Introducere

Se știe că Soarele este sursa primară și principală de energie pentru planeta noastră. Încălzește întregul Pământ, pune râurile în mișcare și dă putere vântului. Sub razele sale cresc 1 cvadrilion de tone de plante, hrănind, la rândul lor, 10 trilioane de tone de animale și bacterii. Datorită aceluiași Soare, pământul a acumulat rezerve de hidrocarburi, adică petrol, cărbune, turbă etc., pe care acum le ardem activ. Pentru ca omenirea de astăzi să-și poată satisface nevoile de resurse energetice, este nevoie de aproximativ 10 miliarde de tone de combustibil standard pe an. (Căldura de ardere a combustibilului echivalent este de 7.000 kcal/kg).

Sarcini:

Luați în considerare principalul principii fiziceși fenomene;

· Să-și formeze cunoștințe și abilități, permițând efectuarea unui calcul teoretic al parametrilor principali;

Luați în considerare avantajele și dezavantajele utilizării energiei solare

Luați în considerare modalități de a obține energie electrică și căldură de la radiatie solara

Energie solara - utilizarea radiaţiei solare pentru a obţine energie sub orice formă. Energia solară folosește o sursă de energie regenerabilă și în viitor poate deveni prietenoasă cu mediul, adică nu produce deșeuri dăunătoare.

Radiația solară este practic sursă inepuizabilă energie, merge în toate colțurile Pământului, este „la îndemână” pentru orice consumator și este o sursă de energie ecologică și accesibilă.

Utilizarea luminii solare și a căldurii este curată, simplă și mod natural primind toate formele de energie de care avem nevoie. Colectorii solari pot fi folosiți pentru încălzirea sau alimentarea clădirilor rezidențiale și comerciale apa fierbinte... Lumina soarelui, concentrată de oglinzi parabolice (reflectoare), este folosită pentru a genera căldură (cu temperaturi de până la câteva mii de grade Celsius). Poate fi folosit pentru încălzire sau pentru producerea de energie electrică. În plus, există o altă modalitate de a genera energie folosind soarele - tehnologia fotovoltaică. Celulele fotovoltaice sunt dispozitive care convertesc radiația solară direct în energie electrică.

ENERGIE SOLARA

Energia Soarelui este sursa vieții pe planeta noastră. Soarele încălzește atmosfera și suprafața Pământului. Mulțumită energie solara bate vânturile, ciclul apei se desfășoară în natură, mările și oceanele sunt încălzite, plantele se dezvoltă, animalele au hrană. Datorită radiației solare, combustibilii fosili există pe Pământ. Energia solară poate fi transformată în căldură sau rece, propulsie și electricitate.

Radiatie solara

Radiația solară este radiație electromagnetică, concentrată în principal în intervalul de lungimi de undă de 0,28 ... 3,0 microni. Spectrul solar este format din:

Unde ultraviolete cu o lungime de 0,28 ... 0,38 microni, invizibile pentru ochii noștri și alcătuind aproximativ 2% din spectrul solar;

Unde luminoase în intervalul 0,38 ... 0,78 microni, alcătuind aproximativ 49% din spectru;

Unde infraroșii cu o lungime de 0,78 ... 3,0 microni, care reprezintă cea mai mare parte din restul de 49% din spectrul solar. Restul spectrului joacă un rol minor în echilibru termic Pământ.

Câtă energie solară lovește Pământul?

Soarele radiază o cantitate mare energie - aproximativ 1,1x10 20 kWh pe secundă. Un kilowatt-oră este cantitatea de energie necesară pentru a funcționa un bec cu incandescență de 100 de wați timp de 10 ore. Straturile exterioare ale atmosferei Pământului interceptează aproximativ o milioneme din energia emisă de Soare, sau aproximativ 1.500 de cvadrilioane (1,5 x 10 18) kWh anual. Cu toate acestea, datorită reflectării, împrăștierii și absorbției sale de către gazele și aerosolii atmosferici, doar 47% din toată energia, sau aproximativ 700 de cvadrilioane (7 x 10 17) kWh, ajunge la suprafața Pământului.

