Geografia i cechy wykorzystania kolektorów słonecznych w Rosji. Rodzaje kolektorów słonecznych. Obliczanie mocy elektrowni słonecznej na podstawie wartości nasłonecznienia

29.04.2019

Energia Słońca jest źródłem życia na naszej planecie. Słońce ogrzewa atmosferę i powierzchnię ziemi. Dzięki energia słoneczna wieją wiatry, obieg wody odbywa się w przyrodzie, morza i oceany nagrzewają się, rozwijają się rośliny, zwierzęta mają pożywienie. To dzięki promieniowaniu słonecznemu na Ziemi istnieją paliwa kopalne. Energia słoneczna może zostać zamieniona na ciepło lub zimno, siłę napędową i energię elektryczną.

PROMIENIOWANIA SŁONECZNEGO

Promieniowanie słoneczne to promieniowanie elektromagnetyczne, skoncentrowane głównie w zakresie długości fal 0,28...3,0 mikronów. Widmo słoneczne składa się z:

Fale ultrafioletowe o długości 0,28…0,38 mikrona, niewidoczne dla naszych oczu i stanowiące około 2% widma słonecznego;

Fale świetlne w zakresie 0,38…0,78 mikronów, stanowiące około 49% widma;

Fale podczerwone o długości 0,78…3,0 mikronów, które stanowią większość pozostałych 49% widma słonecznego.

Pozostałe części widma odgrywają niewielką rolę w bilansie cieplnym Ziemi.

ILE ENERGII SŁONECZNEJ DOSTAJE DO ZIEMI?

Słońce promieniuje duża ilość energia - około 1,1x10 20 kWh na sekundę. Kilowatogodzina to ilość energii potrzebna do działania 100-watowej żarówki przez 10 godzin. Zewnętrzna atmosfera Ziemi przechwytuje około jedną milionową energii emitowanej przez Słońce, czyli około 1500 biliardów (1,5 x 10 18) kWh rocznie. Jednak dzięki odbiciu, rozproszeniu i absorpcji przez gazy i aerozole atmosferyczne tylko 47% całej energii, czyli około 700 biliardów (7 x 10 17) kWh, dociera do powierzchni Ziemi.

Promieniowanie słoneczne w atmosferze ziemskiej dzieli się na tzw. promieniowanie bezpośrednie i rozpraszane przez zawarte w atmosferze cząsteczki powietrza, pyłu, wody itp. Ich suma stanowi całkowite promieniowanie słoneczne. Ilość energii spadającej na jednostkę powierzchni w jednostce czasu zależy od wielu czynników:

szerokość geograficzna, klimat lokalny, pora roku, kąt nachylenia powierzchni względem Słońca.

CZAS I MIEJSCE

Ilość energii słonecznej spadającej na powierzchnię Ziemi zmienia się pod wpływem ruchu Słońca. Zmiany te zależą od pory dnia i pory roku. Zwykle więcej promieniowania słonecznego dociera do Ziemi w południe niż wczesnym rankiem lub późnym wieczorem. W południe Słońce znajduje się wysoko nad horyzontem, a długość drogi promieni słonecznych przez ziemską atmosferę ulega skróceniu. W konsekwencji mniej promieniowania słonecznego jest rozpraszane i pochłaniane, co oznacza, że więcej dociera do powierzchni ziemi.

Ilość energii słonecznej docierająca do powierzchni Ziemi różni się od średniej rocznej wartości: in zimowy czas- mniej niż 0,8 kWh/m² dziennie na północy (50˚ szerokości geograficznej) i ponad 4 kWh/m² dziennie w czas letni w tym samym regionie. Różnica zmniejsza się w miarę zbliżania się do równika.

Ilość energii słonecznej zależy również od położenia geograficznego terenu: im bliżej równika, tym jest on większy. Np. średnie roczne całkowite promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię poziomą wynosi: w Europie Środkowej, Azji Środkowej i Kanadzie - około 1000 kWh/m²; na Morzu Śródziemnym - około 1700 kWh/m²; w większości pustynnych regionów Afryki, Bliskiego Wschodu i Australii około 2200 kWh/m².

Tak więc ilość promieniowania słonecznego różni się znacznie w zależności od pory roku i położenie geograficzne(patrz tabela 1). Ten czynnik należy wziąć pod uwagę przy korzystaniu z energii słonecznej.

Tabela 1

Ilość promieniowania słonecznego w Europie i na Karaibach, kWh/m² dziennie.
	Południowa Europa	Europa Środkowa	Północna Europa	region Karaibów
Styczeń	2,6	1,7	0,8	5,1
Luty	3,9	3,2	1,5	5,6
Marsz	4,6	3,6	2,6	6,0
kwiecień	5,9	4,7	3,4	6,2
Może	6,3	5,3	4,2	6,1
czerwiec	6,9	5,9	5,0	5,9
lipiec	7,5	6,0	4,4	6,4
sierpień	6,6	5,3	4,0	6,1
wrzesień	5,5	4,4	3,3	5,7
październik	4,5	3,3	2,1	5,3
Listopad	3,0	2,1	1,2	5,1
grudzień	2,7	1,7	0,8	4,8
ROK	5,0	3,9	2,8	5,7

CHMURY

Ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi zależy od różnych zjawisk atmosferycznych oraz od położenia Słońca zarówno w ciągu dnia, jak i przez cały rok. Chmury są głównym zjawiskiem atmosferycznym determinującym ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi. W każdym miejscu na Ziemi promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi maleje wraz ze wzrostem zachmurzenia. W rezultacie kraje o głównie pochmurnej pogodzie otrzymują mniej promieniowania słonecznego niż pustynie, gdzie pogoda jest przeważnie bezchmurna. Na powstawanie chmur wpływa obecność lokalnych cech, takich jak góry, morza i oceany, a także duże jeziora. W związku z tym ilość promieniowania słonecznego odbieranego na tych obszarach i w sąsiadujących z nimi regionach może się różnić. Na przykład w góry mogą być mniej promieniowania słonecznego niż sąsiednie pogórza i równiny. Wiatry wiejące w stronę gór powodują, że część powietrza unosi się w górę i, schładzając wilgoć w powietrzu, tworzą chmury. Ilość promieniowania słonecznego na obszarach przybrzeżnych może również różnić się od rejestrowanej na obszarach położonych w głębi lądu.

Ilość energii słonecznej otrzymywanej w ciągu dnia w dużej mierze zależy od lokalnych zjawisk atmosferycznych. W południe, przy bezchmurnym niebie, łączne promieniowanie słoneczne padające na poziomą powierzchnię może osiągnąć (np. w Europie Środkowej) wartość 1000 W/m² (w bardzo sprzyjających warunkach pogodowych wartość ta może być wyższa), natomiast przy silnym zachmurzeniu pogoda - poniżej 100 W/m² nawet w południe.

SKAŻENIE

antropogeniczny i Zjawiska naturalne może również ograniczać ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi. Smog miejski, dym z pożarów i unoszący się w powietrzu popiół wulkaniczny zmniejszają zużycie energii słonecznej poprzez zwiększenie dyspersji i absorpcji promieniowania słonecznego. Oznacza to, że czynniki te mają większy wpływ na bezpośrednie promieniowanie słoneczne niż na całość. Na duże zanieczyszczenie powietrze, na przykład podczas smogu, promieniowanie bezpośrednie zmniejsza się o 40%, a ogółem - tylko o 15-25%. Silna erupcja wulkanu może zmniejszyć i na dużym obszarze powierzchni Ziemi bezpośrednie promieniowanie słoneczne o 20%, a łącznie o 10% przez okres od 6 miesięcy do 2 lat. Wraz ze spadkiem ilości popiołu wulkanicznego w atmosferze efekt słabnie, ale proces pełne wyzdrowienie może potrwać kilka lat.

