"Standardno sonce"(najvišja moč sevanja, ki doseže zemeljsko površje na morski gladini blizu ekvatorja opoldne brez oblačka): 1000 W/m2 ali 1 kW/m2.

Ta vrednost se običajno uporablja v značilnostih fotovoltaičnih sistemov. Tukaj in spodaj so vse številke podane za površine, ki so optimalno nameščene glede na sonce (pravokotno na žarke) v skladu z zemljepisno širino. Pri vodoravnih površinah boste prejeli manj sončne svetlobe: dlje kot ste od ekvatorja, manjša je gostota sončne energije.

Osončenost(povprečno število ur "standardnega sonca" čez dan): od 4-5 ur sonca na severovzhodu ZDA do 5-7 ur na jugozahodu. Osončenost je pogosto podana v kWh, številčno izpeljana iz "standardne sončne" vrednosti 1 kW.

Skupna količina oddane sončne energije na dan na m2 na gladini morja: (energija na dan) = 1 kWh × (osončenost v urah). Glede na povprečno insolacijo v Združenih državah Amerike, ki znaša 5 ur sonca, je ta vrednost običajno 5 kWh/m2.

Sončna energija, povprečno čez cel dan: povprečje vatov = (energija na dan)/24. Pri insolaciji 5 kWh je povprečna moč v celem dnevu 5000 W/24 = 208 W/m2. Upoštevajte, da se le majhen del te energije lahko pretvori v električno energijo zaradi ne zelo visoka učinkovitost fotovoltaični sistemi.

Tipične značilnosti fotovoltaičnih sistemov

Povprečna učinkovitost običajni komercialni sončni paneli: kristalni silicij (CSI) - 12-17 %; tanek film (iz amorfnega silicija in drugih materialov) - 8-12%.

Moč ki jih ustvari plošča enega kvadratnega metra: PVwatts = ( sončna energija) × (povprečna učinkovitost), kjer je učinkovitost pretvorjena v decimalno število.

Konična moč ob jasnem opoldne: PVwatts-peak = 1000 W × učinkovitost. Običajno je konična moč 120–170 W/m2 za CSi in 80–120 W/m2 za tanke plasti (TF).

Skupna povprečna količina energije ki ga proizvede plošča z enim m2 na dan: PVday = PVwatts-peak × (Insolacija v urah). Za insolacijo ob 5. uri bo ta vrednost 0,6-0,85 kW/m2 za CSi in 0,4-0,6 kW/m2 za TF.

Ustvarjena energija povprečje plošč v celotnem dnevu: PVwatts-povprečje = PVdan/24. To je približno 25-35 W/m2 za CSi in 17-25 W/m2 za TF.

Skupna energija, ki jih ustvari fotovoltaični modul na m 2 na leto: PVleto = ( skupna energija na dan) × 365, kar bi bilo približno 219-310 kWh za CSi in 146-219 kWh za TF. Upoštevajte, da so razsmerniki 95-97% učinkoviti, zato bo dejanska električna energija 5% manjša.

Pričakovani stroški električne energije od enega prihranjenega m 2 na leto: Prihranek = PVleto × 0,95 × (strošek kWh), kjer je 0,95 izkoristek pretvornika in izgube v žicah.

Povprečna cena ene kWh električne energije v ZDA znaša 0,12 $, kar pomeni 24-35 $ na leto za CSi in 17-24 $ za tanke plasti. Tako v najboljši možni scenarij, lahko prihranite 35 USD na leto na 1 m 2 plošče. Ta številka se nanaša na visoko učinkovit sistem z nazivno močjo 170 W/m2. Glede na to, da tipičen fotonapetostni sistem trenutno stane 8.000 $ na 1.000 W, bi takšne instalacije stale 170/1.000 × 8.000 $ = 1.360 $ na m2. To pomeni, da bo v našem primeru hipotetična vračilna doba 1360/35 = 39 let. Nobena oprema ne more delovati tako dolgo. Popusti in dobropisi pa lahko ta čas v povprečju skrajšajo za več kot polovico gospodinjstvo namestitev solarne plošče se najverjetneje ne bo izplačala. Seveda je to le primer. V območjih z različno osončenostjo in različnimi stroški namestitve je lahko vračilna doba višja ali nižja.

