Солнечная энергия
Опубликовано 07 Сен 2015
Рубрика: О жизни | 21 комментарий
Слияние атомов водорода и рождение атомов гелия, происходящее в недрах звезд из-за невероятно огромного давления, вызванного суперсилами гравитации, сопровождается сверхмощным выделением энергии. Идет термоядерная реакция и на ближайшей к нам звезде по имени Солнце.
Солнечная энергия (точнее — крохотная доля от всей, излученной Солнцем в пространство энергии) достигает Земли и обеспечивает существование жизни на нашей планете в том виде, в каком мы ее знаем.
Интенсивность излучения Солнца «на входе» в атмосферу Земли составляет 1,367 КВт/м 2 .
Атмосфера планеты поглощает часть потока солнечной энергии. На разных широтах, в разное время года, в разное время суток, на разной высоте над уровнем моря и при различной облачности мощность солнечного изучения, приходящаяся на один квадратный метр поверхности перпендикулярной лучам составляет
от 0 КВт/м 2 до 1,0 КВт/м 2 .
Почему солнечное излучение имеет различную интенсивность можно понять, рассмотрев рисунок ниже.
В различных условиях лучам Солнца приходится преодолевать до поверхности Земли через атмосферу разные расстояния! Чем длиннее путь лучей Солнца через атмосферу, тем больше поглощение, тем меньше энергии дойдет до поверхности, до точки А.
1,0 КВт/м 2 – это максимум интенсивности в ясную погоду на уровне моря в истинный астрономический полдень на экваторе в дни весеннего (
20 марта) и осеннего (
22 сентября) равноденствий!
Это означает, что никакое устройство, созданное человеком для преобразования солнечной энергии в тепловую или электрическую, имеющее рабочую площадь 1,0 м 2 никогда не выдаст мощность более 1,0 КВт!
В средних широтах России солнечная энергия имеет интенсивность потока летом в ясный полдень – до 0,8 КВт/м 2 , зимой – всего лишь до 0,3 КВт/м 2 .
По справочным таблицам (смотри ссылки в конце статьи) в среднем за год количество солнечной энергии, падающей на горизонтальную площадку площадью 1м 2 :
На момент написания статьи, к примеру, в Омске цена 1 КВт*ч электроэнергии составляла 3,32 руб. для населения. Образно выражаясь, можно сказать, что Солнце «высыпает» в год в Омске на каждый квадратный метр 4183,20 руб. (11,46 руб. ежедневно) в переводе на стоимость электроэнергии.
Задача и проблема – собрать это богатство.
Солнечная электроэнергия.
Для преобразования энергии Солнца в электроэнергию на сегодняшний день наиболее эффективными являются кремниевые фотоэлектрические батареи. Но их КПД низок и по факту не превышает 14%.
Таким образом, панель площадью 1,0 м 2 способна выдать на широте Москвы максимальную мощность порядка 0,11 КВт. И не верьте недобросовестным продавцам, завышающим показатели мощности!
Низкий КПД по большому счету ни о чем не говорит (ездим же мы на автомобилях, двигатели которых имеют КПД=10%). Ставь панель большей площади – и всё. Однако высокая стоимость полного комплекта солнечной электростанции (с панелями, аккумуляторами, автоматикой, преобразователями
1100 $/КВт) продолжает являться в России сдерживающим широкое распространение солнечных панелей фактором. Конечно, в местах, где другим способом получить электроэнергию невозможно или очень сложно и дорого (космос, кемпинг, дом лесника, не электрифицированный поселок), солнечная электростанция является хорошим решением проблемы.
К 2030 году прогнозируемая мощность всех солнечных фотоэлектрических преобразователей в мире превысит 200 ГВт. При этом стоимость произведенной электрической энергии предполагается 0,10…0,15 $/КВт*ч.
Солнечная тепловая энергия.
Очень популярной последние десятилетия стала тема получения тепловой энергии для горячего водоснабжения и отопления помещений от Солнца. Сотни компаний по всему миру предлагают свои разработки солнечных коллекторов, тысячи энтузиастов изготавливают разнообразные варианты устройств в домашних мастерских.
Одними из перспективных на сегодняшний день, возможно, видятся вакуумированные трубчатые коллекторы, у которых КПД достигает 90% (по заявлениям производителей и продавцов). Холодный воздух вентилятором забирается из помещения и по теплоизолированной трубе поступает в коллектор. Нагретый в результате теплообмена воздух возвращается по такой же трубе обратно в помещение. Солнечная энергия по очень простой и эффективной схеме преобразуется в тепловую! Установка не боится морозов, потому что замерзать в ней нечему.
