Содержание
Энергия солнца на 60-й широте.
Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем её вырабатывается всеми электростанциями мира. Задача здесь состоит в том, чтобы научиться практически использовать хотя бы ее небольшое количество. Нельзя утверждать, что широкомасштабное использование солнечной энергии не будет иметь никаких последствий для окружающей среды, но все же они будут несравненно меньшими, чем в традиционной энергетике.
Кремневые фотопреобразователи
Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Программа, получившая наименование «Солар-91» и осуществляемая под лозунгом «За энергонезависимую Швейцарию!», вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии.
Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2…3 кВт, монтируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20…30 квадратных метров. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВтч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.
Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50…70%. В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки с аккумуляторами.
Интенсивность солнечного света на уровне моря составляет 1…3 кВт на квадратный метр. КПД лучших солнечных батарей составляет 12…18 процентов. С учетом КПД преобразование энергии солнечных лучей с помощью фотопреобразователей позволяет получить с одного квадратного метра не более 0,5 кВт мощности.
Решая вопросы «экономичности» солнечной энергетики, нельзя впадать в распространенное заблуждеие: сравнивать дорогостоящую, но очень молодую технологию преобразования энергии Солнца в электричество с помощью фотоэлементов, с дешевой, но «грязной» технологией использования нефти и газа.
Экономичность этого нового вида энергетических ресурсов должна сравниваться с теми видами энергии, которые будут в тех же масштабах использоваться в будущем.
Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 Вт установленной мощности с 1000 долларов в 1970 году, до 3…5 долларов в 1997 году и повышению их КПД с 5 до 18%. Уменьшение стоимости солнечного ватта до 50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельэлектростанциями.
Зеркальные концентраторы
Однако, опыт использования солнечной энергии в умеренных широтах показывает, что энергию солнца выгоднее непосредственно аккумулировать и использовать в виде тепла. Разработаны
проектные предложения для Аляски и севера Канады. Природно-климатические условия этих регионов сопоставимы с условиями средней полосы нашей страны.
С детства многие помнят, что с помощью собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжелы, дороги и трудны в
изготовлении.
Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с
помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.
Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в установках используются либо традиционные — стеклянные, либо из полированного алюминия.
Водонагреватель
Водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой, в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30…50 град. с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.
Дневная производительность на 50-ой широте примерно равна 2 кВт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60…70 град. КПД установки — 40%.
Тепловые концентраторы
Каждый, кто хоть раз бывал в теплицах, знает, как резко отличаются условия внутри нее от окружающих: температура в ней выше. Солнечные лучи почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и нагревают почву, растения, стены, конструкцию крыши. В обратном
направлении тепло рассеивается мало из-за повышенной концентрации углекислого газа. По сходному принципу работают и тепловые концентраторы.
Это — деревянные, металлические, или пластиковые короба, с одной стороны закрытые одинарным или двойным стеклом. Внутрь короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют
волнистый металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагревается воздух или вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.
Жилой дом с солнечным отплением
Среднее за год значение суммарной солнечной радиации на 55-ой широте, поступающей в сутки на 20 м² горизонтальной поверхности, составляет 50…60 кВт/ч. Это соответствует затратам энергии на отопление дома площадью 60 м².
Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по
воздуховодам подается в помещение. Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны:
нет опасности, что система замерзнет;
нет необходимости в трубах и кранах;
простота и дешевизна.
Недостаток — невысокая теплоемкость воздуха.
Конструктивно коллектор представляет собой ряд застекленных вертикальных коробов, внутренняя поверхность которых, зачернена матовой краской, не дающей запаха при нагреве. Ширина короба около 60 см.
В части расположения солнечного коллектора на доме предпочтение отдается вертикальному варианту. Он много проще в строительстве и дальнейшем обслуживании. По сравнению с
наклонным коллектором (например, занимающим часть крыши), не требуется уплотнения от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикальных стекол легко смыть пыль.
Плоский коллектор, помимо прямой солнечной радиации, воспринимает рассеянную и отраженную радиацию: в пасмурную погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, какие мы
реально имеем в средней полосе.
Плоский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты, как концентрирующий коллектор, но для конвекционного отопления этого и не требуется, здесь достаточно иметь низко потенциальную
теплоту. Солнечный коллектор располагается на фасаде, ориентированном на юг (допустимо отклонение до 30 град. на восток или на запад).
Неравномерность солнечной радиации в течение дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктует необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве.
Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора.
Для дома, площадью 60 м², объем аккумулятора составляет от 3 до 6 м³. Разброс определяется качеством исполнения элементов гелиосистемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной
радиации в конкретной местности.
Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах:
отопление и аккумулирование тепловой энергии;
отопление от аккумулятора;
аккумулирование тепловой энергии;
отопление от коллектора.
В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается и через отверстия у потолка поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.
В средней полосе гелиосистема лишь частично обеспечивает потребности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60%.
Фотоэлектрические солнечные модули производства России.
Солнечные модули (СМ) на основе монокристаллического кремня предназначены для преобразования прямого солнечного излучения мощностью от 500 Вт/м в электрический ток постоянного напряжения. Круглые кремневые пластины размещены в стеклянной подложке толщиной 3 или 4 мм. Стекло помещено в алюминиевый каркас.
Преимущества: Облегченная герметичная конструкция, полированное упрочненное стекло, повышенная градостойкость, интервал рабочих температур -60°С…+75°С, допустимая влажность 100%, энергосберегающая технология сборки.
Применение: В качестве основного или вспомогательного источника энергии в составе автономных источников питания для:
|
|
В качестве примера, расскажем подробнее о солнечном модуле АSЕ-50
Сфера применения: Модуль особенно удобен для сектора промышленного применения. Солнечные генераторы любой проектной мощности создаются путем объединения солнечных модулей АSЕ-50, например, для обеспечения ферм домов энергией.
Описание: Модуль содержит 36 монокристаллических силиконовых солнечных клеток. Фронтальная поверхность модуля покрыта высокопрозрачным закаленным стеклом для защиты от механических и климатических воздействий. Под стеклом солнечные клетки (ячейки) встроены в мягкий пластик ЕУА (этилен винил ацетат) , который способствует термическому расширению клеток. Тыльная сторона модуля постоянно герметически закрыта белым многослойным пластиковым листом высокой прочности. Рама модуля состоит и
з алюминиевого профиля устойчивого к скручиванию, который благодаря своей антикоррозийной анодированной поверхности устойчив к атмосферным влияниям. Исключительный дизайн способствует применению модуля в суровых условиях окружающей среды.
Для упрощения установки в раму модуля встроены болты. Модуль снабжен оборудованием с шунтированными диодами для защиты клеток в случае частичного затемнения. Индивидуальные модули оснащены кабелем с помощью двух соединительных коробок, установленных на обратной стороне модуля, одна из коробок имеет положительный, а другая отрицательный полюс.
Модули поставляются в комплекте с автоматическим регулятором напряжения, через который осуществляется зарядка аккумуляторных батарей.
Электрические данные модуля
|
Температура воздуха, С |
25 |
45 |
60 |
|
Мощность, Вт |
49 |
44.8 |
41.5 |
|
Напряжение, В |
17 |
15.44 |
14.27 |
|
Ток, А |
2.88 |
2.9 |
2.91 |
Пределы значений
|
Температура минимальная |
-40°С |
|
Температура максимальная |
+85°С |
|
Влажность |
100% |
|
Давление на поверхности |
2400 Па |
|
Плотность электрической энергии при 25°С |
1000 Вт/м² |
|
Максимальная система напряжения |
1000 В |
|
Допустимое отклонение электрических данных |
±10% |
Размеры
|
Длина |
1,042 мм |
|
Ширина |
462 мм |
|
Толщина |
39 мм |
|
Вес |
9,2 кг |
Солнечные модули можно преобрести на www.invertor.ru/solbat.htm
В заключение отметим, что для преобразования электрической энергии солнечных батарей в 220 В, обычно применяется система аккумулятор – инвертор. В качестве последнего можно использовать МАП «Энергию» (www.invertor.ru ). Её достоинства: высокая мощность и надёжность при низкой цене. Это отечественная разработка (заявка на патент №2001125519), на основе новейших импортных комплектующих.
Для справки: инвертором называется электронное устройство преобразующее постоянное напряжение (например, аккумуляторов) в переменное (в нашем случае – в 220 В).
Солнечная энергетика > Кратко о солнечном излучении
Кратко о солнечном излучении
Солнце составляет 99,98% всей энергии нашей планеты (остальная энергия — геотермальная). Солнце состоит из водорода (71%), гелия (27%) и твердой материи (2%). Температура вблизи ядра приблизительно 16 000 000 градусов, а на его поверхности-фотосфере — около 5770 К. Мощность энергии, излучаемой Солнцем, составляет ~63 МВт с каждого квадратного метра его поверхности, всего около 3,72 х 1020 МВт.