Kratke informacije o Soncu

• Premer: 1.392.000 km;
• Teža: 1.989.100 × 10 24 kg;
• Temperatura površine: ~5.700 °C;
• Povprečna razdalja od Zemlje do Sonca: 150 milijonov km;
• Sestava glede na maso: 74 % vodik, 25 % helij, 1 % drugi elementi;
• Svetlost ( skupaj energija, oddana v vse smeri): 3,85 × 10 26 W (~385 milijard MW);
• Gostota moči sevanja na površini Sonca: 63.300 kW na kvadratni meter.

Uvod

Kot vemo, je sonce primarni in glavni vir energije za naš planet. Ogreje vso Zemljo, požene reke in daje moč vetru. Pod njegovimi žarki raste 1 kvadrilijon ton rastlin, ki hranijo 10 bilijonov ton živali in bakterij. Zahvaljujoč istemu Soncu so se na Zemlji nabrale zaloge ogljikovodikov, to je nafte, premoga, šote itd., Ki jih zdaj aktivno kurimo. Da bi človeštvo danes lahko zadovoljilo svoje potrebe po energetskih virih, potrebuje približno 10 milijard ton standardnega goriva na leto. (Zgorevalna toplota ekvivalentnega goriva - 7.000 kcal/kg).

Naloge:

· upoštevajte glavno fizikalna načela in pojavi;

· razvijati znanja in spretnosti, ki omogočajo teoretični izračun glavnih parametrov;

· razmislite o prednostih in slabostih uporabe sončne energije

· razmisliti o načinih pridobivanja električne energije in toplote iz sončno sevanje

Sončna energija - uporaba sončnega sevanja za pridobivanje energije v kakršni koli obliki. Sončna energija izkorišča obnovljiv vir energije in lahko v prihodnosti postane okolju prijazna, torej ne proizvaja škodljivih odpadkov.

Sončno sevanje je praktično neizčrpen vir energije, doseže vse konce Zemlje, je »pri roki« vsakemu potrošniku in je okolju prijazen, cenovno dostopen vir energije.

Izkoriščanje sončne svetlobe in toplote - čisto, preprosto in naraven način pridobivanje vseh oblik energije, ki jih potrebujemo. Sončni kolektorji se lahko uporabljajo za ogrevanje ali ogrevanje stanovanjskih in poslovnih objektov. topla voda. sončna svetloba, koncentriran s paraboličnimi ogledali (reflektorji), se uporablja za ustvarjanje toplote (s temperaturami do nekaj tisoč stopinj Celzija). Lahko se uporablja za ogrevanje ali pridobivanje električne energije. Poleg tega obstaja še en način pridobivanja energije s pomočjo Sonca – fotovoltaična tehnologija. Fotovoltaične celice so naprave, ki pretvarjajo sončno sevanje neposredno v električno energijo.

SONČNA ENERGIJA

Energija sonca je vir življenja na našem planetu. Sonce segreva ozračje in površje Zemlje. Zahvaljujoč sončni energiji pihajo vetrovi, v naravi poteka kroženje vode, morja in oceani se segrevajo, rastline se razvijajo, živali imajo hrano. Zahvaljujoč sončnemu sevanju obstajajo fosilna goriva na Zemlji. Sončno energijo lahko pretvarjamo v toploto ali hlad, gibalno moč in električno energijo.

Sončno sevanje

Sončno sevanje je elektromagnetno sevanje, koncentrirano predvsem v območju valovnih dolžin 0,28...3,0 mikronov. Sončni spekter sestavljajo:

Ultravijolični valovi z dolžino 0,28...0,38 mikronov, nevidni našim očem in sestavljajo približno 2% sončnega spektra;

Svetlobni valovi v območju 0,38 ... 0,78 mikronov, ki predstavljajo približno 49% spektra;

Infrardeči valovi z dolžino 0,78...3,0 mikronov, ki predstavljajo večino od preostalih 49% sončnega spektra. Preostali deli spektra igrajo manjšo vlogo v toplotni bilanci Zemlje.

