Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Сколько энергии дает нам Солнце?

Каждый сходит с ума по-своему. У меня тоже имеется индивидуальная, запатентованная технология.

Недавно меня крайне заинтересовал вопрос: какую площадь имеет такая часть поверхности Солнца, которая излучает ровно столько энергии, сколько Земля получает от всего Солнца в целом? Как вам вопрос?

Поискав готовый ответ на просторах интернета, я ничего толкового не нашел. Зато приметил на нескольких форумах обсуждающийся похожий вопрос: какая доля всей излучаемой солнечной энергии достается Земле? И тут же во всех источниках дается приблизительно такое решение: доля солнечной радиации, которую получает Земля, равна отношению площади сечения Земли диаметральной плоскостью к площади сферы c радиусом, равным радиусу земной орбиты.

Ну что же, давайте проверять.


Для начала придется сделать несколько допущений. Во всех дальнейших расчетах мы будем предполагать, что: Земля и Солнце являются идеальными шарами; Земля обращается вокруг Солнца по круговой орбите; излучение исходит от Солнца и распределяется в пространстве равномерно. Решать задачу мы будем исключительно на геометрическом уровне и не будем брать в расчет, что некоторая часть излучения вовсе не доходит до Земли, поглощаясь и отражаясь по пути сначала космической пылью и газами, а затем и земной атмосферой.

Для расчетов возьмем справочные средние значения нужных нам величин.

Радиус Земли r1 = 6 371 км.

Расстояние от центра Земли до центра Солнца R = 149 597 870 км.

Искомая доля излучения = π(r1)2 / 4πR2 = 0,000000000453…

То есть Земля получает приблизительно одну двухмиллиардную часть от общего солнечного излучения.

Теперь вычисляем площадь такой части поверхности Солнца, которая выдает именно эту долю излучения. Очевидно, что она будет равна произведению площади поверхности всего Солнца на только что найденную долю.

Радиус Солнца r2 = 695 700 км.

Искомая площадь части поверхности:

S = 4π(r2)2 х 0,000000000453… = 2 757,771439343673… кв. километров.

Однако, выпив и рассудив трезво, я обнаружил, что такое решение нельзя назвать правильным. Если бы нам нужно было только оценить порядок этой величины, то можно было бы согласиться и с таким результатом. Но меня интересует точное решение, поэтому для его поиска придется немного пораскинуть мозгами. Хорошо бы заиметь какое-нибудь ненаглядное пособие.

Скажите мне, Киса, как художник – художнику: вы рисовать умеете? Нет? Я тоже. Но надо.

Рисовать мы будем на плоскости, а представлять нарисованное – в пространстве.

Рисуем Землю, рисуем Солнце. Рисуем, конечно, без соблюдения масштабов. Пунктирной линей разделяем Землю по диаметру. Для наглядности чертим круговую орбиту, по которой Земля обращается вокруг Солнца.

Проводим из центра Солнца касательные к окружности Земли (красные линии). Также проводим касательные между окружностями Земли и Солнца (синие линии).

Посмотрите, в каких точках красные касательные соприкасаются с Землей. Эти точки не совпадают с условными полюсами Земли, через которые проведена пунктирная линия.

А ведь в ранее рассмотренном алгоритме, который предлагают на различных сайтах и форумах, мы брали в расчет площадь сечения Земли, которое проходит через ее центр.

Теперь становится понятно, что приведенное выше решение является неверным.

Конечно же, невозможно провести из центра Солнца красные касательные к окружности Земли так, чтобы они коснулись Земли в точках условных полюсов. И чем ближе будут находиться друг к другу Земля и Солнце, или, чем больше будет отношение радиуса Земли к радиусу Солнца, тем дальше от полюсов будут отодвинуты точки, в которых красные касательные касаются Земли.

Теперь соединим отрезком точки пересечения красных касательных с поверхностью Солнца.

Этот отрезок отсекает часть Солнца. Перенеся построенную модель с плоскости в пространство, мы получим отсеченный от Солнца шаровой сегмент. Площадь его боковой (то есть выпуклой) поверхности, без учета площади основания, и будет равна той самой площади части Солнца, которую я ищу (вспомните мучивший меня вопрос).

Возможно, некоторый читатель воскликнет: не может быть! Ведь излучение исходит от Солнца не только перпендикулярно его поверхности! Солнце освещает Землю не только с части поверхности, ограниченной двумя красными касательными, но также и с других участков поверхности, что находятся между красными и синими касательными!

Конечно, это так. Но излучение, исходящее от Солнца с части поверхности, ограниченной двумя красными касательными, не всё идет на Землю, а частично уходит и в других направлениях. И если мы допускаем, что излучение исходит от Солнца и распределяется в пространстве равномерно, то становится очевидным, что количество излучения, исходящего от участков поверхности, находящихся между красными и синими касательными и направленного при этом на Землю, будет абсолютно равно количеству излучения, исходящему от части поверхности, ограниченной двумя красными касательными, но при этом не направленному в сторону Земли.

Следовательно, для вычисления нужной нам величины достаточно иметь только лишь рассмотренный выше отсеченный от Солнца шаровой сегмент. Если кто-то этого пока не понял, значит нужно поработать с более тщательным представлением модели сначала на плоскости, а потом и в пространстве.

Итак, мы будем искать площадь боковой (выпуклой) поверхности шарового сегмента, полученного отсечением части Солнца по точкам, где красные касательные пересекаются с его поверхностью.

Площадь боковой поверхности шарового сегмента:

S = 2πr2h, где r2 – радиус Солнца, h – высота шарового сегмента.

Теперь нам необходимо найти высоту шарового сегмента. Без тригонометрии здесь уже не обойтись. Проводим отрезки от центра Земли к точкам, в которых красные касательные касаются Земли. Соединяем отрезком центры Земли и Солнца.

Всем образующимся на нашей модели точкам даем имена.

Малюсенький отрезочек между точкой L и необозначенной точкой на поверхности Солнца – это и есть высота шарового сегмента, которую нам нужно найти. Точку на поверхности Солнца я не стал обозначать, чтобы она не сливалась с точкой L.

Но если увеличить картинку, то можно обозначить и вторую точку. Высота шарового сегмента равна длине отрезка NL.

Возвращаемся к предыдущей полной картинке, чтобы она была здесь, перед глазами.

Касательные, проведенные к окружности, всегда перпендикулярны радиусу, проведенному в точке касания.

Таким образом, мы имеем большой прямоугольный треугольник ACB и входящий в него маленький прямоугольный треугольник KLB. Углы ACB и KLB – прямые. Теперь нам нужно выяснить, чему равны острые углы треугольников.

Синус угла ABC будет равен отношению радиуса Земли к расстоянию между Землей и Солнцем.

sin (ABC) = AC / AB = 6 371 / 149 597 870 = 0,000042587504…

Зная синус угла ABC, определяем, что сам угол ABC = 0,002440084283… градуса.

Очевидно, что также и угол LBK = 0,002440084283… градуса.

Далее, угол LKB = 90 – 0,002440084283… = 89,997559915716… градусов.

Вычисляем длину отрезка LB, ведь нам теперь известны все углы и гипотенуза маленького треугольника, которая равна радиусу Солнца.

LB = KB х sin (LKB) = 695 699,999369105998… км.

Определяем высоту шарового сегмента:

NL = NB – LB = 0,000630894001… км, то есть всего около 63 сантиметров!

Площадь боковой поверхности шарового сегмента:

S = 2πr2h = 2 757,771440594113… кв. километров.

Это и есть та самая часть поверхности Солнца, которая излучает ровно столько энергии, сколько Земля получает от всего Солнца в целом. Сей участок сравним по площади с Москвой в её границах по состоянию на 2019 год.