Рассмотрим подробнее модель солнечного коллектора китайской компании ZN-ENERGY (www.pcmworld.com, подключисолнце.рф). Результаты практических испытаний любезно предоставил Алексей Пыкин из города Улан-Удэ.
Алексей установил наклонно с ориентацией на юг два коллектора марки ZN-20D58-1800 на крыше сарайчика, присоединил к ним подводящую и отводящую воздух трубы, включил в схему вентилятор, подключил прибор, записывающий температуры входящего в коллектор воздуха и выходящего и замерил скорость воздушного потока на выходе из отводящей трубы в помещение.
Габаритно-массовые параметры одного коллектора:
Высота – 2030 мм
Ширина – 1550 мм
Толщина – 180 мм
Оба коллектора собраны из 20 стеклянных вакуумных трубок длиной 1800 мм.
Между наружной трубкой Ø57 мм и первой внутренней трубкой Ø47 мм откачан воздух и создан вакуум для обеспечения высокого уровня теплоизоляции.
Поверхность трубки Ø47 мм имеет черное покрытие с очень большим коэффициентом поглощения (>0,9) солнечной энергии. Именно эта поверхность, разогреваясь под лучами Солнца, отдает всю полученную энергию внутрь трубки Ø47 мм, проходящему через нее воздуху и аккумулятору тепла – РСМ-цилиндру! Передаче тепла наружу в окружающее пространство препятствует вакуум.
РСМ-цилиндр – это еще одна внутренняя трубка с веществом, накапливающим и затем отдающим тепло за счет фазового перехода из одного агрегатного состояния в другое. По-простому — это «высокоэффективные камни в печке в бане».
Теоретическая мощность установки.
1. Эффективная площадь поверхности двух коллекторов марки ZN-20D58-1800
A =0,047*1,8*20*2=3,384 м 2
Те, кто считают площадь иначе, как поверхность полуцилиндра, или лукавят, или заблуждаются. В подтверждение своей правоты кроме здравого смысла в понимании процесса могу добавить, что известная компания Viessmann (Германия) площадь своих коллекторов на трубках считает по вышеприведенной формуле.
2. Максимальный заявляемый разработчиками коэффициент полезного действия коллекторов
КПД =0,9
3. Максимальная интенсивность потока в июне-июле в ясный полдень на широте г. Улан-Удэ
Ie =0,8 КВт/м 2
4. Максимальная мощность, которую могут развить два коллектора, установленные плоскостями перпендикулярно лучам Солнца
NΣтеор = Ie * A * КПД =0,8*3,384*0,9=2,436 КВт
5. Максимальная мощность, которую может развить одна трубка
Практическая мощность установки.
Выполним расчет в Excel мощности установки по исходным данным, присланным Алексеем.
О цветах ячеек листа Excel, применяемых в статьях этого блога, можно посмотреть на странице « О блоге ».
Расчет в Excel выполняется по следующим формулам:
7. V =π* D 2 /4* vср
8. G = V * ρ
9. N = G * c *( t2 — t1 )
11. Q = N * τ
12. mд = Q / qд
Выводы.
Установка Алексея в июньский солнечный полдень забирает из помещения воздух температурой 25 °С и, прогоняя его через два коллектора, выдает обратно в помещение нагретым до 138 °С!
Рассчитанная через количество нагретого воздуха мощность, достигаемая в этот момент времени – 2,307 КВт. Это 95% от рассчитанной теоретической мощности.
В нижней части таблицы можно определить количество тепловой энергии, которое выработает установка за заданное время, работая с вычисленной мощностью.
В самом низу таблицы я привел для справки расчет массы дров, которую необходимо сжечь для получения такого же количества энергии.
Для расчета суточного производства тепловой энергии следует проинтегрировать функцию мощности по времени.
Q =∫ N ( τ ) d τ
О том, как это делать рассказано в предыдущей статье на блоге.
Итоги.
В этой небольшой обзорной статье не ставилась цель подробно расписать все возможные варианты преобразования солнечной энергии в другие виды. Тем более не хотелось углубляться в разнообразие теплофизических аспектов и конструктивных решений конкретных моделей солнечных панелей и коллекторов. Совсем не был затронут вопрос углов установки панелей и коллекторов…
Главное, что хотелось донести:
1. Более 1,0 КВт мощности с панели или коллектора с рабочей площадью 1,0 м 2 не «снять»!