POTENCJAŁ

Słońce dostarcza nam 10 000 razy więcej darmowej energii niż faktycznie zużywa się na całym świecie. Sam globalny rynek komercyjny kupuje i sprzedaje prawie 85 bilionów (8,5 x 10 13) kWh energii rocznie. Ponieważ nie da się prześledzić całego procesu, nie można z całą pewnością stwierdzić, ile energii zużywają ludzie niekomercyjni (np. ile drewna i nawozów jest zbierane i spalane, ile wody zużywa się do produkcji mechanicznej lub elektrycznej). energia). Niektórzy eksperci szacują, że taka energia niekomercyjna stanowi jedną piątą całej zużywanej energii. Ale nawet jeśli tak jest, to całkowita energia, konsumowana przez ludzkość w ciągu roku, to tylko około jedna siódma tysięczna energii słonecznej spadającej na powierzchnię Ziemi w tym samym okresie.

W krajach rozwiniętych, takich jak USA, zużycie energii wynosi około 25 bilionów (2,5 x 10 13) kWh rocznie, co odpowiada ponad 260 kWh na osobę dziennie. Ten wskaźnik to odpowiednik używania ponad stu żarówek o mocy 100 W dziennie przez cały dzień. Przeciętny mieszkaniec USA zużywa 33 razy więcej energii niż Hindus, 13 razy więcej niż Chińczyk, dwa i pół razy więcej niż Japończyk i dwa razy więcej niż Szwed.

Ilość energii słonecznej docierająca do powierzchni Ziemi jest wielokrotnie większa niż jej zużycie, nawet w krajach takich jak Stany Zjednoczone, gdzie zużycie energii jest ogromne. Gdyby tylko 1% terytorium kraju wykorzystano pod instalację urządzeń fotowoltaicznych (zestaw fotowoltaicznych lub systemy słoneczne w przypadku ciepłej wody) działającej z wydajnością 10%, Stany Zjednoczone byłyby w pełni zaopatrywane w energię. To samo można powiedzieć o wszystkich innych krajach rozwiniętych. Jednak w pewnym sensie jest to nierealne – po pierwsze ze względu na wysoki koszt systemów fotowoltaicznych, a po drugie nie da się pokryć tak dużych obszarów urządzeniami słonecznymi bez szkody dla ekosystemu. Ale sama zasada jest poprawna. Możliwe jest pokrycie tego samego obszaru poprzez rozproszenie instalacji na dachach budynków, na domach, wzdłuż poboczy dróg, na wyznaczonych obszarach itp. Ponadto w wielu krajach już ponad 1% gruntów przeznacza się na wydobycie, konwersję, produkcję i transport energii. A ponieważ większość tej energii jest nieodnawialna w skali ludzkiej egzystencji, ten rodzaj produkcji energii jest znacznie bardziej szkodliwy dla środowiska niż systemy słoneczne.

KORZYSTANIE Z ENERGII SŁONECZNEJ

W większości części świata ilość energii słonecznej, która dociera do dachów i ścian budynków, znacznie przekracza roczne zużycie energii przez mieszkańców tych budynków. Korzystanie ze światła słonecznego i ciepła to czysty, prosty i naturalny sposób na uzyskanie wszystkich potrzebnych nam form energii. Z pomocą kolektory słoneczne budynki mieszkalne i komercyjne mogą być ogrzewane i/lub zaopatrywane w ciepłą wodę. Światło słoneczne, stężony lustra paraboliczne (reflektory) służą do generowania ciepła (o temperaturach dochodzących do kilku tysięcy stopni Celsjusza). Może służyć do ogrzewania lub wytwarzania energii elektrycznej. Ponadto istnieje inny sposób wytwarzania energii za pomocą Słońca - technologia fotowoltaiczna. Ogniwa fotowoltaiczne to urządzenia przetwarzające promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną.

Promieniowanie słoneczne można zamienić na użyteczną energię za pomocą tzw. aktywnych i pasywnych systemów słonecznych. Aktywne systemy słoneczne są kolektory słoneczne oraz ogniwa fotowoltaiczne. Systemy pasywne uzyskuje się poprzez projektowanie budynków i selekcję materiały budowlane w taki sposób, aby zmaksymalizować wykorzystanie energii słonecznej.

Energia słoneczna jest również pośrednio przekształcana w energię użyteczną poprzez przekształcenie jej w inne formy energii, takie jak energia z biomasy, wiatru czy wody. Energia Słońca „steruje” pogodą na Ziemi. Duża część promieniowania słonecznego jest pochłaniana przez oceany i morza, w których woda nagrzewa się, paruje i opada na ziemię w postaci deszczu, „zasilając” elektrownie wodne. Wiatr wymagany przez turbiny wiatrowe powstaje w wyniku nierównomiernego ogrzewania powietrza. Inną kategorią odnawialnych źródeł energii pochodzących z energii słonecznej jest biomasa. Rośliny zielone pochłaniają światło słoneczne, w wyniku fotosyntezy powstają w nich substancje organiczne, z których można następnie uzyskać ciepło i energię elektryczną. Zatem energia wiatru, wody i biomasy jest pochodną energii słonecznej.

PASYWNA ENERGIA SŁONECZNA

Budynki pasywne to takie, które w jak największym stopniu uwzględniają lokalne warunki klimatyczne, a do ogrzewania, chłodzenia i oświetlania budynku przy użyciu energii słonecznej stosuje się odpowiednie technologie i materiały. Obejmują one tradycyjne techniki budowlane i materiały, takie jak izolacja, lite podłogi i okna wychodzące na południe. W niektórych przypadkach takie pomieszczenia mieszkalne można zbudować bez dodatkowych kosztów. W innych przypadkach dodatkowe koszty poniesione podczas budowy mogą zostać zrekompensowane niższymi kosztami energii. Pasywne budynki solarne są przyjazne dla środowiska, przyczyniają się do tworzenia niezależności energetycznej i zrównoważonej energetycznie przyszłości.

W pasywnym układzie słonecznym sama konstrukcja budynku działa jako kolektor promieniowania słonecznego. Ta definicja odpowiada większości najprostszych systemów, w których ciepło jest magazynowane w budynku przez ściany, sufity lub podłogi. Istnieją również systemy, w których w konstrukcję budynku wbudowuje się specjalne elementy do akumulacji ciepła (np. skrzynki z kamieniami lub zbiorniki lub butelki z wodą). Takie systemy są również klasyfikowane jako pasywne systemy słoneczne. Pasywne budynki solarne to idealne miejsce do życia. Tutaj pełniej odczuwa się więź z naturą, w takim domu jest dużo naturalnego światła, oszczędza się energię elektryczną.