Теперь сравним полученный результат с тем, что был найден ранее, при расчете по неверному алгоритму.

Было: 2 757,771439343673… кв. километров.

Стало: 2 757,771440594113… кв. километров.

Казалось бы, разница ничтожна: всего лишь в 1,25 квадратных метра! Однако, такая разница возникает не из-за округлений или погрешностей в расчетах, а из-за того, что Земля очень маленькая по сравнению с Солнцем, находится от него очень далеко, и красные касательные касаются Земли почти рядом с ее условными полюсами. На нашем рисунке, где масштабы не соблюдены, этого, конечно, не видно.

Но стоит нам изменить стартовые параметры, как разница в результатах будет более значительная.

Увеличим радиус Земли в 100 раз, до 637 100 км.

Уменьшим радиус Солнца в 100 раз, до 6 957 км.

Уменьшим расстояние от Земли до Солнца в 100 раз, до 1 495 978,70 км.

Подставим полученные значения в расчетные формулы и получим следующее.

При расчете по первому (неверному) алгоритму S = 27 577 714,3934… кв. километров.

При расчете по второму (моему) алгоритму S = 28 956 294,8228… кв. километров.

Как видите, разница стала более ощутимой.

Таким образом, мы убедились в том, что вести расчеты по первому принципу (делением площади сечения Земли диаметральной плоскостью на площадь сферы c радиусом, равным радиусу земной орбиты) нельзя.

И на десерт – несколько удивительных фактов о мощности Солнца.

Солнце излучает колоссальное количество радиации и теряет при этом свою массу: каждую секунду в результате термоядерных процессов 4,26 миллиона тонн солнечного вещества превращаются в лучистую энергию. Чтобы увезти такой груз на товарном поезде, понадобится 71 000 вагонов, в каждый из которых будет загружено 60 тонн. Длина такого состава будет равна 994 км.

Представьте себе, что мимо вас такой поезд проносится за одну секунду. 60 поездов в минуту. 3 600 поездов в час. И так постоянно: миллиарды лет в прошлом и миллиарды – в будущем. Вот с какой скоростью Солнце расходует свою массу! И тем не менее, для него это ничтожно мало и похудение Солнцу абсолютно не грозит: за один миллиард лет оно теряет таким образом всего лишь одну пятнадцатитысячную долю своей массы.

Полная мощность излучения Солнца составляет 3,83 х 10 (в 20 степени) МВт. Соответственно, плотность мощности излучения на его поверхности приблизительно равна 62,97 МВт на квадратный метр, чего достаточно для безостановочной постоянной работы в полную силу 10 000 бытовых электрических плит с четырьмя нагревательными элементами или 1 000 000 лампочек накаливания мощностью по 60 Вт каждая. На каждом квадратном метре!

За один год Солнце генерирует 33,57 х 10 (в 23 степени) МВт·час энергии. До верхних слоев атмосферы Земли доходит, как мы ранее установили, приблизительно одна двухмиллиардная часть, а именно 1,52 х 10 (в 15 степени) МВт·час. В среднем 53% излучения отражаются, рассеиваются и поглощаются атмосферой Земли, и только лишь 7,15 х 10 (в 14 степени) МВт·час достигает поверхности нашей планеты в течение одного года. Маловато будет?

Если всю эту энергию распределить равномерно во времени и по всей поверхности Земли, то на каждый квадратный метр придется всего лишь 0,16 кВт мощности (не стоит путать это значение с Солнечной постоянной – суммарной мощностью солнечного излучения, проходящего через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы, которая составляет 1,37 кВт на квадратный метр).

Полученной на поверхности Земли среднесуточной мощности 0,16 кВт на квадратный метр хватит, чтобы зажечь только лишь две с половиной лампочки. И тем не менее, в масштабах всей Земли эта энергия огромна.

Согласно справочным данным, мировое потребление всей энергии в 2008 году составило 143 000 000 ГВт·час (в это значение входит суммарно вся потребляемая человечеством и промышленностью энергия, получаемая на всех видах электростанций и от всех видов энергоресурсов и добываемого топлива). Так вот, суммарно солнечное излучение, достигшее поверхности Земли, приносит энергии в 5 000 раз больше, чем фактически расходуется во всем мире.

Для сравнения, самая мощная электростанция в России (Саяно-Шушенская ГЭС) имеет мощность 6 400 МВт, а годовая выработка электроэнергии на ней составляет 23 500 ГВт·час (так как станция работает приблизительно на 40 процентов от максимальной проектной мощности).

Количество фактически вырабатываемой станцией энергии меньше мирового потребления в 6 085 раз. Именно столько Саяно-Шушенских ГЭС потребовалось бы создать на нашей планете для обеспечения ее потребностей, если бы на Земле больше не было других электростанций и источников энергии. Выходит, что Солнце дает нам на поверхности Земли энергии в 30 425 000 раз больше, чем вырабатывает Саяно-Шушенская ГЭС!

Однако, использование человечеством энергии Солнца пока ничтожно мало. По состоянию на 2017 год, суммарная установленная электрическая мощность всех солнечных электростанций в России составляла всего 75,20 МВт, то есть 0,03% от мощности всех электростанций нашей страны, вместе взятых. В США и странах Европы солнечную энергию используют куда более активно, но все равно несоизмеримо меньше, чем другие виды энергоносителей.

Несмотря на то, что солнечная энергия бесплатна и экологически чиста, существуют факторы, сдерживающие развитие этого вида энергетики: фотоэлементы весьма дороги, а плотность потока солнечного излучения на поверхности Земли такова, что придется строить поистине гигантские сооружения для получения мощных электростанций.

Поскольку в среднем на один квадратный метр поверхности Земли приходится 0,16 кВт мощности солнечной энергии, то для построения солнечной электростанции такой же мощности, как и фактическая мощность Саяно-Шушенской ГЭС, необходимо будет всплошную укрыть фотоэлементами поле площадью 17 квадратных километров. И это при условии, что КПД таких солнечных батарей составит 100 процентов.

Но в реальности на сегодняшний день мы имеем средний КПД фотоустановок около 15-20 процентов. И тогда, с учетом такой производительности, чтобы перевести всю энергетику Земли на солнечную, под установку фотоэлементов потребуется выделение территории площадью около 600 000 кв. километров (при равномерном распределении электростанций по всей Земле, по разным ее широтам). Это сравнимо с площадью всей Украины (извините, но вместе с Крымом).

Поэтому строить такие электростанции целесообразно в районах с наибольшей инсоляцией – в широтах, близких к экватору, где реальное значение поступающей на поверхность Земли мощности в дневное время в ясную погоду может достигать 0,8-0,9 кВт на квадратный метр, что позволит более эффективно использовать энергию Солнца и сократить площадь необходимой для строительства территории.

Так сможем ли мы научиться эффективно использовать энергию Солнца и спасти Землю от экологической катастрофы, до которой остался один шаг? На этот вопрос я ответа уже найти не могу.

Буду рад видеть ваши вопросы, комментарии и замечания.

P.S. Эта статья – уникальный контент, который не был откуда-либо скопирован, а был создан автором с нуля. На подбор материалов, проверку фактов, математические расчеты, создание графики, написание статьи, редактирование, коррекцию, а также типографскую подготовку к публикации было затрачено около 60 часов времени. Если эта работа заинтересовала вас, вы можете отблагодарить автора, отослав ему посильную сумму на Яндекс Деньги 4100189981909.