2. Более 0,14 КВт современная фотоэлектрическая батарея площадью 1,0 м 2 пока не вырабатывает!
3. Более 0,9 КВт солнечный коллектор с рабочей площадью 1,0 м 2 выдать сегодня не может и не сможет, наверное, никогда, если на Солнце что-нибудь не случиться! А если случится, то нам уже эта энергия не понадобится…
4. РСМ-цилиндры накапливают тепло, которое не смог забрать продуваемый воздух и отдают его воздуху в моменты закрытия Солнца облаками и перед закатом. Увеличить мощность РСМ-цилиндры не могут. Они, как ресиверы в системах сжатого воздуха, сглаживают колебания выходной мощности и не более того.
5. Если (с поправкой на оптимальный угол установки коллекторов) за год в г. Омске поступает от Солнца
1500 КВт*ч/м 2 , то установка из двух коллекторов, рассмотренная в примере, сможет выдать тепловой энергии около 4 300 КВт*ч.
В переводе на стоимость электроэнергии мы получим в год тепловой энергии на 14276 руб. Комплект коллекторов стоит около 120000 руб. Срок окупаемости более 8 лет…
В переводе на стоимость дров (1,50 руб./кг или 1000 руб./м 3 ) мы получим в год тепловой энергии на
3000 руб. (если принять КПД печи равным 50%). Срок окупаемости – 40 лет!
И это еще без учета затрат электроэнергии на вентилятор!
Не знаю, сколько прослужат коллектора, но жизненный опыт подсказывает, что град размером с куриное яйцо бывает у нас каждые 3…5 лет…
Однако, стоит отметить, что солнечная энергия – экологически чистый вид энергии. Расширяя ее применение, мы сохраняем нашу среду обитания. И стоит помнить, что расходуя всего 1 КВт*ч энергии, можно испечь 100 булок хлеба или выткать 10 м 2 ткани!
В заключении приведу несколько ссылок на качественные и просто интересные материалы по затронутой тематике:
Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.
Ссылка на скачивание файла: solnechnaya-energiya (xls 20,5KB).
Комментарии к статье, уважаемые читатели, пишите в блоке, расположенном ниже. Не стесняйтесь высказать свое мнение!
Источник
Методы расчета мощности солнечных батарей
На земле существует большое количество альтернативных источников энергии. Каждый из них имеет свои особенности при использовании. И одним из самых экологичных является энергия солнечного света. На самом деле мощность солнечной энергии используется человечеством с древних времен и в различной форме:
- Летом используется тепло солнечных лучей для нагрева теплиц и создания оптимальных условий для их развития.
- Под лучами солнца человек сушил морепродукты, грибы, целебные травы и прочее.
- При конструировании солнечных печей можно вскипятить воду с использованием системы зеркал.
Все это непостоянно, нагретые солнцем за день предметы ночью быстро остывают. Человечество долго думало о том, как бы сохранить мощность солнечной энергии. И только в XXI-ом столетии стало использовать ее для накопления в виде тепла и электричества. Получение электрической мощности из солнечного излучения – это довольно действенный способ. На сегодняшний день он используется для обеспечения энергией от одиночных домов до небольших поселений или комплексов. И даже учитывая крайне небольшое время качественного солнечного излучения, популярность использования панелей не утихает. Но чтобы определить целесообразность этого генератора, необходимо посчитать мощность солнечных батарей. Об этом речь пойдет ниже в статье, прежде необходимо ознакомиться с понятием «солнечное излучение».
Что такое солнечная энергия?
Солнечная энергия – на самом деле это огромная сила, но чтобы ее получить, необходимо приложить немало усилий. Все дело в том, что технологии изготовления солнечных генераторных панелей имеют высокую цену и порой при расчете выгоды может оказаться так, что установка таких у себя дома будет окупаться на протяжении десятков лет, при условии постоянно ясных дней. А на самом деле эта цифра увеличится как минимум в 5 раз, и выгода будет заметна только вашим внукам или правнукам. И то, если конструкция панелей будет надежна и сможет столько прослужить. В идеальном расчете современные солнечные батареи могут выдавать до 1,35 кВт/м кв. и для получения 10 кВт потребуется всего 7,5 кв. м панелей. Но это в идеальных условиях. В реальности — площади солнечных батарей потребуется в 5-6 раз больше для получения той же мощности.