Koliko sončne energije doseže Zemljo?

Sonce žari velik znesek energije - približno 1,1x10 20 kWh na sekundo. Kilovatna ura je količina energije, ki je potrebna za 10-urno delovanje 100-vatne žarnice z žarilno nitko. Zemljina zunanja atmosfera prestreže približno milijoninko energije, ki jo oddaja Sonce, ali približno 1500 kvadrilijonov (1,5 x 10 18) kWh letno. Vendar pa zaradi odboja, disperzije in absorpcije atmosferskih plinov in aerosolov le 47 % celotne energije ali približno 700 kvadrilijonov (7 x 10 17) kWh doseže Zemljino površje.

Sončno sevanje v zemeljski atmosferi delimo na tako imenovano direktno sevanje in razpršeno sevanje, na delce zraka, prahu, vode itd., ki jih vsebuje ozračje. Njihova vsota tvori celotno sončno sevanje.

Količina energije, ki pade na enoto površine na enoto časa, je odvisna od številnih dejavnikov: zemljepisne širine lokalnega podnebja, letnega časa in kota naklona površine glede na Sonce.

Čas in kraj

Količina sončne energije, ki pade na Zemljino površino, se spreminja zaradi gibanja Sonca. Te spremembe so odvisne od časa dneva in letnega časa. Običajno prejme Zemlja več sončnega sevanja opoldne kot zgodaj zjutraj ali pozno zvečer. Opoldne je Sonce visoko nad obzorjem, dolžina poti sončnih žarkov skozi Zemljino atmosfero pa se zmanjša. Posledično se manj sončnega sevanja razprši in absorbira, kar pomeni, da več doseže površino.

Količina sončne energije, ki doseže zemeljsko površje, se razlikuje od letnega povprečja: zimski čas- manj kot 0,8 kWh/m2 na dan v Severni Evropi in več kot 4 kWh/m2 na dan v poletni čas v isti regiji. Razlika se zmanjšuje, ko se približujete ekvatorju.

Količina sončne energije je odvisna tudi od geografske lege mesta: bližje ekvatorju, večja je. Na primer, povprečno letno skupno sončno sevanje, ki pada na vodoravno površino, je: v srednji Evropi, Srednja Azija in Kanada - približno 1000 kWh/m2; v Sredozemlju - približno 1700 kWh / m 2; v večini puščavskih območij Afrike, Bližnjega vzhoda in Avstralije - približno 2200 kWh/m2.

Tako se količina sončnega sevanja močno razlikuje glede na letni čas in geografsko lego. Ta dejavnik je treba upoštevati pri uporabi sončne energije.

Sončna insolacija– to je količina, ki določa količino površinskega obsevanja žarka sončni žarki(tudi odsevajo ali razpršijo oblaki). Površina je lahko karkoli, vključno s solarno ploščo, ki pretvarja sončno energijo v električno energijo. In kako učinkovita bo vaša naravna elektrarna, določa parameter sončne insolacije. Osončenost merimo v kWh/m2, to je količina sončne energije, ki jo prejme en kvadratni meter površine v eni uri. Izračunane so naravno pridobljene metrike idealne razmere: popolna odsotnost oblačnost in vpad sončne svetlobe na površino pod pravim kotom (pravokotno).

Z enostavnimi besedami, sončna insolacija je povprečno število ur na dan, ko sonce sije na izračunano površino pod pravim kotom v jasnem vremenu.