HISTORIA

Historycznie projekt budynku był pod wpływem lokalnych warunki klimatyczne oraz dostępność materiałów budowlanych. Później ludzkość oddzieliła się od natury, podążając ścieżką dominacji i kontroli nad nią. Ta ścieżka prowadziła do tego samego typu budynków na prawie każdym obszarze. W 100 r. n.e. mi. historyk Pliniusz Młodszy zbudował letni dom w północnych Włoszech, którego jedno z pomieszczeń miało okna wykonane z cienkiej miki. Pomieszczenie było cieplejsze niż inne i potrzebowało mniej drewna do jego ogrzania. W słynnych rzymskich łaźniach w I-IV art. n. mi. specjalnie zainstalowany duże okna od południa po więcej ciepło słoneczne wszedł do budynku. Przez VI art. solary w domach i budynkach użyteczności publicznej stały się tak powszechne, że Kodeks Justyniana wprowadził „prawo do słońca”, aby zagwarantować indywidualny dostęp do słońca. W XIX wieku dużą popularnością cieszyły się szklarnie, w których modne było spacerowanie pod okapem bujnej roślinności.

Ze względu na przerwy w dostawie prądu podczas II wojny światowej, do końca 1947 roku w Stanach Zjednoczonych budynki biernie użytkowane energia słoneczna cieszyły się tak dużym zainteresowaniem, że firma Libbey-Owens-Ford Glass Company opublikowała książkę zatytułowaną Your Sunshine Home, zawierającą 49 najlepsze projekty budynki słoneczne. W połowie lat pięćdziesiątych architekt Frank Bridgers zaprojektował pierwszy na świecie budynek biurowy wykorzystujący energię słoneczną. Zainstalowany w nim system solarny do ciepłej wody od tego czasu działa bez zarzutu. Sam budynek Bridgers-Paxton jest wpisany do krajowego rejestru zabytków jako pierwszy na świecie budynek biurowy ogrzewany energią słoneczną.

Niskie ceny ropy naftowej po II wojnie światowej odwróciły uwagę opinii publicznej od budynków wykorzystujących energię słoneczną i kwestii efektywności energetycznej. Od połowy lat 90. rynek zmienia swoje nastawienie do ekologii i wykorzystania energia odnawialna, aw budownictwie pojawiają się trendy, które charakteryzują się połączeniem projektu przyszłego budynku z otaczającą naturą.

PASYWNE SYSTEMY SŁONECZNE

Istnieje kilka głównych sposobów biernego używania energia słoneczna w architekturze. Za ich pomocą możesz tworzyć wiele różnych schematów, uzyskując w ten sposób różnorodne projekty budowlane. Priorytety przy budowie budynku z pasywnym wykorzystaniem energii słonecznej to: dobra lokalizacja domu; duża liczba okna wychodzące na południe (na półkuli północnej), aby wpuścić więcej światła słonecznego zimą (i odwrotnie, niewielka liczba okien skierowanych na wschód lub zachód, aby ograniczyć niepożądane światło słoneczne latem); prawidłowe obliczenie obciążenia cieplnego wnętrza, aby uniknąć niepożądanych wahań temperatury i utrzymać ciepło w nocy, dobrze izolowana konstrukcja budynku.

Lokalizacja, izolacja, orientacja okien i obciążenie cieplne w pomieszczeniach muszą stanowić jeden system. Aby zmniejszyć wahania temperatury wewnętrznej, izolację należy umieścić na zewnątrz budynku. Jednak w miejscach o szybkim ogrzewaniu wewnętrznym, gdzie wymagana jest niewielka izolacja lub gdzie pojemność cieplna jest niska, izolacja powinna znajdować się od wewnątrz. Wtedy projekt budynku będzie optymalny dla każdego mikroklimatu. Warto zwrócić uwagę na fakt, że odpowiednia równowaga pomiędzy obciążeniem cieplnym lokalu a izolacją prowadzi nie tylko do oszczędności energii, ale także do oszczędności materiałów budowlanych.

AKTYWNE SYSTEMY SŁONECZNE

Podczas projektowania budynku zastosowanie aktywnych systemów solarnych, takich jak: kolektory słoneczne i baterie fotowoltaiczne. To urządzenie jest zainstalowane po południowej stronie budynku. Aby zmaksymalizować ilość ciepła zimą, kolektory słoneczne w Europie i Ameryka północna musi być zainstalowany z kątem nachylenia większym niż 50° od płaszczyzny poziomej. Stałe panele fotowoltaiczne odbierają największą ilość promieniowania słonecznego w ciągu roku, gdy kąt nachylenia względem horyzontu jest równy szerokości geograficznej, na której znajduje się budynek. Nachylenie dachu budynku i jego orientacja na południe to ważne aspekty przy projektowaniu budynku. Kolektory słoneczne do zaopatrzenia w ciepłą wodę i panele fotowoltaiczne powinny znajdować się w bliskiej odległości od miejsca poboru energii. Głównym kryterium wyboru sprzętu jest jego wydajność.

KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH

Od czasów starożytnych człowiek wykorzystywał energię słoneczną do podgrzewania wody. W sercu wielu słonecznych systemy energetyczne leży aplikacja kolektory słoneczne. Kolektor pochłania energię świetlną ze słońca i zamienia ją na ciepło, które jest przekazywane do chłodziwa (cieczy lub powietrza), a następnie wykorzystywane do ogrzewania budynków, podgrzewania wody, wytwarzania energii elektrycznej, suszenia produktów rolnych czy gotowania potraw. Kolektory słoneczne mogą być stosowane w prawie wszystkich procesach wykorzystujących ciepło.

W typowym budynku mieszkalnym lub mieszkaniu w Europie i Ameryce Północnej ogrzewanie wody jest drugim najbardziej energochłonnym procesem domowym. W przypadku wielu domów jest to nawet najbardziej energochłonne. Wykorzystanie energii słonecznej może obniżyć koszty ogrzewania wody użytkowej o 70%. Kolektor wstępnie podgrzewa wodę, która jest następnie podawana do tradycyjnej kolumny lub kotła, gdzie woda jest podgrzewana do żądana temperatura. Powoduje to znaczne oszczędności kosztów. Ten system jest łatwy w instalacji i prawie nie wymaga konserwacji.

Dziś solarne systemy podgrzewania wody znajdują zastosowanie w domach prywatnych, budynkach mieszkalnych, szkołach, myjniach samochodowych, szpitalach, restauracjach, rolnictwo i przemysł. Wszystkie te zakłady mają coś wspólnego: korzystają z ciepłej wody. Właściciele domów i liderzy biznesu przekonali się już, że słoneczne systemy podgrzewania wody są opłacalne i są w stanie zaspokoić zapotrzebowanie na ciepłą wodę w dowolnym regionie świata.

HISTORIA

Ludzie ogrzewali wodę za pomocą Słońca od czasów starożytnych, zanim paliwa kopalne przejęły prym w światowej energii. Zasady ogrzewania słonecznego znane są od tysięcy lat. Powierzchnia pomalowana na czarno nagrzewa się mocno na słońcu, podczas gdy powierzchnie jasne nagrzewają się mniej, białe mniej niż wszystkie inne. Ta właściwość jest wykorzystywana w kolektorach słonecznych - najbardziej znanych urządzeniach bezpośrednio wykorzystujących energię słoneczną. Kolektory zostały opracowane około dwieście lat temu. Najsłynniejszy z nich, płaski kolektor, został wykonany w 1767 roku przez szwajcarskiego naukowca Horace de Saussure. Został później użyty do gotowania przez Sir Johna Herschela podczas jego wyprawy do Afryki Południowej w latach 30. XX wieku.

Technologia wytwarzania kolektorów słonecznych osiągnęła niemal współczesny poziom w 1908 roku, kiedy William Bailey wynalazł kolektor z izolowanym termicznie korpusem i miedzianymi rurkami. Kolektor ten był bardzo podobny do nowoczesnego systemu termosyfonowego. Do końca I wojny światowej Bailey sprzedał 4000 takich kolekcjonerów, a biznesmen z Florydy, który kupił od niego patent, do 1941 r. sprzedał prawie 60 000 kolekcjonerów. Reglamentacja miedzi wprowadzona w USA podczas II wojny światowej doprowadziła do gwałtownego spadku rynku grzejników słonecznych.