КПД современных солнечных панелей
Современные солнечные панели обладают не так уж и большим КПД. Фотоэлемент, площадью 1 кв. м выдает в идеальных условиях 1 кВт электрической энергии. Но это условие справедливо, если расстояние от поверхности панели минимально. И солнце находиться над ней. А лучи – строго перпендикулярно к плоскости и прозрачность атмосферы составляет не менее 100%. Таким условиям соответствует лишь вершина горы в тропической зоне и ясную погоду. В нашей климатической зоне можно добиться максимум 20%. Следовательно, с 1 кв. м можно получить от 150 до 600 Вт электрической энергии. Все дело в том, что интенсивность солнца в наших широтах весьма мала. К примеру, рассматривая российские города от Архангельска до Южно-Сахалинска, за месяц эксплуатации солнечной батареи можно получить максимум 209.9 кВтч/м кв. И то, эта цифра справедлива только в Сочи. При установке солнечной панели в Архангельске, месячный максимум получится не более 159.7 кВтч/м кв.
В средних широтах, в которых собственно мы с вами и проживаем, показатель мощности солнечной энергии соответствует уровню 100 Вт/кв. м. Но и эти данные весьма неточные. Потому что при повышенной облачности эта цифра будет уменьшаться до 2 и более раз.
Виды солнечного излучения
В зависимости от потока излучение разделяется на 2 вида: рассеянное и прямое. В зависимости от вида освещения выбирается угол наклона панели, тем самым повышая КПД установки. При прямом излучении угол должен быть строго определен. При рассеянном излучении этот показатель не важен. Поскольку интенсивность освещения во всех точках пространства примерно равна. Но между двумя этими разновидностями имеется существенное отличие. Оно заключается в мощности солнечного излучения на квадратный метр. В первом случае она многократно раз превышает второй, обеспечивая панель мощным потоком фотонов. Но таких ясных деньков в наших широтах, да и по всей планете, не так уж много. Поэтому производителям панелей приходиться использовать весь научно-технический потенциал, чтобы получить максимум энергии из того излучения. Такие технологии станут многим не по карману. Не говоря уже о сроке окупаемости, который может стать непостижимым на нашем веку.
Как распределяется энергия в солнечном спектре?
Солнце представляет собой универсальный генератор, который вырабатывает потоки световой энергии не только различной мощности, но и различной частоты, что говорит о возможности разложения солнечного света в спектр. Весь его охватить не удастся, потому что принимающее тело должно быть идеально черного цвета. Тем более что не все виды излучений доходят до поверхности земли. Самые активные и энергонесущие потоки поглощаются другими телами в космосе и атмосфере. Задачей человечества стало определение диапазона частот, в котором поток световой энергии максимален. Традиционно спектр раскладывается не по частотам, а по длинам волн. И его грубо можно разделить на 3 зоны:
- Ультрафиолетовая, ей соответствуют длины волн от 0 до 380 мкм.
- Видимый свет, находиться в диапазоне от 380 до 760 мкм.
- Инфракрасный, соответствует участку с длинами волн от 760 до 3300 мкм.
Зоной, где энергия фотонов самая высокая, является именно первый диапазон, но в нем частиц ничтожно мало, по сравнению с видимым диапазоном света. Поэтому для получения электрической энергии стали использовать именно видимый и инфракрасный диапазоны с длинами волн от 380 до 1800 мкм. Все, что выше относится к радиочастотному диапазону и энергия здесь также мала, по причине практически полного отсутствия энергии фотонов, несмотря на их большое количество и достаточную мощность солнечной энергии.
Проблема установки солнечных батарей
Главной проблемой установки солнечных батарей в наших климатических условиях является существенное различие в длительности светового дня в зависимости от поры года. Самый короткий день почти в 2,5 раза меньше самого длинного, что сказывается и на энергии излучения, которому зимой еще приходиться преодолевать и более толстые слои атмосферы. Следовательно, использование солнечных батарей в зимний период не даст никакой выгоды, а в летний период жарким днем выдаст не меньше энергии, чем на экваторе.
Что необходимо учитывать при расчете солнечного генератора
Солнечный свет, как и любая другая физическая величина, имеет ряд параметров. Они должны использоваться при расчете генератора. К ним относятся:
- Уровень освещенности или мощность солнечного излучения на квадратный метр. Под ним подразумевается усредненное значение солнечного излучения. Оно измеряется в верхних слоях атмосферы Земли и расположенного перпендикулярно световым потокам. На примере Сочи эта величина равна 1365 Вт.
