습니다. 미터. 보다 효율적인 진공 수집기를 사용하는 경우 필요한 수집기 영역이 대략 절반으로 줄어듭니다.

태양광 DHW 적용 범위

실제로 태양열 집열기는 온수 공급의 주요 공급원이 아니라 난방 시설에 들어가는 물을 가열하는 장치로 사용하는 것이 좋습니다. 이 경우 연료 소비가 급격히 감소합니다. 이것은 중단 없는 공급을 보장합니다 뜨거운 물영구 거주용 주택인 경우 주택의 온수 공급 및 난방 비용을 절약할 수 있습니다. dachas에서는 여름에 뜨거운 물을 얻기 위해 사용됩니다. 다른 종류태양열 집열기. 공장에서 만든 수집가에서 스크랩 재료로 만든 수제 장치에 이르기까지. 우선 효율성 측면에서 다릅니다. 공장에서 만든 것이 더 효율적이지만 더 비쌉니다. 거의 무료로 오래된 냉장고의 열교환 기로 수집기를 만들 수 있습니다.

러시아에서는 태양열 집열기 설치가 RD 34.20.115-89 "에 의해 규제됩니다. 체계적인 지침태양열 난방 시스템의 계산 및 설계 ", VSN 52-86(RTF 형식, 11Mb)" 뜨거운 태양열 물 공급 설치. 설계 표준 ". 2002년 농업부의 요청에 따라 개발된 축산, 사료 생산, 소작농 및 농촌 주택 부문에서 비전통적 에너지원 사용에 대한 권장 사항이 있습니다. GOST R 51595" 태양열 집열기. 기술 요구 사항 ", GOST R 51594" 태양 에너지. 용어 및 정의",

이 문서는 사용된 태양열 집열기의 계획과 가장 자세한 내용을 설명합니다. 효과적인 방법다양한 기후 조건에서의 적용.

독일의 태양열 집열기

독일에서는 국가에서 태양열 집열기 설치 비용을 보조하여 그 사용이 꾸준히 증가하고 있습니다. 2006년 100만 3000대 설치 평방 미터수집가. 이 중 약 10%가 더 비싸고 효율적인 진공 수집기입니다. 현재까지 설치된 태양열 집열기의 총 면적은 약 1200만 평방미터입니다.

Viessmann에서 제공하는 재료 및 그래픽