Radiația solară din atmosfera Pământului este împărțită în așa-numitele radiații directe și radiații împrăștiate, pe particulele de aer, praf, apă etc., conținute în atmosferă. Suma lor formează radiația solară totală.

Cantitatea de energie care scade pe unitatea de suprafață pe unitatea de timp depinde de o serie de factori: latitudinea climei locale, anotimpul anului, unghiul de înclinare a suprafeței în raport cu Soarele.

Timp și loc

Cantitatea de energie solară care cade pe suprafața Pământului se modifică din cauza mișcării Soarelui. Aceste modificări depind de ora din zi și de perioada anului. De obicei, mai multă radiație solară lovește Pământul la prânz decât dimineața devreme sau seara târziu. La amiază, Soarele este sus deasupra orizontului, iar calea razelor Soarelui prin atmosfera Pământului este scurtată. În consecință, mai puțină radiație solară este împrăștiată și absorbită, ceea ce înseamnă că ajunge mai mult la suprafață.

Cantitatea de energie solară care ajunge la suprafața Pământului diferă de valoarea medie anuală: în timp de iarna- mai puțin de 0,8 kWh/m2 pe zi în nordul Europei și mai mult de 4 kWh/m2 pe zi în ora de vara in aceeasi regiune. Diferența scade pe măsură ce te apropii de ecuator.

Cantitatea de energie solară depinde și de locația geografică a sitului: cu cât este mai aproape de ecuator, cu atât este mai mult. De exemplu, radiația solară totală medie anuală incidentă pe o suprafață orizontală este: în Europa Centrală, Asia Centrală și Canada - aproximativ 1000 kWh/m2; în Marea Mediterană - aproximativ 1700 kWh/m 2; în majoritatea regiunilor deșertice din Africa, Orientul Mijlociu și Australia - aproximativ 2200 kWh / m 2.

Astfel, cantitatea de radiație solară variază semnificativ în funcție de anotimp și locatie geografica... Acest factor trebuie luat în considerare la utilizarea energiei solare.

Izolație solară Este o mărime care determină cantitatea de iradiere a suprafeței de către fascicul razele de soare(chiar reflectat sau împrăștiat de nori). O suprafață poate fi orice, inclusiv un panou solar care transformă energia soarelui în energie electrica... Și așa va fi eficientă centrala ta naturală și determină parametrul izolației solare. Izolația se măsoară în kW * h / m2, adică cantitatea de energie solară primită de un metru pătrat de suprafață pe parcursul unei ore. Valorile derivate în mod natural sunt calculate pentru conditii ideale: absență completă norii și razele solare care cad la suprafață în unghi drept (perpendicular).

Cu cuvinte simple, izolația solară este numărul mediu de ore pe zi în care soarele strălucește pe suprafața calculată în unghi drept pe vreme senină.

Destul de des, oamenii cred că, dacă soarele răsare la 6 dimineața și apune la 7 pm, atunci puterea zilnică a unui panou solar ar trebui considerată ca produsul puterii sale de 13 ore în timp ce soarele strălucea. Acest lucru este fundamental greșit, deoarece există înnorări, dar soarele principal se mișcă pe cer, aruncând raze pe suprafața pământului sub unghiuri diferite... Da, desigur, puteți folosi trackere speciale care vă vor îndrepta panoul solar spre soare, dar acest lucru este costisitor și rareori justificat din punct de vedere economic. Trackerele sunt utilizate atunci când este necesar să se mărească puterea pe unitate de suprafață.

De unde provin datele despre activitatea solară?

Administrația Națională pentru Aeronautică și Spațiu (NASA) studiază activitatea solară în toate regiunile planetei noastre. Sateliții monitorizează activitatea soarelui non-stop și introduc informațiile primite în tabele. Calculele țin cont de datele din ultimii 25 de ani. Un exemplu de astfel de tabel pentru Sankt Petersburg (59.944, 30.323) îl puteți vedea la linkul https://eosweb.larc.nasa.gov/. Această organizație aparține guvernului federal al SUA și, din păcate, site-ul lor este disponibil doar în limba engleză.