- Максимальная мощность излучения солнца. Это полезная световая энергия. Она достигает поверхности Земли на уровне моря на экваторе и в безоблачный день. В среднем она равна 1 кВт/м кв.
- Инсоляция – это усредненное время, в течение которого солнце освещает поверхность с максимальной интенсивностью. Обычно оно находится в пределах от 3 до 5 часов по российской территории.
- Общая энергия излучения – величина, измеряемая за день облучения поверхности. Она определяется как произведение 1 кВтч и количества инсоляционных часов.
- Мощность солнечной энергии – величина энергии, рассчитанная за сутки (24 часа). Этот показатель рассчитывается как соотношение общей энергии за день к 24 часам.
Размещение панелей
В наших климатических условиях важно предусмотреть систему автоматической коррекции положения панелей. Поскольку интенсивность солнечной энергии изменяется с течением дня, очень
Автоматическая коррекция положения панелей
Необходимо, чтобы лучи падали на приемные элементы перпендикулярно. Благодаря этому выбивая из них больше заряженных электронов. Но чтобы это обеспечить придется организовать поворот или наклон солнечных батарей с ходом солнца. При угле падения лучей в 30 градусов, коэффициент отражения лучей составляет не менее 5%. А 95% световой энергии оказываются полезными. При увеличении угла отражения до 60 градусов, потери вырастают вдвое. А при угле отражения 80 градусов коэффициент потерь находиться на отметке 40%. Но кроме угла отражения немаловажное значение имеет эффективная площадь перекрытия панели солнечным потоком. Эта величина расчетная. И находиться из отношения реальной площади к синусу угла между плоскостью и направлением солнечных лучей. В итоге: для получения постоянно качественного потока, панели необходимо время от времени поворачивать к солнцу. А это соответственно будет требовать определенных технологий, что оказывается весьма дорогостоящим удовольствием.
Ориентация панелей в одной плоскости
Можно пойти и простым путем, ориентировать солнечную батарею в одной плоскости под определенным углом. Например, для Москвы, расположена на 56 градусах широты) угол наклона к горизонту составит 56 градусов. А угол отклонения от вертикали 34 градуса. Тогда потребуется лишь обеспечить панели вращением в одной плоскости и возврат ее в исходную точку. Все это удорожает систему и делает ее менее надежной.
При конструировании системы поворота панелей большое значение имеет вес рамы, на которой будут располагаться фотоэлементы. И как следствие получается, что на вращение неоправданно расходуется мощность солнечной энергии. И это снижает количество полезной энергии.
Выбор фотоэлектрической системы для построения солнечного генератора
Для построения действительно качественного солнечного генератора необходимо учесть следующие данные:
КПД и мощности
- Среднее значение коэффициента полезного действия имеющихся в продаже солнечных панелей. У кремниевых батарей он лежит в пределах от 12 до 17%. Это при условии использования кристаллического материала. КПД тонкопленочных батарей лежит в пределах от 8 до 12%.
- Мощность солнечной панели, вырабатываемой одним квадратным метром панели. Для ее определения необходимо солнечную энергию умножить на КПД одной панели. Далее округлить до целого цела.
- Пиковая мощность солнечной батареи – измеряется в безоблачный солнечный день. Она равна произведению КПД и величине «Стандартного солнца» (1 кВт).
Показатели энергии
- Суммарная усредненная энергия. Рассчитывается как произведение пиковой мощности и количества часов инсоляции.
- Выработанная энергия – это величина мощности, которую панель отдала в нагрузку в фактических условиях за 24 часа. Определяется как соотношение суммарной усредненной энергии к 24 часам. Для панелей из кристаллического кремния эта величина равна 0.6-0.85 кВт/м кв.. А для пленочного кремния – 0.4-0.6 кВт/м кв.
- Общая энергия – количество мощности, выработанной панелью за год эксплуатации. Она рассчитывается как произведение как полная энергия и количество дней в году. Для кристаллических панелей (CSi) – 219-310 кВт ч, для пленочных (TF) – 146-219 кВт ч. Но при расчете окончательных показателей необходимо учесть потери в импульсном преобразователе, которые составляют обычно 5%.
- Цена электрической энергии. Пожалуй, самый главный показатель, который зачастую предопределяет целесообразность приобретения солнечного генератора. На сегодняшний день такой генератор пока еще нецелесообразен. Поскольку без поломок более 10 лет практически ничто не прослужит. Но технологии не стоят на месте! И в скором будущем стоимость световых генераторных панелей станет намного меньше, сделав их доступными для всех.
Источник