Оценка энергии солнечного излучения
Интенсивность солнечного света, которая достигает земли меняется в зависимости от времени суток, года, местоположения и погодных условий. Общее количество энергии, подсчитанное за день или за год, называется иррадиацией (или еще по-другому «приход солнечной радиации») и показывает, насколько мощным было солнечное излучение. Иррадиация измеряется в Вт*ч/м² в день, или другой период.
Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина — 1353 Вт/м². При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения — озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется «воздушной массой» (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.
На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излучения — соответственно порядка 925 и 691 Вт/м². Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце — под углом 45° к горизонту) [1].
Около поверхности Земли можно принять среднюю величину интенсивности солнечной радиации 635 Вт/м². В очень ясный солнечный день эта величина колеблется от 950 Вт/м² до 1220 Вт/м². Среднее значение — примерно 1000 Вт/м² [860 ккал/(м²ч)]. Пример: Интенсивность полного излучения в Цюрихе (47°30′ с. ш., 400 м над уровнем моря) на поверхности, перпендикулярной излучению:1 мая 12 ч 00 мин 1080 Вт/м²;21 декабря 12 ч 00 мин 930 Вт/м².
Для упрощения вычисления по приходу солнечной энергии, его обычно выражают в часах солнечного сияния с интенсивностью 1000 Вт/м². Т.е. 1 час соответствует приходу солнечной радиации в 1000 Вт*ч/м². Это примерно соответствует периоду, когда солнце светит летом в середине солнечного безоблачного дня на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам.
Пример
Яркое солнце светит с интенсивностью 1000 Вт/м² на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. За 1 час на 1 м² падает 1 кВт*ч энергии (энергия равна произведению мощности на время). Аналогично, средний приход солнечной радиации в 5 кВт*ч/м² в течение дня соответствует 5 пиковым часам солнечного сияния в день. Не путайте пиковые часы с реальной длительностью светового дня. За световой день солнце светит с разной интенсивностью, но в сумме она дает такое же количество энергии, как если бы оно светило 5 часов с максимальной интенсивностью. Именно пиковые часы солнечного сияния используются в расчетах солнечных энергетических установок.
Приход солнечной радиации меняется в течение дня и от места к месту, особенно в горных районах. Иррадиация меняется в среднем от 1000 кВт*ч/м² в год для северо-европейских стран, до 2000-2500 кВт*ч/м² в год для пустынь. Погодные условия и склонение солнца (которое зависит от широты местности), также приводит к различиям в приходе солнечной радиации.
В России, вопреки распространённому мнению, очень много мест, где выгодно преобразовывать солнечную энергию в электроэнергию при помощи солнечных батарей. Ниже приведена карта ресурсов солнечной энергии в России. Как видим, на большей части России можно успешно использовать солнечные батареи в сезонном режиме, а в районах с числом часов солнечного сияния более 2000 часов/год — круглый год. Естественно, в зимний период выработка энергии солнечными панелями существенно снижается, но все равно стоимость электроэнергии от солнечной электростанции остается существенно ниже, чем от дизельного или бензинового генератора.
Особенно выгодно применение солнечных батарей там, где нет централизованных электрических сетей и энергообеспечение обеспечивается за счет дизель-генераторов. А таких районов в России очень много.
Более того, даже там, где сети есть, использование работающих параллельно с сетью солнечных батарей позволяет значительно снизить расходы на электроэнергию. При существующей тенденции на повышении тарифов естественных энергетических монополий России, установки солнечных батарей становится умным вложением денег.
Эта статья прочитана 62663 раз(а)!
Продолжить чтение
-
66
Классификация солнечных фотоэлектрических электростанций — Автономные, соединенные с сетью, резервные. Солнечные батареи в системах электроснабжения. -
60
Инверторы для фотоэлектрических систем Инверторы используются для преобразования постоянного тока от аккумуляторов или солнечных модулей в переменный ток, аналогичный тому, который присутствует в сетях централизованного электроснабжения. В системах электроснабжения с солнечными батареями применяются следующие типы инверторов: Сетевые фотоэлектрические инверторы В… -
54
Фотоэлектрические комплекты: Состав Для того, чтобы использовать солнечную энергию для питания ваших потребителей, одной солнечной батареи недостаточно. Кроме солнечной батареи нужно еще несколько составляющих. Типичный состав автономного фотоэлектрического комплекта следующий: фотоэлектрическая батарея контроллер заряда аккумуляторной батареи аккумуляторная батарея провода, коннекторы,… -
54
Как работают MPPT контроллеры? Что такое MPPT контроллеры, для чего они нужны и в чем их отличие от контроллеров с ШИМ описано по ссылке. На этой странице дана более подробная техническая информация Методы поиска точки максимальной мощности (ТММ) солнечной батареи… -
54
Эффективность работы солнечных батарей и коллекторов зимой Солнечные батареи могут быть великолепной частью вашего дома. Они определённо позволяют экономить вам деньги в течение длительного срока и постоянно могут снижать ваши счета за электроэнергию. Мы все знаем, что солнечные батареи преобразуют… -
54
Солнечные фотоэлектрические модули с двойным стеклом Модули с двойным остеклением (double glass) Солнечные модули с двойным стеклом появились на рынке сравнительно недавно — 5-7 лет назад, но до недавнего времени они были дороже обычных модулей. В 2017 году они стали…
Популярные ответы
Популярные ответы- Когда буквы е, ё, ю, я обозначают два звука?