Nu este nevoie să descifrăm toate valorile și coeficienții din tabel, deoarece ne interesează doar două - aceasta este valoarea reală a izolației solare în anumite luni (OPT) și valoarea unghiului optim de înclinare al panou solar (OPT ANG).

Calculul puterii unei centrale solare pe baza valorilor de insolație

Să presupunem că avem o centrală solară de rețea cu o capacitate de 5 kW în Sankt Petersburg și dorim să îi calculăm puterea în iunie. Modulele solare sunt instalate la unghiul optim.

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

* Formula este simplificată, astfel încât unitățile de calcul din formulă nu se vor potrivi cu răspunsul. Acest lucru este corectat prin introducerea de parametri în formulă centrala solarași transformarea zilelor în ore.

Dar în ianuarie, aceeași centrală va genera doar 5 * 1,13 * 30 = 169,5 kW * h, prin urmare, panourile solare din Sankt Petersburg sunt utilizate în mod activ doar vara.

Timp de un an, o centrală solară similară va putea primi 5 * 3,4 * 365 = 6205 kW sau 6,2 MW de energie electrică curată. Este profitabil? Depinde de tine, pentru că durata de viață a centralei de rețea este de peste 50 de ani, iar tarifele la energia electrică industrială cresc în fiecare an cu cel puțin 10%.

Intensitatea luminii solare care ajunge pe pământ variază în funcție de ora din zi, anul, locația și condițiile meteorologice. Cantitatea totală de energie calculată pe zi sau pe an se numește iradiere (sau cu alte cuvinte, „sosirea radiației solare”) și arată cât de puternică a fost radiația solară. Iradierea este măsurată în W * h / m² pe zi sau în altă perioadă.

Intensitatea radiației solare în spațiul liber la o distanță egală cu distanța medie dintre Pământ și Soare se numește constantă solară. Valoarea sa este de 1353 W/m². La trecerea prin atmosferă, lumina soarelui este atenuată în principal datorită absorbției radiațiilor infraroșii de către vaporii de apă, radiațiilor ultraviolete de către ozon și împrăștierii radiațiilor prin particulele de praf și aerosoli atmosferici. Indicatorul influenței atmosferice asupra intensității radiației solare care ajunge la suprafața pământului se numește „masă de aer” (AM). AM este definită ca secanta unghiului dintre Soare și zenit.

Figura 1 prezintă distribuția spectrală a intensității radiației solare în conditii diferite... Curba superioară (AM0) corespunde spectrului solar din afara atmosferei terestre (de exemplu, la bord nava spatiala), adică la masa de aer zero. Este aproximată prin distribuția intensității radiației unui corp absolut negru la o temperatură de 5800 K. Curbele AM1 și AM2 ilustrează distribuția spectrală a radiației solare pe suprafața Pământului atunci când Soarele se află la zenit și la un unghi între Soarele și, respectiv, zenitul de 60 °. În acest caz, puterea totală de radiație este de aproximativ 925 și, respectiv, 691 W / m². Intensitatea medie a radiației pe Pământ coincide aproximativ cu intensitatea radiației la AM = 1,5 (Soarele se află la un unghi de 45 ° față de orizont).

Aproape de suprafața Pământului puteți lua in medie intensitatea radiației solare 635 W/m². Într-o zi însorită foarte senină, această valoare variază de la 950 W/m² la 1220 W/m². Valoarea medie este de aproximativ 1000 W/m². Exemplu: Intensitatea radiației totale la Zurich (47 ° 30 ′ N, 400 m deasupra nivelului mării) pe o suprafață perpendiculară pe radiație: 1 mai, 12:00 1080 W/m2; 21 decembrie, 12:00 930 W/m2 ...