Do globalnego kryzysu naftowego w 1973 r. urządzenia te były zaniedbywane. Jednak kryzys się obudził nowe zainteresowanie do alternatywnych źródeł energii. W rezultacie nastąpił wzrost popytu na energia słoneczna. Wiele krajów jest żywo zainteresowanych rozwojem tego obszaru. Efektywność solarnych systemów grzewczych stale wzrasta od lat 70-tych, dzięki zastosowaniu do osłony kolektorów szkła hartowanego o obniżonej zawartości żelaza (przepuszcza więcej energii słonecznej niż zwykłe szkło), ulepszonej izolacyjności termicznej oraz trwałej selektywnej powłoce.

RODZAJE KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH

Typowy kolektor słoneczny magazynuje energię słoneczną w modułach z rur i metalowych płyt montowanych na dachu budynku, pomalowanych na czarno dla maksymalnej absorpcji promieniowania. Są zamknięte w szkle lub plastiku i nachylone na południe, aby uchwycić maksimum światła słonecznego. Tak więc kolektor jest miniaturową szklarnią, która akumuluje ciepło pod szklaną taflą. Ponieważ promieniowanie słoneczne jest rozłożone na powierzchni, kolektor musi mieć dużą powierzchnię.

Istnieją kolektory słoneczne o różnych rozmiarach i konstrukcjach w zależności od ich zastosowania. Mogą dostarczać gospodarstwom domowym gorącą wodę do mycia, kąpieli i gotowania lub służyć do wstępnego podgrzewania wody w istniejących podgrzewaczach wody. Rynek oferuje obecnie wiele różne modele kolekcjonerów. Można je podzielić na kilka kategorii. Na przykład istnieje kilka rodzajów kolektorów w zależności od temperatury, jaką podają:

Kolektory niskotemperaturowe wytwarzają ciepło niskiej jakości, poniżej 50 ˚C. Służą do podgrzewania wody w basenach oraz w innych przypadkach, gdy potrzebna jest niezbyt ciepła woda.

Kolektory średniotemperaturowe wytwarzają ciepło o wysokim i średnim potencjale (powyżej 50˚C, zwykle 60-80˚C). Najczęściej są to przeszklone kolektory płaskie, w których wymiana ciepła odbywa się za pomocą cieczy lub koncentratory, w których ciepło jest stężony. Przedstawicielem tego ostatniego jest kolekcjoner ewakuowany rurowy, który jest często używany do podgrzewania wody w sektorze mieszkaniowym.

Kolektory wysokotemperaturowe są płytami parabolicznymi i są wykorzystywane głównie przez przedsiębiorstwa energetyczne do produkcji energii elektrycznej dla sieci elektroenergetycznej.

Zintegrowany kolektor

Najprostszym typem kolektora słonecznego jest kolektor „pojemnościowy” lub „termosifonowy”, który otrzymał tę nazwę, ponieważ kolektor jest jednocześnie zasobnikiem ciepła, w którym podgrzewana i magazynowana jest „jednorazowa” porcja wody. Kolektory takie służą do wstępnego podgrzewania wody, która jest następnie podgrzewana do żądanej temperatury w tradycyjnych instalacjach, takich jak gazowe podgrzewacze wody. W warunkach gospodarstwo domowe podgrzana woda wpływa do zbiornika magazynowego. Zmniejsza to zużycie energii na jego późniejsze ogrzewanie. Taki kolektor jest niedrogą alternatywą dla aktywnego słonecznego systemu podgrzewania wody, który nie wykorzystuje ruchomych części (pomp), wymaga minimalnej konserwacji i ma zerowe koszty eksploatacji. Zintegrowane kolektory akumulacyjne składają się z jednego lub więcej czarnych zbiorników wypełnionych wodą i umieszczonych w izolowanej termicznie skrzynce przykrytej szklaną pokrywą. Czasami w pudełku znajduje się również reflektor, który wzmacnia promieniowanie słoneczne. Światło przechodzi przez szkło i podgrzewa wodę. Urządzenia te są dość niedrogie, ale przed nadejściem chłodów woda z nich musi zostać spuszczona lub zabezpieczona przed zamarzaniem.

Kolektory płaskie

Kolektory płaskie są najczęstszym typem kolektorów słonecznych stosowanych w instalacjach ogrzewania i ogrzewania wody użytkowej. Zazwyczaj ten kolektor jest izolowanym termicznie metalowym pudełkiem ze szklanym lub plastikowym wieczkiem, w którym umieszczona jest pomalowana na czarno płyta absorbera (absorbera). Przeszklenie może być przezroczyste lub matowe. Kolektory płaskie zazwyczaj wykorzystują szkło matowe, tylko do światła, o niskiej zawartości żelaza (które przepuszcza znaczną część światła słonecznego do kolektora). Światło słoneczne pada na płytę odbierającą ciepło, a dzięki przeszkleniu zmniejsza się utrata ciepła. Dolne i boczne ściany kolektora pokryte są materiałem termoizolacyjnym, co dodatkowo ogranicza straty ciepła.

Płyta absorbera jest zwykle pomalowana na czarno, ponieważ ciemne powierzchnie pochłaniają więcej energii słonecznej niż jasne. Światło słoneczne przechodzi przez przeszklenie i uderza w płytę pochłaniającą, która nagrzewa się, zamieniając promieniowanie słoneczne w energię cieplną. Ciepło to jest przekazywane do chłodziwa - powietrza lub cieczy krążącej w rurkach. Ponieważ większość czarnych powierzchni nadal odbija około 10% padającego promieniowania, niektóre płyty absorbera są pokryte specjalną selektywną powłoką, która lepiej zatrzymuje pochłonięte światło słoneczne i trwa dłużej niż zwykła czarna farba. Selektywna powłoka stosowana w panelach słonecznych składa się z bardzo mocnej cienkiej warstwy amorficznego półprzewodnika osadzonej na metalowym podłożu. Powłoki selektywne charakteryzują się wysoką absorpcją w zakresie widzialnym widma oraz niską emisyjnością w zakresie dalekiej podczerwieni.

Płyty pochłaniające są zwykle wykonane z metalu dobrze przewodzącego ciepło (najczęściej miedzi lub aluminium). Miedź jest droższa, ale lepiej przewodzi ciepło i jest mniej podatna na korozję niż aluminium. Płyta absorbera musi mieć wysoką przewodność cieplną, aby przekazywać zgromadzoną energię do wody przy minimalnych stratach ciepła. Kolektory płaskie podzielony na ciecz i powietrze. Oba typy kolektorów są przeszklone lub nie przeszklone.

Kolektory cieczowe

W kolektorach cieczowych energia słoneczna podgrzewa ciecz przepływającą przez rurki przymocowane do płyty pochłaniającej. Ciepło zaabsorbowane przez płytkę jest natychmiast przekazywane do cieczy.

Rury mogą być ułożone równolegle do siebie, a każda z nich ma wlot i wylot lub w postaci wężownicy. Serpentynowe ułożenie rurek eliminuje możliwość wycieku przez otwory połączeniowe i zapewnia równomierny przepływ cieczy. Z drugiej strony spuszczanie cieczy, aby uniknąć zamarzania, może być trudne, ponieważ woda może pozostać w miejscach w zakrzywionych rurkach.