- Каким членом предложения может быть местоимение?
- Как правильно произносятся слова термин, шинель, темп?
- Как найти точки экстремума функции по графику производной?
- Как правильно: по средам (ударение на «а» или на «е»)?
- Какой официальный сайт Московского энергетического института (МЭИ)?
- На какие вопросы отвечает наречие?
- Где найти примеры сравнительных оборотов и других конструкций со словом «как»?
- Как в физике обозначается скорость движения?
- Где скачать задания по английскому языку олимпиады для школьников «Покори Воробьевы горы!»?
Светимостью звезды называют общую мощность электромагнитного излучения звезды, уходящего от него в космическое пространство.
Светимость Солнца составляет 3,827·1026 Вт (в системе СИ) или 3,827·1033 эрг/сек (в системе СГС). Астрономы используют светимость Солнца в качестве единицы измерения светимости звезд и галактик.
За год Солнце высвечивает в космос энергию 1,2·1034 Дж = 3,4·1018 тераватт-часов. Ежесекундно масса Солнца уменьшается на 4,3 млн тонн в силу эквивалентности массы и энергии (E = mc2). За гипотетические 4,5 миллиарда лет своего существования Солнце потеряло 6·1026 кг, что соответствует 0,03% массы Солнца.
На Землю попадает примерно 2 миллиардных доли этой энергии, из которых ~37% (альбедо Земли) сразу отражается обратно в космос. Земля поглощает около 1 миллиарда тераватт-часов солнечной энергии в год. Для сравнения мировое производство электроэнергии составляет около 20 тысяч тераватт-часов в год, то есть, 0,002% от солнечной энергии.
Источники:
- ru.wikipedia.org — Википедия: солнечная светимость;
- Занимательная география / Под ред. Г.Н. Якуш. – Минск: Народная асвета, 1974. С. 162.
Дополнительно в базе данных Генона:
- Каково мировое производство электроэнергии?
- Какова продолжительность жизни звезды?
- С какой скоростью вращается Солнце?
Солнце генерирует энергию в результате ядерных реакций, происходящих в его плотном горячем ядре. Оно производит массивные 382,8 триллиона триллионов (3,828 x 10 26) ватт электромагнитного излучения, в основном в виде видимого, инфракрасного и ультрафиолетового света. По мере удаления от Солнца интенсивность, то есть мощность на единицу площади, падает пропорционально квадрату расстояния.
Какое количество энергии мы получаем от Солнца на Землю
Солнечная постоянная – это средняя интенсивность солнечного излучения на расстоянии 1 астрономической единицы (среднее расстояние Земли от Солнца). Его значение составляет 1361 ватт на квадратный метр (Вт/м 2). На самом деле выход Солнца переменный и колеблется на 0,1% вокруг этого значения.
Полная энергия, попадающая на Землю за один час (в ватт-часах), равна
солнечная постоянная x площадь поверхности диска размером с Землю
1 361 Вт/м 2 х 1,2748 х 10 14 м 2 = 1,73 х 10 17 ватт-часов. Это часто выражается как 173 000 тераватт-часов (ТВтч), где 1 тераватт равен 1 триллиону (1 000 000 000 000) ватт.
Общая энергия, потребленная человечеством в 2017 году, немного меньше этого показателя и составляет 160 000 ТВтч. Эта цифра включает не только энергию, используемую для выработки электроэнергии, но и энергию, используемую:
- непосредственно для отопления (например, путем сжигания дров, угля, нефти или газа),
- для транспорта (в основном бензин, дизельное и авиационное топливо)
- энергии, используемой в промышленных процессах.
Общее количество электроэнергии, потребленной в 2017 году, составило около 22 000 ТВтч.
Возможности солнечной энергетики
Есть два разных способа получения электричества из солнечного света. Один из способов — сконцентрировать солнечную энергию с помощью зеркал на небольшой площади и использовать выработанное тепло для производства пара, чтобы вращать турбину, вырабатывающую электричество. Другой способ — использовать массивы фотоэлектрических элементов (более известных как солнечные панели) для выработки электроэнергии непосредственно из солнечного света.