Единицей измерения потока солнечной энергии в системе СИ является ватт на квадратный метр (Вт/м2 ). При среднем расстоянии от Земли до Солнца — 150 000 000 км — плотность энергии солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, составляет в среднем 1,367 КВт/м2 . Эта величина называется солнечной постоянной. Различные процессы внутри Солнца и на его поверхности (солнечные пятна и вспышки) приводят к флуктуациям этой величины, но они не превышают 0,1%.
Расстояние от Земли до Солнца изменяется из-за эллиптичности его орбиты Земли, поэтому солнечное излучение в верхней границе атмосферы на 6,6% больше 4 января (когда Земля ближе всего к Солнцу, в перигелии), чем 4 июля (когда Земля наиболее удалена от Солнца, в афелии). Эти даты не совпадают с датами зимнего и летнего солнцестояния потому, что ось вращения Земли наклонена к плоскости эклиптики на 23,5о.
Из-за большого расстояния между Солнцем и Землей солнечное излучение, которое достигает верхней границы атмосферы, падает в виде почти параллельных лучей. Это излучение включает в себя ультрафиолетовое излучение (УФ), видимый свет и ближнее инфракрасное излучение (БИК). Максимальная интенсивность излучения приходится на диапазон видимого спектра — излучение с длиной волны от 400 до 800 нм. Интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучения, приходящего от Солнца, очень мала, однако, когда Земля нагревается под действием солнечного излучения, она излучает ближнее и дальнее ИК излучение, которое, в свою очередь, поглощается и отражается газами, частицами и облаками в атмосфере.
При прохождении через атмосферу часть солнечного излучения достигает поверхности Земли, а часть рассеивается молекулами газов, аэрозольными частицами, каплями воды и кристаллами льда. Молекулы газов и аэрозоли отвечают за большую часть поглощения излучения. Рассеивание солнечного излучения на каплях воды и кристаллах льда происходит во всем спектральном диапазоне. Молекулы же в основном рассеивают излучение коротких длин волн, а аэрозоли — более длинных.
Рис. 2. Участки спектра излучения. Синим цветом обозначено длинноволновое УФ-излучение, желтым — средневолновое УФ-излучение, белым — видимый свет, кремовым — ближнее инфракрасное излучение и розовым — дальнее инфракрасное излучение. Синяя линия показывает солнечное излучение на земной поверхности, черная — чувствительность человеческого глаза, зеленая — спектральную чувствительность типичного фотоэлемента, красная — чувствительность пиранометра со стеклянным куполом и розовая — чувствительность пиргеометра. Для сравнения все приведено к условному максимуму 1,0.
Эти процессы в значительной степени влияют на спектр излучения, которое достигает земной поверхности. Когда Солнце находится прямо над головой, оптическая масса атмосферы является минимальной и по определению имеет для этой местности атмосферную массу, равную 1,0. Когда Солнце опускается к горизонту, оптическая масс атмосферы увеличивается приблизительно в 11 раз и ее влияние на поглощение и рассеивание солнечного излучения становится значительно больше.
Некоторые из этих процессов легко наблюдать. Молекулы атмосферы намного сильнее рассеивают короткие иволны, чем более длинные — рэлеевское рассеивание. Поэтому, когда Солнце находится высоко, небо выглядит синим. Когда же Солнце находится вблизи горизонта, короткие волны, проходя через толстый слой атмосферы, испытывают полное рассеивание, и небо по утрам и вечерам выглядит красным.
В безоблачный день поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности в местный полдень, обычно находится в интервале от 700 до 1300 Вт/м2 в зависимости от широты, долготы, высоты над уровнем моря и времени года.
Наблюдения за солнечным излучением на земной поверхности ведут в двух диапазонах длин волн: коротковолновом излучении с длиной волны от 300 до 4000 нм и длинноволновом — от 4500 нм (4,5 мкм) до 40 мкм. Коротковолновое излучение включает ультрафиолетовое, видимое, и ближнее, инфракрасное излучение.
Часть солнечного излучения, которая достигает земной поверхности, отражается от нее, а другая часть поглощается. Снег и лед имеют высокую отражательную способность (альбедо), темные и/или неровные поверхности — более низкую. Часть излучения, которая поглощается земной поверхносьтю, излучается обратно в атмосферу в ближнем (инфракрасном) диапазоне. Углекислый газ (СО2), метан (СН4) и водяной пар (Н2О) в атмосфере способны поглощать это излучение, нагревая, в свою очередь, земную атмосферу. Это — так называемый «парниковый эффект». В целом же существует равновесие: Земля получает столько же солнечного излучения, сколько излучает обратно в Космос. Иначе Земля нагревалась бы или остывала.
Рис. 3. Схематическое представление баланса Земли