Pogosto ljudje domnevajo, da če sonce vzide ob 6. uri zjutraj in zaide ob 19. uri zvečer, potem je treba dnevno proizvodnjo sončne celice izračunati kot produkt njene moči in 13 ur, ko je sonce sijalo. To je v osnovi napačno, saj je oblačnost, vendar se glavno sonce premika po nebu in meče žarke na površino zemlje pod različnimi koti. Ja, seveda lahko uporabite posebne sledilnike, ki bodo vaš sončni panel obrnili proti soncu, vendar je to drago in redko ekonomsko upravičeno. Sledilniki se uporabljajo, ko je potrebno povečati moč na enoto površine.

Od kod prihajajo podatki o sončni aktivnosti?

Nacionalna uprava za letalstvo in vesolje (NASA) preučuje sončno aktivnost v vseh regijah našega planeta. Sateliti 24 ur na dan spremljajo aktivnost sonca in prejete informacije vnašajo v tabele. Pri izračunih so upoštevani podatki iz zadnjih 25 let. Primer takšne tabele za Sankt Peterburg (59.944, 30.323) si lahko ogledate na https://eosweb.larc.nasa.gov/. Ta organizacija pripada zvezni vladi ZDA in na žalost je njihova spletna stran na voljo samo v angleščini.

Vseh vrednosti in koeficientov v tabeli ni treba dešifrirati, saj nas zanimata samo dve - to je dejanska vrednost sončne insolacije v določenih mesecih (OPT) in vrednost optimalnega kota naklona solarni panel (OPT ANG).

Izračun moči sončne elektrarne na podlagi vrednosti insolacije

Recimo, da imamo v Sankt Peterburgu mrežno sončno elektrarno z močjo 5 kW in želimo izračunati njeno proizvodnjo v juniju. Solarni moduli so nameščeni pod optimalnim kotom.

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

* Formula je poenostavljena, zato se merske enote v formuli ne bodo ujemale z odgovorom. To lahko popravimo tako, da v formulo vnesemo parametre sončne elektrarne in dneve pretvorimo v ure.

Toda januarja bo ista elektrarna proizvedla le 5 * 1,13 * 30 = 169,5 kWh, zato se v Sankt Peterburgu sončne celice aktivno uporabljajo le poleti.

V enem letu bo taka sončna elektrarna lahko proizvedla 5*3,4*365=6205 kW oziroma 6,2 MW čiste električne energije. Donosno? Na vas je, da se odločite, saj je življenjska doba mrežne elektrarne več kot 50 let, tarife za industrijsko elektriko pa se vsako leto povečajo za najmanj 10%.

Naraščajoče cene energije v Rusiji sili ljudi v zanimanje za poceni vire energije. Najbolj dostopna je sončna energija. Energija sončnega sevanja, ki pade na Zemljo, je 10.000-krat večja od količine energije, ki jo ustvari človeštvo. Težave se pojavljajo v tehnologiji zbiranja energije in zaradi neenakomerne oskrbe sončnih elektrarn z energijo. Zato se sončni kolektorji in sončne baterije uporabljajo bodisi v povezavi z baterijami za shranjevanje energije bodisi kot sredstvo za dodatno polnjenje glavne elektrarne.

Naša država je velika in razporeditev sončne energije po njenem ozemlju je zelo raznolika.

Podatki o povprečnem vnosu sončne energije

Intenzivnost vnosa sončne energije

Območja največje intenzivnosti sončnega sevanja. Na 1 kvadratni meter se dobavlja več kot 5 kW. uro. sončne energije na dan.

Ob južni meji Rusije od Bajkalskega jezera do Vladivostoka, v regiji Jakutsk, na jugu republike Tyva in republike Buryatia, nenavadno, za arktičnim krogom v vzhodnem delu Severne Zemlje.

Vložek sončne energije od 4 do 4,5 kW. uro na 1 kvadratni meter. meter na dan

Krasnodarska regija, Severni Kavkaz, Rostovska regija, južni del Volge, južne regije Novosibirska, Irkutska regija, Burjatija, Tyva, Hakasija, Primorsko in Habarovsko ozemlje, Amurska regija, otok Sahalin, velika ozemlja od Krasnojarsko ozemlje v Magadan, Severnaya Zemlya, severovzhodno od Jamalo-Neneškega avtonomnega okrožja.