Большая часть солнечной электроэнергии вырабатывается с помощью солнечных батарей. Большая часть этого на солнечных фермах, таких как солнечная ферма Topaz в Калифорнии. Она занимает площадь 19 км 2 и производит около 1,25 ТВтч электроэнергии в год. Поскольку цены на солнечные панели продолжают падать, а их эффективность увеличивается, количество вырабатываемой таким образом электроэнергии будет продолжать расти.
Рост солнечной энергетики
Одним из преимуществ солнечной энергии перед другими формами зеленой энергии является то, что она обладает почти неограниченным потенциалом из-за огромного количества энергии, поступающей на Землю от Солнца. Если бы проблемы распределения и хранения могли быть преодолены, то было бы необходимо покрыть лишь небольшую часть земной поверхности солнечными панелями, чтобы удовлетворить все потребности человечества в энергии.
Чтобы рассчитать размер этой области, первое, что нам нужно рассмотреть, это количество солнечной радиации, которая фактически достигает поверхности Земли. Хотя солнечная постоянная составляет 1361 Вт/м 2, это интенсивность излучения, попадающего в верхнюю часть земной атмосферы. Даже в безоблачный день не все это излучение достигает земли; часть отражается обратно в космос, а часть поглощается атмосферой.
В ясный день, если Солнце находится прямо над головой, интенсивность излучения, падающего на землю непосредственно от Солнца, составляет около 1050 Вт/м 2, кроме того, еще 70 Вт/м 2 исходит от ярко-синего неба, давая в сумме 1120 Вт/м 2. (Если облачно, эта цифра будет ниже.)
На самом деле Солнце может находиться прямо над головой только в тропиках. Когда Солнце находится ниже в небе, интенсивность солнечного излучения уменьшается, потому что его лучи распространяются на большую площадь и потому что они должны пройти через большее количество атмосферы, прежде чем достигнуть земли. Ночью, когда Солнце находится за горизонтом, солнечная интенсивность явно равна нулю.
Ось времени использует солнечное время, т.е. Солнце восходит в 06:00, достигает своего максимума в 12:00 и заходит в 18:00. Предполагается, что день безоблачный. Если мы усредним весь 24-часовой цикл, количество солнечного излучения, попадающего на поверхность Земли (известное как солнечное излучение) в ясный день на экваторе в день равноденствия, составит приблизительно 340 Вт/м 2.
Самые эффективные солнечные панели на рынке преобразуют около 22% солнечного излучения в электрическую энергию. Это означает, что в среднем за весь 24-часовой цикл солнечная электроэнергия, которая может быть произведена, составляет 73 Вт/м 2, что составляет примерно 5% солнечной постоянной.
В более высоких широтах Солнце находится ниже в небе, и поэтому количество солнечной электроэнергии, которое может быть выработано, меньше. Количество солнечной энергии уменьшается из-за облачного покрова. Например, на облачном северо-западе Ленинградской области усредненная за год солнечная радиация составляет всего 72 Вт/м 2 , что составляет примерно одну пятую ее значения на экваторе.
Если усреднить за 12 месяцев и по всем местам на поверхности Земли, то средняя солнечная радиация составит 170 Вт/м 2. Это означает, что нам нужно будет покрыть 586 000 квадратных километров поверхности Земли солнечными панелями, чтобы обеспечить все мировые потребности в энергии, что примерно на 15% больше площади Испании.
Однако основная проблема заключается в том, что страны, которые могли бы генерировать наибольшее количество солнечной энергии (особенно в Африке), на самом деле имеют скромное потребление энергии, а многие густонаселенные страны, особенно в Северной Европе, имеют высокое потребление энергии и получают относительно мало солнечного света.
Например, в Великобритании, которая имеет небольшую площадь, получает сравнительно мало солнечного света по сравнению со средним мировым показателем и является густонаселенной с высоким потреблением энергии, нам нужно было бы покрыть около 5,2% ее поверхности солнечными панелями. (На самом деле этот расчет является чрезмерным упрощением, поскольку он игнорирует большую разницу между количеством радиации в летние и зимние месяцы.) Чтобы это работало, избыточная энергия, вырабатываемая в солнечные месяцы, должна быть эффективно сохранена для использования в теплое время года зимние месяцы, что было бы огромным плюсом!
Солнечная энергия малого масштаба
На данный момент солнечная энергетика не самый крупный возобновляемый источник электроэнергии. В 2020 году за счет возобновляемых источников энергии было выработано 5 877 ТВтч. Из них подавляющее большинство (4023 ТВтч) было выработано гидроэлектроэнергией, а затем 960 ТВтч за счет ветра; солнечная энергия обеспечила 333 ТВтч, а остальные 561 ТВтч за счет всех других возобновляемых источников энергии вместе взятых.