Таблицы солнечной энергии и инсоляции в регионах России.
Астрахань, широта 46.4 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год
Горизонтальная панель 32,4 52,9 95,5 145,5 189,4 209,9 189,7 174,7 127.8 81.7 45.0 26.6 1371.1
Вертикальная панель 62.1 75.9 99.5 103.0 97.1 92.0 91.8 112.1 123.2 116.5 86.4 52.7 1112.2
Наклон панели 35.0° 56.1 77.9 122.5 161,6 187.8 197.7 184.5 189.9 164.6 124.7 80.2 46.9 1593.6
Вращение вокруг полярной оси 69.4 96.0 157.1 218.3 268.0 293.3 269.1 276,1 229 164,4 102,3 57,3 2200,2
Владивосток, широта 43.1 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год
Горизонтальная панель 72.7 93.2 130.0 135,1 143.9 129.2 124.3 124.8 119.1 94.3 64.6 57.8 1289.5
Вертикальная панель 177.0 166.0 139.2 90.2 74. 9 64.4 66.9 79.0 105.2 126.8 127.7 147.1 1364.2
Наклон панели — 50.0° 169.0 171.8 173.0 138.1 121.1 109.6 109.1 121.7 144.1 147.5 130.3 139.5 1681.3
Вращение вокруг полярной оси 194.9 211.1 227.0 189.3 178.9 150.6 142.8 164.3 194.2 184.0 151.9 157.6 2146.7
Москва,широта 55.7 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год
Горизонтальная панель 16.4 34.6 79.4 111.2 161.4 166.7 166.3 130.1 82.9 41.4 18.6 11.7 1020.7
Вертикальная панель 21.3 57.9 104.9 93.5 108.2 100.8 108.8 103.6 86.5 58.1 38.7 25.8 908.3
Наклон панели — 40.0° 20.6 53.0 108.4 127.6 166.3 163.0 167.7 145.0 104.6 60.7 34.8 22.0 1173.7
Вращение вокруг полярной оси 21.7 62.3 132.9 161.4 228.0 227.8 224.8 189.2 126.5 71.6 42.2 26.0 1514.3
Петрозаводск,широта 61 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год
Горизонтальная панель 7.1 19,9 66,7 101,1 141.0 167,1 157.7 109,6 56,5 23.0 8.2 2.4 860.0
Вертикальная панель 20.0 41.3 120.2 107.1 102,7 112.0 113,6 98,1 67,6 36 14.4 2.8 835,6
Наклон панели — 45.0° 16,8 36.9 116.4 127.7 148.1 166.3 163.7 128.6 77.3 36.7 13.5 2.8 1034,6
Вращение вокруг полярной оси 19.9 44.6 159.1 177.5 215.2 258.0 252.1 179.7 96.4 42.7 15.0 2.9 1463
Петропавловск-Камчатский,широта 53.3 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год
Горизонтальная панель 30.2 49.6 94.3 127.3 152.9 155.8 144.9 131.1 91.0 64.4 33.6 23.3 1098.4
Вертикальная панель 77.7 99.7 133.3 116.1 96.5 90.3 91.3 99.5 97.1 111.5 86.8 78.5 1178.3
Наклон панели » 50.0° 70.6 95.9 142.3 148.1 147.4 142.5 137.6 140.9 120.2 118.0 81.6 69.8 1414.9
Вращение вокруг полярной оси 80.2 114.5 181. 5 200.8 202.7 202.5 189.3 193.0 156.0 147.0 95.9 80.2 1843.6
Сочи, широта 43.6 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год
Горизонтальная панель 37.0 55.2 84.0 116.6 167.1 199.0 206.8 185.0 130.1 95.4 54.2 34.7 1365.1
Вертикальная панель 65.8 76.5 78.1 80.0 86.9 86.2 95.7 113.6 119.0 130.0 97.6 67.6 1099.9
Наклон панели — 35.0° 62.0 80.2 103.5 125.0 163.0 184.9 198.1 197.0 161.6 141.7 92.8 61.7 1571.4
Вращение вокруг полярной оси 76.0 99.1 129.9 160.1 222.1 269.3 289.0 284.0 222.0 185.8 117.2 75.6 2129.9
Южно-Сахалинск,широта 47 янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год
Горизонтальная панель 50.9 77.1 128.8 138.6 162.8 157.5 146.7 128.5 105.9 79.4 49.7 41.7 1267.5
Вертикальная панель 113.2 137.8 1.32.2 103.4 90.3 81.9 82.9 87.3 99.5 111.4 97.9 97.7 1265.5
Наклон панели 45.0° 102.2 132.7 175.4 149.1 153.7 142.2 136.6 131.5 130.4 124.2 94.8 87.2 1560.2
Вращение вокруг полярной оси 118.5 160.6 219.3 191.8 206.6 193.4 176.3 167.5 167.7 153.8 111.7 99.9 1966.9
СКОЛЬКО СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ПОПАДАЕТ НА ЗЕМЛЮ? — Мегаобучалка

Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли.

Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение.
Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов:

· широты

· местного климата

· сезона года

· угла наклона поверхности по отношению к Солнцу.

·

ВРЕМЯ И МЕСТО

Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит больше достигает поверхности.

Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0,8 кВт·ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт·ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору.

Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе, Средней Азии и Канаде - приблизительно 1000 кВт·ч/м2; в Средиземноморье - приблизительно 1700 кВт·ч /м2; в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт·ч/м2.



Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости от времени года и географического положения (см. таблицу). Этот фактор необходимо учитывать при использовании солнечной энергии.

Количество солнечной радиации в Европе и странах Карибского бассейна, кВт·ч/м2 в день.

  Южная Европа Центральная Европа Северная Европа Карибский регион
Январь 2,6 1,7 0,8 5,1
Февраль 3,9 3,2 1,5 5,6
Март 4,6 3,6 2,6 6,0
Апрель 5,9 4,7 3,4 6,2
Май 6,3 5,3 4,2 6,1
Июнь 6,9 5,9 5,0 5,9
Июль 7,5 6,0 4,4 6,0
Август 6,6 5,3 4,0 6,1
Сентябрь 5,5 4,4 3,3 5,7
Октябрь 4,5 3,3 2,1 5,3
Ноябрь 3,0 2,1 1,2 5,1
Декабрь 2,7 1,7 0,8 4,8
ГОД 5,0 3,9 2,8 5,7

ОБЛАКА

Количество солнечной радиации, достигающее поверхности Земли, зависит от различных атмосферных явлений и от положения Солнца как в течение дня, так и в течение года. Облака - основное атмосферное явление, определяющее количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. В любой точке Земли солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, уменьшается с увеличением облачности. Следовательно, страны с преобладающей облачной погодой получают меньше солнечной радиации, чем пустыни, где погода в основном безоблачная. На формирование облаков оказывает влияние наличие таких особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться. Например, горы могут получить меньше солнечного излучения, чем прилегающие предгорья и равнины. Ветры, дующие в сторону гор, вынуждают часть воздуха подниматься и, охлаждая влагу, находящуюся в воздухе, формируют облака. Количество солнечной радиации в прибрежных районах также может отличаться от показателей, зафиксированных в областях, расположенных внутри континента.

Количество солнечной энергии, поступающей в течение дня, в значительной степени зависит от местных атмосферных явлений. В полдень при ясном небе суммарное солнечное излучение, попадающее на горизонтальную поверхность, может достигнуть (например, в Центральной Европе) значения в 1000 Вт/м2 (при очень благоприятных погодных условиях этот показатель может быть выше), в то время, как при очень облачной погоде - ниже 100 Вт/м2 даже в полдень.

ЗАГРЯЗНЕНИЕ

Антропогенные и природные явления также могут ограничивать количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают возможность использования солнечной энергии, увеличивая рассеивание и поглощение солнечной радиации. То есть, эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.

ПОТЕНЦИАЛ

Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.

В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.