Pentru a simplifica calculul aportului de energie solară, aceasta este de obicei exprimată în ore de soare la o intensitate de 1000 W/m². Acestea. 1 oră corespunde cu sosirea radiației solare în 1000 W * h / m². Aceasta corespunde aproximativ cu perioada în care soarele strălucește vara, în mijlocul unei zile însorite, fără nori, la suprafață perpendiculară pe razele soarelui.

Exemplu
Soarele strălucitor strălucește cu o intensitate de 1000 W/m² pe o suprafață perpendiculară pe razele soarelui. Timp de 1 oră, 1 kWh de energie scade pe 1 m² (energia este egală cu produsul dintre putere și timp). De asemenea, o iradiere solară medie de 5 kWh/m² în timpul zilei corespunde cu 5 ore de vârf de însorire pe zi. Nu confunda orele de vârf cu durata reală orele de zi... În timpul zilei soarele strălucește cu intensități diferite, dar în total dă aceeași cantitate de energie ca și când ar străluci timp de 5 ore cu intensitate maximă. Orele de vârf ale soarelui sunt folosite în calculele centralelor solare.

Sosirea radiației solare variază pe parcursul zilei și de la un loc la altul, mai ales în zonele muntoase. Iradierea variază în medie de la 1000 kWh/m² pe an pentru țările nord-europene, la 2000-2500 kWh/m² pe an pentru deșerturi. Condițiile meteorologice și declinarea soarelui (care depinde de latitudinea zonei) duc și ele la diferențe în sosirea radiației solare.

În Rusia, contrar credinței populare, există o mulțime de locuri în care este profitabil să transformi energia solară în energie electrică. Mai jos este o hartă a resurselor de energie solară din Rusia. După cum puteți vedea, în cea mai mare parte a Rusiei poate fi folosit cu succes într-un mod sezonier și în zone cu peste 2000 de ore de soare / an - pe tot parcursul anului... Desigur, în perioada de iarna generarea de energie din panouri solare este redusă semnificativ, dar costul energiei electrice de la o centrală solară rămâne semnificativ mai mic decât de la un generator diesel sau pe benzină.

Este deosebit de avantajos să-l folosești acolo unde nu există rețele electrice centralizate și alimentarea cu energie este asigurată de generatoare diesel. Și există o mulțime de astfel de regiuni în Rusia.

Mai mult, chiar și acolo unde există o rețea, utilizarea panourilor solare care funcționează în paralel cu rețeaua poate reduce semnificativ costurile cu energia. Odată cu tendința actuală către tarife mai mari pentru monopolurile energetice naturale din Rusia, instalarea panourilor solare devine o investiție inteligentă.

O baterie solară este o serie de module solare care transformă energia solară în electricitate și, folosind electrozi, o transmit în continuare altor dispozitive de conversie. Acestea din urmă sunt necesare pentru a face un curent alternativ din curent continuu, care este capabil să perceapă aparate electrocasnice... Curentul continuu se obține atunci când energia solară este primită de celulele solare, iar energia fotonilor este transformată în curent electric.

Câți fotoni lovesc fotocelula determină câtă energie oferă bateria solară. Din acest motiv, performanța bateriei este influențată nu numai de materialul fotocelulei, ci și de cantitate zile insoriteîntr-un an, unghiul de incidență a razelor solare asupra bateriei și alți factori dincolo de controlul unei persoane.

Aspecte care afectează cât de multă energie generează o celulă solară

În primul rând, performanța panourilor solare depinde de materialul de fabricație și de tehnologia de producție. Dintre cele de pe piață, găsiți baterii cu o performanță cuprinsă între 5 și 22%. Toate panourile solare sunt împărțite în silicon și film.

Performanța modulului de siliciu:

• Panouri de siliciu monocristalin - până la 22%.
• Panouri policristaline - până la 18%.
• Amorf (flexibil) - până la 5%.

Performanța modulelor de film:

• Pe baza de telurura de cadmiu - până la 12%.
• Pe bază de seleniră de meli-indiu-galiu - până la 20%.
• Pe bază de polimeri - până la 5%.