Одним из явных преимуществ солнечной энергии является то, что ее можно генерировать в небольших масштабах. Одна панель площадью четыре квадратных метра, прикрепленная к перезаряжаемой батарее, сможет генерировать и хранить достаточно солнечной энергии для освещения и приготовления пищи для семьи в Африке. Солнечные панели не имеют движущихся частей и после покупки должны работать десятилетиями. Именно эта способность генерировать электричество в небольших масштабах может революционизировать жизнь некоторых из самых бедных людей в мире.
Для небольших солнечных установок обычно увеличивают среднюю интенсивность солнечного света, наклоняя панель в сторону Солнца. Например, небольшие массивы солнечных панелей часто наклонены на юг. Очевидно, что это трудно сделать для очень больших массивов солнечных панелей, установленных на солнечных фермах.
Enovi
Просмотров: 3129
Просмотры: 2 959
За один год (3•10^7 с) Солнце излучит энергию E = L0• t = 4•10^26•3•10^7 = 1,2•10^34Дж. Согласно А.Эйнштейну E = mc2 , следовательно, масса, потерянная на излучение m = E/c^2 = 1,2•10^34/(3•10^8)^2 = 1,3•10^17 кг. Так как масса Солнца М = 2•10^30 кг, то Солнце перед смертью может потерять только
ΔМ = 2•10^27кг. Поэтому Солнце может прожить всего t = ΔМ/m = 1,5•10^10 лет.
Солнечная инсоляция – это величина, определяющая количество облучения поверхности пучком солнечных лучей (даже отраженных или рассеянных облаками). Поверхностью может быть что угодно, в том числе и солнечная батарея, которая преобразует энергию солнца в электрическую энергию. И вот насколько эффективна будет ваша природная электростанция и определяет параметр солнечной инсоляции. Измеряется инсоляция в кВт*ч/м2, то есть количество энергии солнца, полученное одним квадратным метром поверхности в течении одного часа. Естественно полученные метрики рассчитаны для идеальных условий: полное отсутствие облачности и падение солнечных лучей на поверхность под прямым углом (перпендикулярно).
Простыми словами, солнечная инсоляция – это среднее количество часов в сутки, которое солнце в ясную погоду светит на расчетную поверхность под прямым углом.
Довольно часто люди полагают, что если солнце встает в 6 утра и садится в 7 вечера, то дневную выработку солнечной панели нужно считать как произведение ее мощности на 13 часов пока светило солнце. Это в корне неправильно, ведь существует облачность, но главное солнце двигается по небосклону отбрасывая лучи на поверхность земли под разными углами. Да, безусловно, вы можете использовать специальные трекеры, которые будут поворачивать вашу солнечную батарею в сторону солнца, но это дорого и редко экономически оправдано. Трекеры применяются, когда необходимо увеличить мощность на единицу площади.
Откуда берутся данные солнечной активности
Изучением солнечной активности во всех регионах нашей планеты занимается Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). Круглосуточно спутники следят за деятельностью солнца и заносят полученную информацию в таблицы. В расчетах учитываются данные последних 25 лет. Пример такой таблицы для Санкт-Петербурга (59.944, 30.323) вы можете увидеть по ссылке https://eosweb.larc.nasa.gov/. Данная организация относится к федеральному правительству США и, к сожалению, сайт их доступен только на английском языке.
Нет необходимости расшифровывать все значения и коэффициенты в таблице, ведь нас интересуют всего два – это собственно само значение солнечной инсоляции в определенные месяцы (OPT) и значение оптимального угла наклона солнечной панели (OPT ANG).
Зная значение инсоляции мы можем рассчитать приблизительную выработку нашей солнечной электростанции в данном регионе в конкретный месяц или в среднем в год.
Расчет выработки солнечной электростанции на основе значений инсоляции
Допустим имеем в Санкт-Петербурге сетевую солнечную электростанцию мощностью 5 кВт и хотим посчитать ее выработку в июне. Солнечные модули установлены на оптимальный угол.
5 кВт * 5,76 кВт*ч/м2 * 30 дней = 864 кВт*ч
*Формула упрощенная, поэтому расчетные единицы измерения в формуле не совпадут с ответом. Это исправляется введением в формулу параметров солнечной электростанции и перевода дней в часы.
Но в январе эта же электростанция сгенерирует всего 5*1,13*30=169,5 кВт*ч, поэтому Питере солнечные батареи активно используются только в летние периоды.
За год же, подобная солнечная электростанция сможет получить 5*3,4*365=6205 кВт или 6,2 МВт чистой электроэнергии. Выгодно? Решать вам, ведь срок жизни сетевой электростанции более 50 лет, а тарифы на промышленное электричество растут каждый год не менее чем на 10%.