Количество солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, во много раз превышает ее расход даже в таких странах как США, где энергопотребление огромно. Если бы только 1% территории страны был использован для установки солнечного оборудования (фотоэлектрические батареи или солнечные системы для горячего водоснабжения), работающего с КПД 10%, то США были бы полностью обеспечены энергией. То же самое можно сказать и в отношении всех других развитых стран. Однако, в определенном смысле, это нереально - во-первых, из-за высокой стоимости фотоэлектрических систем, во-вторых, невозможно охватить такие большие территории солнечным оборудованием, не нанося вред экосистеме. Но сам принцип является верным. Можно охватить ту же самую территорию, рассредоточив установки на крышах зданий, на домах, по обочинам, на заранее определенных участках земли и т.д. К тому же, во многих странах уже более 1% земли отведено под добычу, преобразование, производство и транспортировку энергии. И, поскольку большая часть этой энергии является не возобновляемой в масштабе существования человечества, этот вид производства энергии намного более вреден для окружающей среды, чем солнечные системы.

Установите соответствие: количество солнечной энергии, достигшей поверхности Земли

Установите соответствие между высказыванием и страной, к которой оно относится
 с этим государством Россия имеет только морскую границу < Япония
 с этим государством Россия имеет только сухопутную границу < Китай
 Россия граничит с этой страной и по морю и по суше < Украина
 с этим государством Россия не имеет границ < Канада
Установите соответствие между горными системами и их высочайшими вершинами
 Кавказ < Эльбрус
 Алтай < Белуха
 Урал < Народная
 Восточный Саян < Мунку-Сардык
Установите соответствие между крайними точками России и их широтой и долготой
 мыс Дежнева < 169°40¢ з.д.
 Куршская коса < 19°38¢ в.д.
 гора Базардюзю < 41°11¢ с.ш.
 мыс Челюскин < 77°43¢ с.ш.
Установите соответствие между крайними точками России и их широтой или долготой
 мыс Флигели < 81°49¢ с.ш.
 остров Ратманова < 170° з.д.
 гора Базардюзю < 41°11¢ с.ш.
 Куршская коса < 19°38¢ в.д.
Установите соответствие между областями умеренного климатического пояса и территориями России, где они распространены
 умеренно континентальный климат < Восточно-Европейская равнина
 континентальный климат < Центр и Юг Западно-Сибирской равнины
 резко континентальный климат < Восток Среднесибирского плоскогорья
 муссонный климат < Юг Дальнего Востока
Установите соответствие между озерами и типами их котловин по происхождению
 Рыбинское < искусственное
 Онежское < ледниково-тектоническое
 Байкал < тектоническое
 Кроноцкое < вулканическое
Установите соответствие между озерами и типами их котловин по происхождению
 Телецкое < тектоническое
 Курильское < вулканическое
 Ладожское < ледниково-тектоническое
 Братское < искусственное
Установите соответствие между основными типами растительности России и растениями, которые для них характерны
 тундра < карликовая береза
 лес < пихта
 степь < ковыль
 пустыня < солянки
Установите соответствие между природными зонами России и животными, которые для них характерны
 тундра < лемминг
 тайга < бурундук
 степь < суслик
 пустыня < агама
Установите соответствие между типами почв и природными зонами
 глеевая < тундра
 подзолистая < тайга
 черноземная < степь
 серая лесная < широколиственный лес
Установите соответствие между типами почв и природными зонами
 каштановая < степь
 дерново-подзолистая < смешанный лес
 серо-бурая < пустыня
 серая лесная < широколиственный лес
Установите соответствие:
 количество солнечной энергии, достигшей поверхности Земли < Суммарная радиация
 излучение Солнцем тепла и света < Солнечная радиация
 атмосферный вихрь с повышенным давлением в центре < Антициклон
 атмосферный вихрь с пониженным давлением в центре < Циклон
Ученый - основатель почвоведения - это
(*ответ*) В.В.Докучаев
 М.В.Ломоносов
 А.И.Воейков
 В.А.Обручев

Энергетический потенциал солнечной энергии

4.1.1. Оценка валового энергетического ресурса (потенциала) солнечной энергии

 

Анализ факторов, влияющих на величину валового энергетического ресурса солнечной энергии.Энергия солнечной радиации, падающая на Землю, в 10000 раз превышает количество энергии, вырабатываемой человечеством. На мировом коммерческом рынке покупается и продается около 85∙103 млрд. кВт·ч энергии в год. Крайне сложно оценить, сколько некоммерческой энергии потребляет человечество. Некоторые эксперты считают, что некоммерческая составляющая близка к 20% от всей используемой энергии.

Потребление электроэнергии по России в целом в 2015 году составило 1,036∙103 млрд. кВт•ч. Российская Федерация обладает огромным валовым ресурсом использования солнечной энергии. Энергия суммарного годового солнечного излучения, попадающего на горизонтальную поверхность территории нашей страны составляет около 20,743∙106 млрд. кВт∙час/год, что превышает потребность в энергии примерно в 20000 раз.

Облучение земной поверхности солнечной радиацией, оказывающей световое, тепловое и бактерицидное воздействие, называют инсоляцией.

Инсоляция измеряется количеством энергии солнечного излучения, падающей на единицу горизонтальной поверхности в единицу времени.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м2 - солнечная постоянная.

Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря - 1020 Вт/м2. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики. Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Суммарное солнечное излучение в атмосфере Земли складывается из прямого и рассеянного излучений. Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от:

– географической широты местности,

– местного климата и времени года,

– плотности, влажности и степени загрязнения атмосферного воздуха,

– годового и суточного движения Земли,

– характера земной поверхности,

– от угла наклона поверхности, на которую попадает излучение, по отношению к Солнцу.

Атмосфера поглощает часть солнечной энергии. Чем больше длина пути солнечных лучей в атмосфере, тем меньше прямой солнечной энергии доходит до поверхности земли. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади. На Земле это происходит в районе экватора в зоне тропиков. По мере удаления от этой зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей растет и уменьшается угол их падения на земную поверхность. В результате:

увеличиваются потери энергии в атмосферном воздухе,

солнечное излучение распределяется на большую территорию,

уменьшая количество прямой энергии, попадающей на единицу площади, и

увеличивая долю рассеянного излучения.

Кроме того, от широты местности зависит и продолжительность дня в разные времена года, что также определяет величину солнечной радиации, поступающей на поверхность земли. Важным фактором, определяющим потенциала солнечной энергии, является продолжительность солнечного излучения в течение года[43] (рис. 4.1).

 

 

Рис. 4.1. Продолжительность солнечного сияния на территории России, час/год

 

Для высокоширотных территорий, где значительная часть зимнего времени приходится на полярную ночь, различие в поступлении радиации летом и зимой может быть достаточно велико. Так за Полярным кругом продолжительность солнечного сияния изменяется от 0 часов в декабре до 200 – 300 часов в июне и июле при годовой продолжительности около 1200 – 1600 часов. На севере страны количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, в зимнее время отличается от среднегодового значения менее чем на 0,8 кВт·ч/(м2×день), в летнее время - более чем на 4 кВт·ч /м2. Если в зимние месяцы уровни солнечной радиации в северных и южных регионах России сильно отличаются, то летние показатели инсоляции на этих территориях за счет длительного светового дня в северных широтах оказываются вполне соизмеримыми. Однако из-за более низкой годовой продолжительности солнечного сияния приполярные территории уступают по суммарной солнечной радиации районам средней полосы и юга соответственно в 1,3 и 1,7 раза.

 

Климатические условия в конкретной местности определяют продолжительность и уровень облачности в регионе, влажность и плотность воздуха. Облака - основное атмосферное явление, уменьшающее количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. На их формирование оказывает влияние такие особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться.