Există, de asemenea tipuri mixte panouri, care, cu avantajele unui tip, permit acoperirea dezavantajelor altuia, crescând astfel eficiența modulului.

De asemenea, cantitatea de energie furnizată de bateria solară este afectată de numărul de zile senine pe an. Se știe că dacă soarele din zona ta apare o zi întreagă în mai puțin de 200 de zile pe an, atunci instalarea și utilizarea panourilor solare cu greu va fi profitabilă.

În plus, temperatura de încălzire a bateriei afectează și eficiența panourilor. Deci, când este încălzită cu 1̊C, productivitatea scade cu 0,5%, respectiv, când este încălzită cu 10̊C, avem jumătate din eficiență. Pentru a preveni astfel de probleme, sunt instalate sisteme de răcire care necesită și consum de energie.

A salva performanta ridicataÎn timpul zilei sunt instalate sisteme de urmărire solară, care ajută la menținerea unui unghi drept de incidență a razelor pe panourile solare. Dar aceste sisteme sunt destul de scumpe, ca să nu mai vorbim de bateriile în sine, așa că nu oricine își poate permite să le instaleze pentru a-și alimenta casa.

Câtă energie generează bateria solară depinde și de suprafața totală a modulelor instalate, deoarece fiecare celulă solară poate primi o cantitate limitată.

Cum să calculezi câtă energie oferă un panou solar pentru casa ta?

Pe baza punctelor de mai sus care ar trebui luate în considerare la cumpărarea panourilor solare, putem deriva o formulă simplă prin care putem calcula câtă energie va produce un modul.

Să presupunem că ați ales unul dintre cele mai productive module cu o suprafață de 2 m2. Cantitatea de energie solară într-o zi însorită tipică este de aproximativ 1000 de wați pe m2. Ca rezultat, obținem următoarea formulă: energie solară (1000 W / m2) × productivitate (20%) × suprafața modulului (2 m2) = putere (400 W).

Dacă doriți să calculați câtă energie solară este percepută de o baterie seara și într-o zi înnorată, puteți utiliza următoarea formulă: cantitatea de energie solară într-o zi senină × sinus al unghiului de lumină solară și suprafața panoului × procent de energie convertită într-o zi înnorată = câtă energie solară transformă în cele din urmă bateria. De exemplu, să spunem că seara unghiul de incidență al razelor este de 30̊. Obținem următorul calcul: 1000 W / m2 × sin30̊ × 60% = 300 W / m2 și folosim ultimul număr ca bază pentru calculul puterii.

Creșterea prețurilor la energie în Rusia forțează interesul pentru sursele de energie ieftine. Energia solară este cea mai ușor disponibilă. Energia radiației solare care cade pe Pământ este de 10.000 de ori mai mare decât cantitatea de energie generată de omenire. Probleme apar în tehnologia de colectare a energiei și în legătură cu furnizarea inegală de energie a centralelor solare. Prin urmare, colectoarele solare și panourile solare sunt utilizate fie împreună cu unitățile de stocare a energiei, fie ca mijloc de reîncărcare suplimentară pentru centrala electrică principală.

Țara noastră este vastă și imaginea distribuției energiei solare pe teritoriul său este foarte diversă.

Date medii de intrare solară

Intensitatea aportului de energie solară

Zone de intensitate maximă a radiației solare. Se furnizează mai mult de 5 kW pe 1 metru pătrat. ora. energie solară pe zi.

De-a lungul graniței de sud a Rusiei, de la Baikal la Vladivostok, în regiunea Yakutsk, în sudul Republicii Tyva și Republicii Buriația, în mod ciudat, dincolo de Cercul Arctic, în partea de est a Severnaya Zemlya.

Aport de energie solară de la 4 la 4,5 kW. oră pentru 1 mp. metru pe zi

Regiunea Krasnodar, Caucazul de Nord, regiunea Rostov, partea de sud a regiunii Volga, regiunile de sud Novosibirsk, regiunile Irkutsk, Buriatia, Tuva, Khakassia, Primorsky și regiunea Khabarovsk, Regiunea Amur, Insula Sahalin, teritorii vaste din Teritoriul Krasnoyarsk spre Magadan, Severnaya Zemlya, la nord-est de districtul autonom Yamalo-Nenets.