Najprostsze zastosowanie systemów płynów zwykła woda, który jest ogrzewany bezpośrednio w kolektorze i wchodzi do łazienki, kuchni itp. Ten model jest znany jako system „otwarty” (lub „bezpośredni”). W regionach o zimnym klimacie kolektory płynów muszą być opróżniane w zimnych porach roku, kiedy temperatura spada do punktu zamarzania; lub jako nośnik ciepła stosuje się płyn zapobiegający zamarzaniu. W takich systemach płyn ciepłonośny pochłania ciepło zmagazynowane w kolektorze i przechodzi przez wymiennik ciepła. Wymiennik ciepła to najczęściej zbiornik na wodę zainstalowany w domu, w którym ciepło przekazywane jest do wody. Ten model nazywa się „systemem zamkniętym”.

Do ogrzewania służą przeszklone kolektory cieczy woda domowa a także do ogrzewania pomieszczeń. Kolektory nieszkliwione zwykle podgrzewają wodę do basenów. Ponieważ takie kolektory nie muszą wytrzymywać wysokich temperatur, wykorzystują niedrogie materiały: plastik, gumę. Nie wymagają ochrony przed mrozem, ponieważ są używane w ciepłym sezonie.

Kolektory powietrza

Kolektory powietrzne mają tę zaletę, że pozwalają uniknąć problemów z zamarzaniem i wrzeniem, na które czasami cierpią systemy płynów. Chociaż wyciek płynu chłodzącego w kolektorze powietrza jest trudniejszy do zauważenia i naprawienia, stanowi mniejszy problem niż wyciek płynu. Systemy powietrzne często wykorzystują tańsze materiały niż systemy płynne. Na przykład przeszklenie z tworzywa sztucznego, ponieważ temperatura pracy w nich poniżej.

Kolektory powietrzne są prostymi kolektorami płaskimi i służą głównie do ogrzewania pomieszczeń i suszenia produktów rolnych. Płyty pochłaniające w kolektorach powietrznych to panele metalowe, ekrany wielowarstwowe, w tym wykonane z materiałów niemetalicznych. Powietrze przechodzi przez absorber w wyniku naturalnej konwekcji lub pod wpływem wentylatora. Ponieważ powietrze jest gorszym przewodnikiem ciepła niż ciecz, przekazuje do absorbera mniej ciepła niż płyn przenoszący ciepło. Niektóre słoneczne nagrzewnice powietrza mają wentylatory przymocowane do płyty absorbera w celu zwiększenia turbulencji powietrza i poprawy wymiany ciepła. Wadą tej konstrukcji jest to, że zużywa energię do obsługi wentylatorów, co zwiększa koszty eksploatacji systemu. W zimnym klimacie powietrze jest kierowane do szczeliny między płytą absorbera a izolacją Tylna ściana kolektor: unika się w ten sposób strat ciepła przez przeszklenie. Jeśli jednak powietrze zostanie ogrzane nie więcej niż 17°C powyżej temperatury powietrza na zewnątrz, nośnik ciepła może krążyć po obu stronach płyty absorbera bez znacznej utraty wydajności.

Głównymi zaletami kolektorów powietrznych są ich prostota i niezawodność. Takie kolektory mają proste urządzenie. Przy odpowiedniej pielęgnacji wysokiej jakości kolektor może przetrwać 10-20 lat i jest bardzo łatwy w zarządzaniu. Wymiennik ciepła nie jest wymagany, ponieważ powietrze nie zamarza.

Solarne kolektory próżniowe rurowe

Tradycyjne proste płaskie kolektory słoneczne zostały zaprojektowane do użytku w regionach o ciepłym słonecznym klimacie. Drastycznie tracą swoją skuteczność w niesprzyjające dni - przy zimnej, pochmurnej i wietrznej pogodzie. Co więcej, kondensacja i wilgoć spowodowane warunkami atmosferycznymi powodują przedwczesne zużycie materiałów wewnętrznych, co z kolei prowadzi do słabej wydajności systemu i jego awarii. Te niedociągnięcia są eliminowane przez zastosowanie kolektorów próżniowych.

Kolektory próżniowe podgrzewają wodę do użytek krajowy gdzie potrzebna jest gorąca woda. Promieniowanie słoneczne przechodzi przez zewnętrzną szklaną rurkę, uderza w rurkę absorbera i jest przekształcane w ciepło. Jest przenoszony przez płyn przepływający przez rurkę. Kolektor składa się z kilku rzędów równoległych szklanych rurek, do każdego z nich przymocowany jest absorber rurowy (zamiast płyty absorbera w kolektorach płaskich) z powłoką selektywną. Ogrzana ciecz krąży w wymienniku ciepła i oddaje ciepło do wody zawartej w zasobniku.

Kolektory próżniowe są modułowe, tj. rurki można dodawać lub usuwać w zależności od potrzeb, w zależności od zapotrzebowania na gorącą wodę. Podczas produkcji tego typu kolektorów z przestrzeni między rurami zostaje odessane powietrze i powstaje próżnia. Dzięki temu eliminowane są straty ciepła związane z przewodnością cieplną powietrza i konwekcją wywołaną jego cyrkulacją. Pozostaje radiacyjna utrata ciepła ( energia cieplna przemieszcza się z ciepłej na zimną powierzchnię, nawet w próżni). Strata ta jest jednak niewielka i znikoma w porównaniu z ilością ciepła przekazywanego cieczy w rurze absorbera. Próżnia w szklanej rurze - najlepsza izolacja termiczna dostępna dla kolektora - ogranicza straty ciepła i chroni absorber i rurkę cieplną przed niekorzystnymi warunkami. wpływy zewnętrzne. Rezultatem jest doskonała wydajność, która przewyższa każdy inny typ kolektora słonecznego.

Istnieje wiele różnych typów kolektorów próżniowych. W niektórych, inna, trzecia szklana rurka przechodzi przez rurkę absorbera; istnieją inne konstrukcje żeberek do wymiany ciepła i rurek do płynów. W każdej rurce znajduje się kolektor próżniowy, który mieści 19 litrów wody, eliminując w ten sposób potrzebę osobnego zbiornika na wodę. Odbłyśniki można również umieścić za rurami próżniowymi, aby dodatkowo skoncentrować promieniowanie słoneczne na kolektorze.

W regionach o dużych różnicach temperatur kolektory te są z wielu powodów znacznie bardziej wydajne niż kolektory płaskie. Po pierwsze, dobrze sprawdzają się w warunkach zarówno bezpośredniego, jak i rozproszonego promieniowania słonecznego. Ta cecha w połączeniu ze zdolnością podciśnienia do minimalizowania strat ciepła na zewnątrz sprawia, że kolektory te są niezastąpione w mroźne, pochmurne zimy. Po drugie, ze względu na okrągły kształt rury próżniowej, przez większość dnia światło słoneczne pada prostopadle do absorbera. Dla porównania, w stałym kolektorze płaskim światło słoneczne pada prostopadle do jego powierzchni dopiero w południe. Kolektory próżniowe mają wyższą temperaturę wody i sprawność niż kolektory płaskie, ale są też droższe.