Характер земной поверхности и рельефа местности сказывается и на ее отражательной способности. Способность поверхности отражать радиацию называетсяальбедо (от латинского - белизна). Установлено, что альбедо земной поверхности изменяется в весьма широких пределах. Так, альбедо чистого снега равно 85-90 %, песка – 30-35%, чернозема – 5-14%, листьев зеленых – 20-25%, листьев желтых – 33-39%, водной поверхности при высоте Солнца 900 – 2%, водной поверхности при высоте Солнца 200 – 78 %. Отраженная радиация увеличивает составляющую рассеянного излучения.

Антропогенные и природные загрязнения атмосферы также могут ограничивать количество солнечной радиации, которое может попасть на земную поверхность. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают возможность использования солнечной энергии, увеличивая рассеивание и поглощение солнечной радиации. Эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.

Количество солнечной энергии, падающей на принимающую ее поверхность, изменяется и при изменении положения Солнца в течение суток в разные месяцы года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения солнечных лучей через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит, больше достигает поверхности. Кроме того, отклонение угла падения солнечных лучей на принимающую поверхность от 90о приводит к снижению количества попадающей на единицу площади энергии – эффект проекции. Влияние этого эффекта на уровень инсоляции можно увидеть на рисунке 4.2.

 
 

 

 

 

 

Рис. 4.2. Влияние изменения угла падения солнечных лучей на величину

инсоляции – эффект проекции

 

Один поток солнечной энергии шириной в 1 км падает на землю под углом 90 °, а другой той же ширины - под углом 30 °. Оба потока несут одинаковое количество энергии. В этом случае косой солнечный луч распространяет свою энергию на площадь в два раза большую, чем луч, перпендикулярный к принимающей поверхности, а, следовательно, на единицу площади в единицу времени будет поступать вдвое меньше энергии.

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию(поглощенная радиация), нагревается и сама излучает тепло в атмосферу(отраженная радиация). Нижние слои атмосферы в значительной мерс задерживают земное излучение. Поглощенная земной поверхностью радиация расходуется на нагрев почвы, воздуха, воды.

Та часть суммарной радиации, которая остается после отражения и теплового излучения земной поверхности, называется радиационным балансом. Радиационный баланс земной поверхности меняется в течение суток и по сезонам года.

 

Источники информации для оценки величины валового ресурса (потенциала) солнечной энергии. Информационной основой для оценки величины этого валового ресурса (потенциала) солнечной энергии являются данные измерений солнечной радиации в различных регионах страны с последующим делением территории региона на зоны с относительно однородным значением уровня инсоляции. Для этих целей необходимы данные, сформированные с использованием результатов актинометрических наблюдений, т.е. данные об интенсивности прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, о радиационном балансе и характере отражения излучения от земной поверхности (альбедо).

Учитывая резкое сокращение числа метеостанций, ведущих наземные актинометрические наблюдения на территории России, в 2014 году для оценки валового потенциала (ресурса) солнечной энергии использовалась[44] информация о распределении ресурсов энергии солнца базы данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE)[45] . Эта база формировалась на основе спутниковых измерений радиационного баланса земной поверхности, проводившихся в рамках программы World Climate Research Program’s International Satellite and Cloud Climatology Program (ISCCP) с июля 1983 года по июнь 2005 года. По их результатам с учетом характера отражения излучения от земной поверхности, состояния облачности, загрязнения атмосферы аэрозолями и других факторов рассчитаны значения месячных сумм солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, для сетки 1º×1º, покрывающей весь земной шар, включая и территорию Российской Федерации[46].

 

Расчет общей радиации, падающей на наклонную поверхность, с заданным углом ориентации.При оценке потенциала необходимо иметь возможность определять величину общей радиации, попадающей в определенное время на наклонную поверхность, ориентированную по отношению к поверхности земли под интересующим нас углом .

Прежде, чем приступить к описанию методики расчета общей радиации, следует ввести основные понятия, связанные оценкой солнечной радиации.

Рассмотрение будет производиться в горизонтальной системе координат.В этой системе начало координат помещается в точке нахождения наблюдателя на поверхности земли. В качестве основной плоскости выступает горизонтальная плоскость - плоскость математического горизонта. Одной координатой в этой системе является либо высота солнца α, либо его зенитное расстояние z. Другой координатой является азимут а.

Математи́ческий горизо́нт — большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии в точке нахождения наблюдателя.

Математический горизонт не совпадает с видимым горизонтом вследствие неровности поверхности Земли, различной высотой точек наблюдения, а также искривления лучей света в атмосфере.

Зенитный угол Солнца z- это угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной плоскости в точке наблюдения А.

Угол высоты Солнца α - это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Сумма α+z равна 90°.

Азимут Солнца а - это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг.

Азимут поверхности ап измеряется как угол между нормалью к рассматриваемой поверхности и направлением на юг.

Рис.

 

Угол склонение Солнца - это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение Солнца в течение года непрерывно изменяется - от -23°27' в день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27' в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).

Местное истинное солнечное время – это время, определяемое в месте нахождения наблюдателя видимым положением Солнца на небесной сфере. 12 часов по местному солнечному времени соответствует времени, когда Солнце находится в зените (выше всего на небе).

Местное время обычно отличается от местного солнечного времени из-за наличия эксцентриситета земной орбиты, использования людьми временных зон и искусственных временных смещений для экономии энергии.

Небесный экватор – это большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира (ось вращения земли) и совпадает с плоскостью земного экватора.

Небесный экватор делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное полушарие, с вершиной в северном полюсе мира, и южное полушарие, с вершиной в южном полюсе мира.

Небесный меридиан — большой круг небесной сферы, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира (ось вращения земли).

Часовой угол - угловое расстояние, измеренное вдоль небесного экватора на запад от небесного меридиана (той его части, которую солнце пересекает в момент верхней кульминации) до часового круга, проходящего через избранную точку на небесной сфере.

Часовой угол является результатом перевода местного солнечного времени в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Так как Земля поворачивается на 150 за один час (360о/24 часа), то за каждый час после полудня Солнце проходит 150. Утром угол солнца отрицательный, вечером - положительный.

 

В качестве исходной информации для расчета общей радиации используется значения следующих показателей, полученных путем статистической обработки данных наблюдений:

– среднемесячное количество общей солнечной радиации, падающей на горизонтальную площадку в течение суток, ;

– среднемесячное количество рассеянной (диффузной) солнечной радиации, падающей на горизонтальную площадку в течение суток, ;

– альбедо поверхности земли - среднемесячное отношение количества солнечной радиации, отраженной поверхностью земли, к количеству общей солнечной радиации, падающей на поверхность земли (т.е. доля радиации отраженной поверхностью земли), доля.

Все дальнейшие расчеты проводятся для «среднего дня месяца», т.е. дня, у которого угол склонения Солнца наиболее близок к среднемесячному углу [Klein, 1977].

 

Таблица

Месяц День месяца Месяц День месяца
Январь Июль
Февраль Август
Март Сентябрь
Апрель Октябрь
Май Ноябрь
Июнь Декабрь

 

Солнечная радиация на горизонтальную поверхность.С использованием этой информации производится расчет значений общей ( и рассеянной ( ) солнечных радиаций, падающих на горизонтальную поверхность за t-й час наблюдения:

,

где

[Collares-Pereira and Rabl, 1979] и [Lui and Jordan, 1960] – коэффициенты перехода от суточных радиаций к часовым - определяются следующим образом:

где

– часовой угол в t-й расчетный час суток, град.;

– часовой угол захода солнца (заката), град.

Часовой угол солнца рассчитывается с использованием соотношения

где

– время солнечного полдня, информацию о котором можно найти в Базе Данных NASA, час.