De la 2,5 la 3 kW. oră pe mp. metru pe zi

De-a lungul arcului vestic - Nijni Novgorod, Moscova, Sankt Petersburg, Salekhard, partea de est a Chukotka și Kamchatka.

De la 3 la 4 kW. oră pentru 1 mp. metru pe zi

Restul tarii.

Durata de însorire pe an

Fluxul de energie este cel mai intens în mai, iunie și iulie. În această perioadă, în centrul Rusiei, 1 mp. metrul de suprafață reprezintă 5 kW. oră pe zi. Cea mai scăzută intensitate este în decembrie-ianuarie, când 1 mp. metrul de suprafață reprezintă 0,7 kW. oră pe zi.

Caracteristici de instalare

Dacă colectorul solar este instalat la un unghi de 30 de grade față de suprafață, atunci este posibil să se asigure eliminarea energiei în modurile maxime și minime, respectiv 4,5 și 1,5 kWh pe 1 mp. metru. într-o zi.

Distribuția intensității radiației solare în centrul Rusiei pe luni

Pe baza datelor de mai sus, este posibil să se calculeze suprafața colectoarelor solare plate necesare pentru furnizarea de apă caldă pentru o familie de 4 într-o casă individuală. Încălzirea a 300 de litri de apă de la 5 grade la 55 de grade în luna iunie poate fi asigurată de colectori cu o suprafață de 5,4 metri pătrați, în decembrie 18 metri pătrați. metri. Dacă se folosesc colectoare cu vid mai eficiente, suprafața necesară a colectorului este de aproximativ jumătate.

Acoperire solară ACM

În practică, este indicat să folosiți colectoarele solare nu ca sursă principală de alimentare cu apă caldă, ci ca dispozitiv de încălzire a apei care intră în instalația de încălzire. În acest caz, consumul de combustibil este redus drastic. Acest lucru asigură alimentarea neîntreruptă apa fierbinte si economisirea banilor la alimentarea cu apa calda si incalzirea casei, daca este o casa cu rezidenta permanenta. La cabanele de vara, vara, pentru a obtine apa calda, se folosesc tipuri diferite colectoare solare. De la colecționari fabricați în fabrică la dispozitive de casă realizate din materiale vechi. Ele diferă, în primul rând, în ceea ce privește eficiența. Fabrica este mai eficientă, dar mai scumpă. Aproape gratuit, puteți face un colector cu un schimbător de căldură dintr-un frigider vechi.

În Rusia, instalarea colectoarelor solare este reglementată de RD 34.20.115-89 " Instrucțiuni metodice pentru calculul si proiectarea sistemelor de incalzire solara ", VSN 52-86 (in format RTF, 11 Mb)" Instalatii de alimentare cu apa calda solara. Standarde de proiectare ". Există recomandări privind utilizarea surselor de energie netradițională în creșterea animalelor, producția de furaje, fermele țărănești și sectorul locuințelor rurale, elaborate la solicitarea Ministerului Agriculturii în anul 2002. GOST R 51595" Colectori solari. Cerințe tehnice ", GOST R 51594" Energie solară. Termeni și definiții",

Aceste documente descriu in detaliu schemele colectoarelor solare folosite si cele mai multe moduri eficiente aplicarea lor în diverse condiţii climatice.

Colectori solari in Germania

În Germania, statul subvenționează costurile de instalare a colectoarelor solare, astfel încât utilizarea acestora este în continuă creștere. În 2006, au fost instalate 1 milion 300 mii metri patrati colecționari. Din această cantitate, aproximativ 10% sunt colectoare de vid mai scumpe și mai eficiente. Suprafața totală a colectoarelor solare instalate până în prezent este de aproximativ 12 milioane de metri pătrați.

Materiale și grafică furnizate de Viessmann