Koncentratory

Kolektory skupiające (koncentratory) wykorzystują powierzchnie lustrzane do skupienia energii słonecznej na absorberze, zwanym również „radiatorem”. Osiągają temperaturę znacznie wyższą niż kolektory płaskie, ale mogą skupiać jedynie bezpośrednie promieniowanie słoneczne, co prowadzi do: kiepska wydajność w mglistą lub pochmurną pogodę. Powierzchnia lustra skupia światło słoneczne odbite od dużej powierzchni na mniejszej powierzchni absorbera, dzięki czemu uzyskuje się wysoką temperaturę. W niektórych modelach promieniowanie słoneczne jest skoncentrowane w punkcie ogniskowym, podczas gdy w innych promienie słoneczne są skoncentrowane wzdłuż cienkiej linii ogniskowej. Odbiornik znajduje się w ognisku lub wzdłuż linii ogniskowej. Płyn przenoszący ciepło przechodzi przez odbiornik i pochłania ciepło. Takie kolektory-koncentratory są najbardziej odpowiednie dla regionów o dużym nasłonecznieniu - w pobliżu równika, w ostrym klimacie kontynentalnym i na obszarach pustynnych.

Huby działają najlepiej, gdy są skierowane bezpośrednio w stronę słońca. W tym celu wykorzystywane są urządzenia śledzące, które w ciągu dnia zwracają „twarz” kolektora do Słońca. Trackery jednoosiowe obracają się ze wschodu na zachód; dwuosiowy - ze wschodu na zachód i kąt nad horyzontem (w celu śledzenia ruchu Słońca po niebie w ciągu roku). Huby są używane głównie w instalacjach przemysłowych, ponieważ są drogie i wymagają trackerów stała opieka. Niektóre domowe systemy zasilania energią słoneczną wykorzystują koncentratory paraboliczne. Jednostki te służą do zaopatrzenia w ciepłą wodę, ogrzewania i uzdatniania wody. W systemach domowych stosuje się głównie jednoosiowe urządzenia śledzące - są tańsze i prostsze niż dwuosiowe.

Rosnące ceny energii w Rosji wymuszają zainteresowanie tanimi źródłami energii. Najbardziej przystępna cenowo jest energia słoneczna. Energia promieniowania słonecznego padającego na Ziemię jest 10 000 razy większa niż ilość energii produkowanej przez ludzkość. Problemy pojawiają się w technologii odbioru energii iw związku z nierównomiernym dostarczaniem energii do elektrowni słonecznych. Dlatego kolektory słoneczne i panele słoneczne są używane albo w połączeniu z magazynowaniem energii, albo jako środek dodatkowego zasilania głównej elektrowni.

Nasz kraj jest rozległy, a obraz dystrybucji energii słonecznej na jego terytorium jest bardzo zróżnicowany.

Średnie dane dotyczące wkładu energii słonecznej

Intensywność dopływu energii słonecznej

Strefy maksymalnego natężenia promieniowania słonecznego. Na 1 metr kwadratowy dostarczane jest ponad 5 kW. godzina. energia słoneczna dziennie.

Wzdłuż południowej granicy Rosji od Bajkału do Władywostoku, w obwodzie jakuckim, na południu Republiki Tuwy i Republiki Buriacji, co dziwne, za kołem podbiegunowym we wschodniej części Siewiernej Ziemi.

Pobór energii słonecznej od 4 do 4,5 kW. godzina na metr kwadratowy metr na dzień

Region Krasnodar, Kaukaz Północny, region Rostów, południowa część regionu Wołgi, południowe regiony Nowosybirska, regiony Irkucka, Buriacja, Tyva, Chakasja, Primorsky i Obwód Chabarowski, region Amur, wyspa Sachalin, rozległe terytoria od Terytorium Krasnojarskiego po Magadan, Severnaya Zemlya, na północny wschód od Okręgu Autonomicznego Jamalsko-Nienieckiego.

Od 2,5 do 3 kW. godzina na metr kwadratowy metr na dzień

Wzdłuż łuku zachodniego - Niżny Nowogród, Moskwa, Petersburg, Salechard, wschodnia część Czukotki i Kamczatki.

Od 3 do 4 kW. godzina na metr kwadratowy metr na dzień

reszta kraju.

Czas trwania nasłonecznienia rocznie

Największe natężenie przepływu energii przypada na maj, czerwiec i lipiec. W tym okresie w centralnej Rosji na 1 tys. metr powierzchni odpowiada 5 kW. godzinę dziennie. Najniższa intensywność występuje w okresie grudzień-styczeń, kiedy 1m2. metr powierzchni odpowiada 0,7 kW. godzinę dziennie.

Funkcje instalacji

Jeśli zainstalujesz kolektor słoneczny pod kątem 30 stopni do powierzchni, możesz zapewnić odprowadzanie energii w trybie maksymalnym i minimalnym odpowiednio 4,5 i 1,5 kWh na 1 m2. metr. w dzień.

Rozkład natężenia promieniowania słonecznego w centralnej Rosji według miesięcy

Na podstawie powyższych danych można obliczyć powierzchnię płaskich kolektorów słonecznych potrzebną do zaopatrywania w ciepłą wodę czteroosobowej rodziny w indywidualnym domu. Podgrzewanie 300 litrów wody od 5 stopni do 55 stopni w czerwcu mogą zapewnić kolektory o powierzchni 5,4 metra kwadratowego, w grudniu 18 metrów kwadratowych. metrów. W przypadku zastosowania bardziej wydajnych kolektorów próżniowych wymagana powierzchnia kolektora zmniejsza się o około połowę.

Pokrycie słonecznej CWU

W praktyce pożądane jest stosowanie kolektorów słonecznych nie jako głównego źródła ciepłej wody, ale jako urządzenia do podgrzewania wody wpływającej do instalacji grzewczej. W takim przypadku zużycie paliwa jest znacznie zmniejszone. Zapewnia to nieprzerwane zaopatrzenie w ciepłą wodę oraz oszczędność pieniędzy na zaopatrzenie w ciepłą wodę i ogrzewanie domu, jeśli jest to dom na pobyt stały. W daczy, latem, aby uzyskać ciepłą wodę, używają Różne rodzaje kolektory słoneczne. Od fabrycznych kolekcjonerów po domowe urządzenia wykonane z improwizowanych materiałów. Różnią się przede wszystkim wydajnością. Fabryczna jest wydajniejsza, ale droższa. Prawie za darmo możesz zrobić kolektor z wymiennikiem ciepła ze starej lodówki.

W Rosji instalacja kolektorów słonecznych jest regulowana przez RD 34.20.115-89 ” Wytyczne w sprawie obliczeń i projektowania systemów ogrzewania słonecznego”, VSN 52-86 (w formacie RTF, 11 Mb) „Instalacje zaopatrzenia w ciepłą wodę słoneczną. Normy projektowe”. Istnieją zalecenia dotyczące wykorzystania nietradycyjnych źródeł energii w hodowli zwierząt, produkcji pasz, gospodarstwach chłopskich i budownictwie wiejskim, opracowane na zlecenie Ministerstwa Rolnictwa w 2002 r. GOST R 51595 „Kolektory słoneczne. Wymagania techniczne", GOST R 51594 " energia słoneczna. Warunki i definicje",

Dokumenty te szczegółowo opisują schematy zastosowanych kolektorów słonecznych oraz najbardziej efektywne sposoby ich zastosowania w różnych warunkach klimatycznych.

Kolektory słoneczne w Niemczech

W Niemczech państwo dopłaca do montażu kolektorów słonecznych, więc ich wykorzystanie systematycznie rośnie. W 2006 roku zainstalowano 1 milion 300 tysięcy metrów kwadratowych kolektorów. Z tej kwoty około 10% stanowią droższe i wydajniejsze kolektory próżniowe. Łączna powierzchnia zainstalowanych do tej pory kolektorów słonecznych wynosi około 12 milionów metrów kwadratowych.