Часовой угол захода солнцаоценивается как

где

– широта, град.;

– угол склонения солнца, град.

Угол склонения Солнцаопределяют по следующей формуле[47]

где

– день года (от 1 до 365).

 

Солнечная радиация на произвольно-ориентированную наклонную поверхность.Расчет часовых значений общей солнечной радиации, падающей на ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность, производится следующим образом

где

– угол падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность в t-й час, град.;

– зенитный угол Солнца в t -й час, град.;

– угол наклона поверхности к горизонту, град.;

Зенитный угол Солнца

где

Угол падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность:

где

– азимутальный угол Солнца в t-й час суток, град.;

– азимут наклонной поверхности, град.

 

Расчет угла падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность можно произвести и с использованием следующих соотношений:

где

Рассмотренные выше соотношения могут быть использованы для оценки энергетического потенциала солнца с дифференциацией на часовые (или трехчасовые) интервалы суток.

Валовый электроэнергетический ресурс (потенциал) солнечной энергии. Для оценки валового электроэнергетического ресурса энергии солнца на территории нашей страны использовались среднемесячные дневные значения суммарной солнечной радиации, падающей на 1 м2 горизонтальной плоскости (кВт·ч/(м2∙день)). На основе этой информации с дифференциацией по субъектам федерации оценено среднее количество солнечной радиации в млн. кВт∙ч, попадающей на 1 квадратный километр территории в течение года (или в кВт∙ч /(м2∙год))[48] рис. 4.3.

 

Рис. 4.3. Распределение годовых ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации с детализацией по субъектам федерации

 

 

На карте каждому субъекту федерации поставлен в соответствие его код.

Список субъектов федерации с указанием их кодов с дифференциацией по федеральным округам России представлен ниже. С учетом специфики оценки энергетического потенциала ВИЭ города Москва и Санкт-Петербург объедены с Московской и Ленинградской областями соответственно с присвоением объединенной территории кода области. Субъекты федерации с большой протяженности с Севера на Юг могут быть разделены на части: Север, Центр, Юг.

1. Центральный ФО: (31) Белгородская область, (32) Брянская область, (33) Владимирская область, (36) Воронежская область, (37) Ивановская область, (40) Калужская область, (44) Костромская область, (46) Курская область, (48) Липецкая область, (50) Московская область и Москва, (57) Орловская область, (62) Рязанская область, (67) Смоленская область, (68) Тамбовская область, (69) Тверская область, (71) Тульская область, (76) Ярославская область.

2. Северо-Западный ФО: (10) Республика Карелия, (11) Республика Коми, (29) Архангельская область, (35) Вологодская область, (39) Калининградская область, (47) Ленинградская область и Санкт-Петербург, (51) Мурманская область, (53) Новгородская область, (60) Псковская область, (83) Ненецкий АОк.

3. Южный ФО: (1) Республика Адыгея, (8) Республика Калмыкия, (23) Краснодарский край, (30) Астраханская область, (34) Волгоградская область, (61) Ростовская область, (91) Республика Крым и Севастополь.

4. Северо-Кавказский ФО: (5) Республика Дагестан, (6) Республики Ингушетия, (7) Республика Кабардино-Балкария, (9) Республика Карачаево-Черкесия, (15) Республика Северная Осетия-Алания, (20) Чеченская республика, (26) Ставропольский край.

5. Приволжский ФО: (2) Республика Башкортостан, (12) Республика Марий Эл, (13) Республика Мордовия, (16) Республика Татарстан, (18) Республика Удмуртия, (21) Республика Чувашия, (43) Кировская область, (52) Нижегородская область, (56) Оренбургская область, (58) Пензенская область, (59) Пермский край, (63) Самарская область, (64) Саратовская область, (73) Ульяновская область.

6. Уральский ФО: (45) Курганская область, (66) Свердловская область, (72) Тюменская область, (74) Челябинская область, (86) Ханты-Мансийский Аок-Югра, (89) Ямало-Ненецкий АОк.

7. Сибирский ФО: (3) Республика Бурятия, (4) Республика Алтай, (17) Республика Тыва, (19) Республика Хакасия, (22) Алтайский край, (24) Красноярский край (24-1. Север, 24-2. Центр, 24-3. Юг), (38) Иркутская область (38-1. Север, 38-2. Юг), (42) Кемеровская область, (54) Новосибирская область, (55) Омская область, (70) Томская область, (75) Забайкальский край.

8. Дальневосточный ФО: (14) Республика Саха (Якутия) (14-1. Север, 14-2. Центр, 14-3. Юг), (25) Приморский край, (27) Хабаровский край, (27-1. Север, 27-2. Юг), (28) Амурская область, (41) Камчатский край, (49) Магаданская область, (65) Сахалинская область, (79) Еврейская АО, (87) Чукотский АОк.

Бытующее мнение о том, что Россия, расположенная преимущественно в средних и высоких широтах, не располагает значительными ресурсами солнечной энергии для ее эффективного энергетического использования, не соответствует действительности. На изображенной ниже карте[49] (рис.4.4) приведено среднегодовое распределение ресурсов энергии солнечной радиации по территории России, поступающей в среднем за день на 1 площадки южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту (для каждой географической точки это свой угол, при котором суммарное за год поступление энергии солнечной радиации на единичную площадку максимально).

Рис.4.4. Распределение годовых среднедневных поступлений солнечной

радиации по территории России, кВт×час/(м2×день) (оптимально

ориентированная поверхность южной ориентации)

 

Рассмотрение представленной карты показывает, что в сегодняшних границах России наиболее "солнечными" являются не районы Северного Кавказа, как предполагают многие, а регионы Приморья и юга Сибири (4,5-5 кВт×час/(м2×день) и выше). Интересно, что известные черноморские курорты (Сочи и др.), по среднегодовому поступлению солнечной радиации (с точки зрения природного потенциала и ресурса солнечной инсоляции) относятся к той же зоне, что и большая часть Сибири, включая Якутию (4,0-4,5 кВт×час/(м2×день)).

Для энергетически плохо обеспеченных районов с децентрализованным энергоснабжением важным является тот факт, что более 60 % территории страны, в том числе и многие северные регионы, характеризуются среднегодовым дневным поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт×час/(м2×день), что не отличается от юга Германии, широко использующего солнечные установки.

Анализ карты свидетельствует, что в Российской Федерации наибольшая интенсивность инсоляции от 4,5 до 5,0 кВт×час/м2 и более в день наблюдается в Приморье, на юге Сибири, на юге Республики Тыва и Республики Бурятия, и даже за Полярным Кругом в восточной части Северной Земли, а не в южных районах страны. По солнечному потенциалу, 4,0 - 4,5 кВт×час/(м2×день), Краснодарский край, Ростовская область, южная часть Поволжья, большая часть Сибири (включая Якутию), южные районы Новосибирской, Иркутской областей, Бурятия, Тыва, Хакассия, Приморский и Хабаровский край, Амурская область, остров Сахалин, обширные территории от Красноярского края до Магадана, Северная Земля, северо-восток Ямало-Ненецкого АО относятся к той же зоне, что и Северный Кавказ с известными российскими черноморскими курортами. Для Нижнего Новгорода, Москвы, Санкт-Петербурга, Салехарда, восточной части Чукотки и Камчатки характерна средняя солнечная радиация от 2,5 до 3 кВт×час/м2 в день. На остальной территории страны преобладает интенсивность инсоляции от 3 до 4 кВт×час/м2 в день.

Наибольшую интенсивность поток энергии имеет в мае, июне и июле. В этот период в средней полосе России на 1 кв. метр поверхности приходится 5 кВт×час в день. Наименьшая интенсивность в декабре-январе, когда 1 кв. метр поверхности приходится 0,7 кВт×час в день.