Od 2,5 do 3 kW. uro na kvadratni meter na dan

Ob zahodnem loku - Nižni Novgorod, Moskva, Sankt Peterburg, Salehard, vzhodna Čukotka in Kamčatka.

Od 3 do 4 kW. uro na 1 kvadratni meter. meter na dan

Ostali del države.

Trajanje sončnega obsevanja na leto

Energijski pretok je največji maja, junija in julija. V tem obdobju v srednji pas Rusija za 1 kvadratni meter. meter površine je 5 kW. uro na dan. Najnižja intenzivnost je v decembru-januarju, ko je 1 kv. meter površine predstavlja 0,7 kW. uro na dan.

Funkcije namestitve

Če sončni kolektor namestite pod kotom 30 stopinj glede na površino, lahko zagotovite pridobivanje energije v največjem in minimalnem načinu 4,5 oziroma 1,5 kWh na 1 m2. meter. v enem dnevu.

Porazdelitev intenzivnosti sončnega sevanja v osrednji Rusiji po mesecih

Na podlagi podanih podatkov je mogoče izračunati površino ploščatih sončnih kolektorjev, potrebnih za oskrbo s toplo vodo štiričlanske družine v posamezni hiši. Ogrevanje 300 litrov vode s 5 stopinj na 55 stopinj junija lahko zagotovijo kolektorji s površino 5,4 kvadratnega metra, decembra 18 kvadratnih metrov. metrov. Če uporabimo učinkovitejše vakuumske kolektorje, se potrebna površina kolektorja zmanjša za približno polovico.

Pokritje potreb po sanitarni vodi s sončno energijo

V praksi je priporočljivo, da sončne kolektorje ne uporabljamo kot glavni vir tople vode, temveč kot napravo za ogrevanje vode, ki vstopa v ogrevalno napeljavo. V tem primeru se poraba goriva močno zmanjša. To zagotavlja nemoteno oskrbo topla voda in prihranite denar za oskrbo s toplo vodo in ogrevanje hiše, če je to hiša za stalno bivanje. Na dachah, poleti, za pridobivanje tople vode uporabljajo različne vrste sončni kolektorji. Od tovarniško izdelanih zbiralnikov do domačih naprav iz odpadnega materiala. Razlikujejo se predvsem po učinkovitosti. Tovarniški je bolj učinkovit, vendar stane več. Iz starega hladilnika lahko skoraj brezplačno izdelate razdelilnik s toplotnim izmenjevalnikom.

V Rusiji namestitev sončnih kolektorjev ureja RD 34.20.115-89 " Smernice o izračunu in načrtovanju solarnih ogrevalnih sistemov", VSN 52-86 (v formatu RTF, 11 Mb) "Instalacija sončne oskrbe s toplo vodo. Standardi oblikovanja." Obstajajo priporočila za uporabo netradicionalnih virov energije v živinoreji, proizvodnji krme, kmečkih kmetijah in stanovanjskem sektorju na podeželju, razvit na zahtevo Ministrstva za kmetijstvo leta 2002. Veljavni so GOST R 51595 "Sončni kolektorji. Tehnične zahteve", GOST R 51594 "Sončna energija. Izrazi in definicije".

Ti dokumenti podrobno opisujejo diagrame uporabljenih sončnih kolektorjev in največ učinkovite načine njihova uporaba v različnih podnebnih razmerah.

Sončni kolektorji v Nemčiji

V Nemčiji država subvencionira stroške vgradnje sončnih kolektorjev, zato njihova uporaba vztrajno narašča. V letu 2006 je bilo vgrajenih 1 milijon 300 tisoč kvadratnih metrov kolektorjev. Od tega je približno 10 % dražjih in učinkovitejših vakuumskih kolektorjev. Skupna površina sončnih kolektorjev, nameščenih do danes, je približno 12 milijonov kvadratnih metrov.

Materiale in grafiko zagotavlja Viessmann