Materiały i grafiki dzięki uprzejmości Viessmann

Intensywność światła słonecznego docierającego do Ziemi zmienia się w zależności od pory dnia, roku, lokalizacji i warunków pogodowych. Całkowita ilość energii obliczona na dzień lub rok nazywana jest napromieniowaniem (lub inaczej „nadejściem promieniowania słonecznego”) i pokazuje, jak silne było promieniowanie słoneczne. Napromieniowanie jest mierzone w W*h/m² na dzień lub inny okres.

Natężenie promieniowania słonecznego w wolnej przestrzeni w odległości równej średniej odległości Ziemi od Słońca nazywamy stałą słoneczną. Jego wartość to 1353 W/m². Podczas przechodzenia przez atmosferę światło słoneczne jest tłumione głównie na skutek pochłaniania promieniowania podczerwonego przez parę wodną, promieniowania ultrafioletowego przez ozon oraz rozpraszania promieniowania przez cząsteczki pyłu atmosferycznego i aerozole. Wskaźnik wpływu atmosfery na intensywność promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi nazywamy „masą powietrza” (AM). AM definiuje się jako secans kąta między Słońcem a zenitem.

Na rysunku 1 przedstawiono rozkład widmowy natężenia promieniowania słonecznego w różne warunki. Górna krzywa (AM0) odpowiada widmu słonecznemu poza atmosferą ziemską (na przykład na pokładzie statek kosmiczny), tj. przy zerowej masie powietrza. Jest ona przybliżona rozkładem natężenia promieniowania ciała doskonale czarnego w temperaturze 5800 K. Krzywe AM1 i AM2 ilustrują rozkład widmowy promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi, gdy Słońce znajduje się w zenicie i pod kątem między Słońcem a zenitem odpowiednio 60°. W tym przypadku całkowita moc promieniowania wynosi odpowiednio około 925 i 691 W/m². Średnie natężenie promieniowania na Ziemi w przybliżeniu pokrywa się z natężeniem promieniowania w AM=1,5 (Słońce znajduje się pod kątem 45° do horyzontu).

W pobliżu powierzchni ziemi można zabrać Średnia wartość natężenie promieniowania słonecznego 635 W/m². W bardzo pogodny słoneczny dzień wartość ta waha się od 950 W/m² do 1220 W/m². Średnia wartość to około 1000 W/m². Przykład: Całkowite natężenie promieniowania w Zurychu (47°30′ N, 400 m n.p.m.) na powierzchni prostopadłej do promieniowania: 1 maja 12:00 1080 W/m²; 21 grudnia 12:00 930 W/m².

Aby uprościć obliczenia energii słonecznej, zwykle wyraża się ją w godzinach nasłonecznienia o natężeniu 1000 W/m². Tych. 1 godzina odpowiada przybyciu promieniowania słonecznego o wartości 1000 W*h/m². Odpowiada to mniej więcej okresowi, kiedy słońce świeci latem w środku słonecznego bezchmurnego dnia na powierzchni prostopadłej do promieni słonecznych.

Przykład
Jasne słońce świeci z intensywnością 1000 W/m² na powierzchnię prostopadłą do promieni słonecznych. Przez 1 godzinę na 1 m² przypada 1 kWh energii (energia jest iloczynem mocy i czasu). Podobnie, średni dopływ energii słonecznej w wysokości 5 kWh/m² dziennie odpowiada 5 szczytowym godzinom nasłonecznienia dziennie. Nie myl godzin szczytu z rzeczywistym czasem trwania Godziny dzienne. W ciągu dnia słońce świeci z różną intensywnością, ale w sumie daje taką samą ilość energii, jakby świeciło przez 5 godzin z maksymalną intensywnością. W obliczeniach elektrowni słonecznych wykorzystywane są godziny szczytu słonecznego.

Nadejście promieniowania słonecznego zmienia się w ciągu dnia i w zależności od miejsca, zwłaszcza na obszarach górskich. Napromieniowanie waha się średnio od 1000 kWh/m² rocznie dla krajów północnej Europy do 2000-2500 kWh/m² rocznie dla pustyń. Warunki pogodowe i deklinacja słońca (zależna od szerokości geograficznej obszaru) również prowadzą do różnic w napływie promieniowania słonecznego.

W Rosji, wbrew powszechnemu przekonaniu, jest wiele miejsc, w których opłaca się przerabiać energię słoneczną na energię elektryczną. Poniżej znajduje się mapa zasobów energii słonecznej w Rosji. Jak widać, w większości Rosji może być z powodzeniem stosowany w trybie sezonowym, a na obszarach z ponad 2000 godzinami nasłonecznienia w roku - cały rok. Oczywiście w okres zimowy Produkcja energii słonecznej jest znacznie zmniejszona, ale nadal koszt energii elektrycznej z Elektrownia słoneczna pozostaje znacznie niższy niż w przypadku generatora na olej napędowy lub benzynę.

Szczególnie korzystne jest zastosowanie tam, gdzie nie ma scentralizowanych sieci elektrycznych, a zasilanie zapewniają generatory diesla. A takich regionów w Rosji jest wiele.

Co więcej, nawet tam, gdzie istnieją sieci, zastosowanie paneli słonecznych pracujących równolegle z siecią może znacznie obniżyć koszty energii. Przy obecnym trendzie zwiększania taryf ze strony rosyjskich monopolistów na energię naturalną, instalacja paneli słonecznych staje się mądrą inwestycją.

„Standardowe Słońce”(szczytowa moc promieniowania docierająca do powierzchni Ziemi na poziomie morza w pobliżu równika w bezchmurne popołudnie): 1000 W/m2 lub 1 kW/m2.

Wartość ta jest powszechnie stosowana w charakterystyce systemów fotowoltaicznych. Tutaj i poniżej podane są wszystkie liczby dla powierzchni, które są optymalnie położone względem słońca (prostopadle do promieni) zgodnie z szerokością geograficzną. W przypadku powierzchni poziomych dostaniesz mniej światła słonecznego: im dalej od równika, tym mniejsza gęstość energii słonecznej.

Nasłonecznienie(średnia liczba godzin „standardowego słońca” dziennie): od 4-5 godzin nasłonecznienia na północnym wschodzie Stanów Zjednoczonych do 5-7 godzin na południowym zachodzie. Nasłonecznienie jest często podawane w kWh, wyprowadzone liczbowo z wartości „standardowego słońca” równej 1 kW.

Całkowita ilość wypromieniowanej energii słonecznej dziennie na m2 na poziomie morza: (energia na dzień) \u003d 1 kWh × (nasłonecznienie w godzinach). Przy średnim nasłonecznieniu w USA wynoszącym 5 godzin słonecznych wartość ta wynosi zwykle 5 kWh/m 2 .

energia słoneczna, uśredniona w ciągu całego dnia: Średnia watów = (energia na dzień) / 24. Dla nasłonecznienia 5 kWh moc uśredniona z całego dnia wynosi 5000 W/24 = 208 W/m2. Należy pamiętać, że tylko niewielka część tej energii może zostać przekształcona w energię elektryczną ze względu na niezbyt wysoka wydajność systemy fotowoltaiczne.

Typowe cechy systemów fotowoltaicznych

Średnia wydajność popularne komercyjne panele słoneczne: krzem krystaliczny (CSI) - 12-17%; cienkowarstwowy (z amorficznego krzemu i innych materiałów) - 8-12%.