Учитывая сложившуюся ситуацию, на карте Украины (рис. 4.3) можно проанализировать уровень солнечной радиации на территории Крыма[50].

Рис. 4.3. Распределение годовых поступлений солнечной радиации по

территории Украины, кВт×час/(м2×год) (оптимально ориентированная

поверхность южной ориентации)

 

Валовый теплоэнергетический ресурс солнечной энергии. Валовой теплоэнергетический ресурс (потенциал) задает максимальное количество тепловой энергии, соответствующее энергии поступающего на территорию России солнечного излучения.

Информацией для оценки этого ресурса может служить инсоляция в мега- или килокалориях на единицу площади принимающей излучение поверхности в единицу времени.

Рисунок 4.4 дает представление о распределении суммарная солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории Российской Федерации в килокалориях на 1 см2 в год.

Рис.4.4. Распределение годовых поступлений солнечной радиации по

территории России, ккал/(см2×год)

 

Комплексное районирование территории России по потенциалу солнечной радиации можно увидеть на рисунке 4.6. Выделено 10 зон по приоритету потенциала использования. Очевидно, что наиболее благоприятными условиями для практического использования энергии солнца обладают южные районы европейской части, юг Забайкалья и Дальнего Востока.

 

 

Рис. 19. Районирование территории России по потенциалу солнечной

радиации (цифра в кружке – номер по приоритету потенциала)

Значения валовых энергетических потенциалов солнечной энергии с дифференциацией по федеральным округам Российской Федерации.

 

Таблица

№ п/п Федеральный округ Электроэнергетический потенциал, млрд. кВт∙ч/год Теплоэнергетический потенциал, млрд. Гкал/год Топливный потенциал, млн. тут/год
Центральный
Северо-Западный
Южный ФО
Северо-Кавказский
Приволжский
Уральский
Сибирский
Дальневосточный
Итого Россия в целом

 

 
 

 

 

При оценке технического потенциала солнечной электроэнергетики были использованы показатели наиболее распространенных (90%) в то время фотоэлектрических элементов на кремниевой основе с КПД 15%. Рабочая площадь солнечных установок с учетом плотности размещения фотоэлементов в фотоэлектрических модулях принималась равной 0,1 % от площади однородной по уровню радиации территории рассматриваемого региона. Технический потенциал рассчитывался в тоннах условного топлива как произведение валового солнечного потенциала территории на долю площади, занимаемой фотоэлементами, и их КПД.

Определение технического теплоэнергетического потенциала региона ориентировано на технические возможности преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию на наиболее эффективных установках солнечного горячего водоснабжения. Оценка технического потенциала проводилась на основе данных о теплопроизводительности таких установок на каждом из участков с однородным уровнем инсоляции и принятых допущениях: о занимаемой солнечными коллекторами площади, равной 1 % от площади рассматриваемой территории, соотношении между площадями тепловых и электрических установок – 0,8 и 0,2 соответственно и КПД топливного устройства - 0,7. Перевод в тонны условного топлива осуществлялся с помощью коэффициента 0,34 т.у.т./ кВт×час.

Наиболее объективным из известных показателей, характеризующих возможность практического использования ресурсов солнечной энергетики, принято считать показатель ее экономического потенциала. Экономическая целесообразность и масштабы применения электрических и тепловых солнечных установок должны определяться исходя из их конкурентоспособности с традиционными источниками энергии. Отсутствие нужного количества необходимой и достоверной информации явилось причиной использования для оценки величины экономического потенциала упрощенных методов, ориентированных на мнения квалифицированных экспертов.

В соответствии с экспертными оценками, экономический потенциал солнечной электроэнергетики был принят равным 0,05% от годового потребления электрической энергии в рассматриваемом регионе (по данным Росстата) с переводом его в тонны условного топлива.

 

При известной интенсивности солнечной радиации общий энергетический потенциал солнечной радиации может быть исчислен в тоннах условного топлива, киловатт-часах, гигакалориях. Учитывая использование в солнечной энергетике фотоэлектрических элементов для получения электрической энергии и солнечных коллекторов для выработки тепла, общий технический и экономический потенциал в соответствии с рассмотренной выше методикой делят на электроэнергетический и теплоэнергетический (табл. 9).

Таблица 9




на что влияет и как определяется.

На земле существует большое количество альтернативных источников энергии, каждый из которых имеет свои особенности при использовании. И одним из самых экологичных является энергия солнечного света. На самом деле ею человечество пользуется из самых 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 эту энергию 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, который сегодня 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».

Интересное: Солнечное отопление своего дома.
Отопление дома энергией солнца.
Солнечные батареи для отопления дома.
Солнечные батареи в квартиру.

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.

Влияние атмосферы на солнечное излучение.

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, солнце находиться над ней, 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, при повышенной облачности эта цифра будет уменьшаться до 2 и более раз.

Интересное: Солнечная энергия — свет, вода, будущее.
Солнечная батарея – альтернативный источник энергии.
Солнечная электростанция.

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 этот показатель не важен, потому что интенсивность освещения во всех точках пространства примерно равна. Но между двумя этими разновидностями имеется существенное отличие, заключающееся 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 и 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.

Влияние атмосферы на солнечное излучение.

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.

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, которые должны использоваться при расчете генератора. К ним относятся:

  • Уровень освещенности или мощность солнечного излучения на квадратный метр. Под ним подразумевается усредненное значение солнечного излучения, измеряемого 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, которая 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.
  • Солнечная мощность – величина энергии, рассчитанная за сутки (24 часа). Этот показатель рассчитывается как соотношение общей энергии за день к 24 часам.
Размещение панелей.

Установка солнечных батарей.

В наших климатических условиях, когда интенсивность солнечной энергии изменяется с течением дня, очень важно предусмотреть систему автоматической коррекции положения панелей.

Необходимо, чтобы лучи падали на приемные элементы перпендикулярно, тем самым 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 получается, что 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.

Интересное:

Перейдет ли человечество на солнечную энергетику?
Отечественный лидер в производстве фотокристаллов.

Можно пойти и простым путем, ориентировать солнечную батарею в одной плоскости под определенным углом. Например, для Москвы, которая расположена на 56 градусах широты, угол наклона к горизонту составит, соответственно, 56 градусов или отклонения от вертикали на 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 требуется много энергии, что снижает количество полезной энергии.

Выбор фотоэлектрической системы для построения солнечного генератора.

Для построения действительно качественного солнечного генератора необходимо учесть следующие данные:

  • Среднее значение коэффициента полезного действия имеющихся в продаже солнечных панелей. У кремниевых батарей он лежит в пределах от 12 до 17% 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 с преобразованием в целое число.
  • Пиковая мощность – измеряется в безоблачный солнечный день и равна произведению КПД и величине «Стандартного солнца» (1 кВт).
  • 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 час. Определяется как соотношение суммарной усредненной энергии к 24 часам. Для панелей из кристаллического кремния эта величина равна 0.6-0.85 кВт/м кв., для пленочного кремния – 0.4-0.6 кВт/м кв.
  • Общая энергия – количество мощности, выработанной панелью за год эксплуатации, и 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, так как 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.

Солнце дает в 10 больше энергии, чем думают многие

Освещенность (усредненная мощность солнечного излучения, измеренная в верхней атмосфере Земли перпендикулярно солнечным лучам): 1366 Вт на квадратный метр (или 1361, в соответствии с НАСА). Этот показатель называется «солнечная постоянная».

«Стандартное солнце» (пиковая мощность излучения, которая достигает поверхности Земли на уровне моря в районе экватора в безоблачный полдень): 1000 Вт/м2, или 1 кВт/м2. Максимально 1020 Вт/м2.