Moc generowane przez panel o powierzchni jednego metra kwadratowego: PVwatts = (energia słoneczna) × (średnia wydajność), gdzie wydajność jest przeliczana na liczbę dziesiętną.

Moc szczytowa w bezchmurne popołudnie: PVwatts-peak = 1000 W × sprawność. Typowa moc szczytowa wynosi 120170 W/m 2 dla CSi i 80-120 W/m 2 dla cienkich folii (TF).

Całkowita średnia ilość energii wytworzony przez panel o powierzchni jednego m2 dziennie: PVday = PVwatts-peak × (nasłonecznienie w godzinach). Dla nasłonecznienia o godzinie 5 wartość ta wyniesie 0,6-0,85 kW/m2 dla CSi i 0,4-0,6 kW/m2 dla TF.

Wygenerowana energia panele uśrednione z całego dnia: PVwatts-average = PVday/24. Jest to około 25-35 W/m2 dla CSi i 17-25 W/m2 dla TF.

Całkowita energia generowana przez moduł fotowoltaiczny na m2 rocznie: PVrok = ( całkowita energia dziennie) × 365, co wyniesie około 219-310 kWh dla CSi i 146-219 kWh dla TF. Należy pamiętać, że inwertery mają sprawność 95-97%, więc będzie o 5% mniej rzeczywistej energii elektrycznej.

Oczekiwany koszt energii elektrycznej z jednego m2 zaoszczędzonego rocznie: Oszczędności = PVrok × 0,95 × (koszt kWh), gdzie 0,95 to sprawność konwertera i straty w przewodach.

Średnio w USA koszt jednej kWh energii elektrycznej wynosi 0,12 USD, co daje 24-35 USD rocznie w przypadku CSi i 17-24 USD w przypadku cienkich folii. Tak więc w najlepszym przypadku można zaoszczędzić 35 USD rocznie na 1 m2 panelu. Liczba ta odnosi się do systemu o wysokiej wydajności o mocy nominalnej 170 W/m 2 . Biorąc pod uwagę fakt, że typowy system fotowoltaiczny kosztuje obecnie 8000 USD za 1000 W, takie instalacje kosztowałyby 170/1000 × 8000 USD = 1360 USD za m2. Oznacza to, że w naszym przykładzie hipotetyczny okres zwrotu wyniósłby 1360/35 = 39 lat. Żaden sprzęt nie wytrzyma tak długo. Rabaty i kredyty mogą skrócić ten czas o ponad połowę, ale dla przeciętnego gospodarstwa domowego zainstalowanie panelu słonecznego raczej się nie opłaci. Oczywiście to tylko przykład. Na obszarach o różnym nasłonecznieniu i innych kosztach instalacji okres zwrotu może być dłuższy lub krótszy.

Krótka informacja o Słońcu

Średnica: 1 392 000 km;
Masa: 1 989,100 × 1024 kg;
Temperatura powierzchni: ~5700 °С;
Średnia odległość Ziemi od Słońca: 150 mln km;
Skład masowy: 74% wodór, 25% hel, 1% inne pierwiastki;
Jasność (całkowita ilość energii wypromieniowanej we wszystkich kierunkach): 3,85 × 10 26 W (~385 miliardów MW);
Gęstość mocy promieniowania na powierzchni Słońca: 63 300 kW na metr kwadratowy.

Bateria słoneczna to seria modułów słonecznych, które zamieniają energię słoneczną na energię elektryczną i za pomocą elektrod przekazują ją dalej do innych urządzeń konwertujących. Te ostatnie są potrzebne do wytworzenia prądu przemiennego z prądu stałego, który są w stanie dostrzec AGD. Prąd stały jest uzyskiwany, gdy energia słoneczna jest odbierana przez fotokomórki, a energia fotonów zamieniana jest na prąd elektryczny.

Ile fotonów trafiło w fotokomórkę, określa, ile energii dostarcza bateria słoneczna. Z tego powodu na wydajność baterii wpływa nie tylko materiał fotokomórki, ale także ilość słoneczne dni rocznie, kąt zapadania promienie słoneczne na baterii i innych czynnikach poza kontrolą człowieka.

Aspekty wpływające na ilość energii wytwarzanej przez panel słoneczny

Przede wszystkim wydajność paneli słonecznych zależy od materiału i technologii produkcji. Spośród tych, które są na rynku, można znaleźć baterie o wydajności od 5 do 22%. Wszystkie ogniwa słoneczne są podzielone na krzemowe i foliowe.

Wydajność modułu krzemowego:

Panele z krzemu monokrystalicznego - do 22%.
Panele polikrystaliczne - do 18%.
Amorficzny (elastyczny) - do 5%.

Wydajność modułu filmowego:

Na bazie tellurku kadmu - do 12%.
Na bazie selenku meli-indu-galu - do 20%.
Na bazie polimeru - do 5%.

Istnieje również mieszane typy panele, które dzięki zaletom jednego typu pozwalają zakryć wady innego, zwiększając tym samym wydajność modułu.

Liczba pogodnych dni w roku wpływa również na ilość energii, jaką daje bateria słoneczna. Wiadomo, że jeśli słońce w Twojej okolicy pojawia się przez cały dzień mniej niż 200 dni w roku, to instalacja i użytkowanie paneli słonecznych raczej nie będzie opłacalne.

Dodatkowo na sprawność paneli wpływa również temperatura nagrzewania się akumulatora. Tak więc po podgrzaniu do 1̊С wydajność spada odpowiednio o 0,5%, po podgrzaniu do 10̊С mamy o połowę zmniejszoną wydajność. Aby zapobiec takim problemom, instalowane są systemy chłodzenia, które również wymagają zużycia energii.

Aby utrzymać wysoką wydajność przez cały dzień, instalowane są systemy śledzenia słońca, które pomagają utrzymać promienie na panelach słonecznych pod odpowiednim kątem. Ale te systemy są dość drogie, nie mówiąc już o samych bateriach, więc nie każdy może sobie pozwolić na zainstalowanie ich do zasilania swojego domu.

Ile energii generuje bateria słoneczna zależy również od łącznej powierzchni zainstalowanych modułów, ponieważ każda fotokomórka może przyjąć ograniczoną ilość.

Jak obliczyć, ile energii panel słoneczny dostarcza do Twojego domu?

Na podstawie powyższych punktów, które należy wziąć pod uwagę przy zakupie paneli słonecznych, możemy wyprowadzić prosty wzór, za pomocą którego możemy obliczyć, ile energii wytworzy jeden moduł.

Załóżmy, że wybrałeś jeden z najbardziej produktywnych modułów o powierzchni 2 m2. Ilość energii słonecznej w typowy słoneczny dzień wynosi około 1000 watów na m2. W efekcie otrzymujemy następujący wzór: energia słoneczna (1000 W/m2) × wydajność (20%) × powierzchnia modułu (2 m2) = moc (400 W).

Jeśli chcesz obliczyć, ile energii słonecznej odbiera bateria wieczorem i w pochmurny dzień, możesz skorzystać z następującego wzoru: ilość energii słonecznej w pogodny dzień × sinus kąta padania promieni słonecznych i powierzchnia panelu × procent energii przetworzonej w pochmurny dzień = ile energii słonecznej ostatecznie przetwarza baterię. Załóżmy na przykład, że wieczorem kąt padania promieni wynosi 30̊. Otrzymujemy następujące obliczenie: 1000 W/m2 × sin30̊ × 60% = 300 W/m2, a ostatnia liczba służy jako podstawa do obliczenia mocy.