1       

        Интенсивность. В средних широтах в дневное время летнее значение потока солнечного излучения достигает 800 Вт/м2, снижаясь зимой до 250-300 Вт/м2. Разумеется, ночью этот показатель равен нулю. 2
          Все цифры приведены для поверхностей, оптимально расположенных относительно солнца (перпендикулярно лучам) в соответствии с широтой. Для горизонтальных поверхностей вы получите меньше солнечного света: чем дальше от экватора, тем ниже плотность солнечной энергии.

Инсоляция (среднее количество часов «стандартного солнца» на протяжении суток): от 4–5 солнечных часов в средней полосе, до 5–7 часов на юге. Инсоляция часто указывается в кВт·ч, численно вытекая из значения «стандартного солнца» в 1 кВт.
3
             Солнечная мощность, усредненная за весь день: Wattsaverag = (энергия за день)/24. Для инсоляции в 5 кВт·ч мощность, усредненная за весь день – 5000 Вт/24 = 208 Вт/м2. Обратите внимание на этот расчет. Из него видно, что солнечной энергии в пасмурные и холодные, зимние дни явно не хватает, поэтому даже солнечному био-вегетарию требуется резервные источники энергии.

4
          До Земли доходит: ультрафиолетовое излучение 9%, видимое излучение 45 %, инфракрасное (тепловое) излучение 46 % интенсивности. Причины ослабления солнечного света в атмосфере: инфракрасное излучение поглощается парами воды, ультрафиолетовое – озоном, видимое излучение – молекулами газов, пыли, аэрозолями (включая облака).

Солнечная радиация на поверхности Земли

Перейти к основному содержанию
  • Меню
  • Инструкции
  • 1. Введение
    • 1. Введение
    • Введение
    • Солнечная энергия
    • Парниковый эффект
  • 2. Свойства солнечного света
    • 2. Свойства солнечного света
    • 2.1. Основы света
    • Свойства света
    • Энергия фотона
    • Поток фотонов
    • Спектральное излучение
    • Плотность мощности излучения
    • 2.2. Излучение черного тела
    • 2.3. Солнечная радиация
    • Солнце
    • Солнечная радиация в космосе
    • 2.4. Земное солнечное излучение
    • Солнечное излучение за пределами атмосферы Земли
    • Атмосферные эффекты
    • Воздушная масса
    • Движение Солнца
    • Солнечное время
    • Угол наклона
    • Угол возвышения
    • Позиция Солнца
    • Угол Солнца
    • 000000 Калькулятор
    • Положение Солнца на высокой точности
    • Солнечная радиация на наклонной поверхности
    • Произвольная ориентация и наклон
    • 2.5. Данные солнечной радиации
    • Расчет солнечной инсоляции
    • Измерение солнечной радиации
    • Анализ наборов данных солнечной радиации
    • Типичные данные метеорологического года (TMY)
    • Использование данных TMY
    • Среднее значение солнечной радиации
    • контур Isoflux Графики
    • Sunshine Hour Data
    • Данные облачного покрова
    • Спутниковое излучение
  • 3. Полупроводники и соединения
    • 3. Полупроводники и соединения
    • Введение
    • 3.1. Основы
    • Полупроводниковые материалы
    • Полупроводниковая структура
    • Проводимость в полупроводниках
    • Зазор в полосе
    • Собственная концентрация носителей
    • Допинг
    • Равновесная концентрация носителей
    • 3.2. Поколение
    • Поглощение света
    • Коэффициент поглощения
    • Глубина поглощения
    • Скорость генерации
    • 3.3. Рекомбинация
    • Типы рекомбинации
    • Срок службы
    • Длина диффузии
    • Поверхностная рекомбинация
    • 3.4. Транспорт несущей
    • Движение несущих в полупроводниках
    • Диффузия
    • Дрифт
    • 3.5. P-n-переходы
    • Формирование PN-перехода
    • P-N-переходов
    • Смещение PN-переходов
    • Уравнение диода
    • 3.6. Диодные уравнения для PV
    • Определение идеального диодного уравнения
    • Основные уравнения
    • Применение основных уравнений к PN-переходу
    • Решение для области истощения
.
солнечной энергии | Описание, использование и факты

Солнечная энергия , излучение Солнца, способное производить тепло, вызывать химические реакции или генерировать электричество. Общее количество солнечной энергии, падающей на Землю, значительно превышает текущие и ожидаемые мировые потребности в энергии. При надлежащем использовании этот сильно рассеянный источник способен удовлетворить все будущие потребности в энергии. Ожидается, что в XXI веке солнечная энергия будет становиться все более привлекательной в качестве возобновляемого источника энергии из-за ее неисчерпаемого запаса и ее неагрессивного характера, что резко контрастирует с конечными ископаемыми видами топлива - углем, нефтью и природным газом.

Солнечные панели Массив солнечных батарей на крыше. © flucas / Fotolia

Британика Викторина

Астрономическая и космическая викторина

Какой из этих объектов находится дальше всего от Солнца?

Солнце является чрезвычайно мощным источником энергии, и солнечный свет, безусловно, является крупнейшим источником энергии, получаемой Землей, но его интенсивность на поверхности Земли на самом деле довольно низкая.Это в основном из-за огромного радиального распространения излучения от далекого Солнца. Относительно незначительные дополнительные потери связаны с атмосферой и облаками Земли, которые поглощают или рассеивают до 54 процентов поступающего солнечного света. Солнечный свет, который достигает земли, состоит из почти 50 процентов видимого света, 45 процентов инфракрасного излучения и меньшего количества ультрафиолета и других форм электромагнитного излучения.

солнечная энергия Отражение и поглощение солнечной энергии.Хотя часть входящего солнечного света отражается от атмосферы и поверхности Земли, большая часть поглощается поверхностью, которая нагревается. © Merriam-Webster Inc.

Потенциал солнечной энергии огромен, поскольку примерно в 200 000 раз общая ежедневная мощность выработки электроэнергии в мире ежедневно получает Земля в виде солнечной энергии. К сожалению, хотя сама солнечная энергия является бесплатной, высокая стоимость ее сбора, преобразования и хранения все еще ограничивает ее использование во многих местах.Солнечное излучение может быть преобразовано либо в тепловую энергию (тепло), либо в электрическую энергию, хотя первое легче осуществить.

потенциал солнечной энергии потенциал фотоэлектрической энергии Земли. Encyclopædia Britannica, Inc./Kenny Chmielewski

Тепловая энергия

Среди наиболее распространенных устройств для сбора солнечной энергии и ее преобразования в тепловую энергию являются плоские коллекторы, которые используются для солнечного отопления. Поскольку интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли очень мала, площадь этих коллекторов должна быть большой.Например, даже в солнечных частях умеренных регионов мира коллектор должен иметь площадь около 40 квадратных метров (430 квадратных футов), чтобы собрать достаточно энергии для удовлетворения потребностей в энергии одного человека.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Наиболее широко используемые плоские коллекторы состоят из почерневшей металлической пластины, покрытой одним или двумя листами стекла, которая нагревается от падающего на нее солнечного света. Это тепло затем передается воздуху или воде, называемым несущими жидкостями, которые проходят через заднюю часть пластины.Тепло может быть использовано напрямую, или оно может быть передано на другую среду для хранения. Плоские коллекторы обычно используются для солнечных водонагревателей и отопления домов. Хранение тепла для использования ночью или в облачные дни обычно достигается с помощью изолированных резервуаров для хранения воды, нагретой в солнечные периоды. Такая система может снабжать дом горячей водой, взятой из резервуара для хранения, или, когда нагретая вода течет по трубам в полах и потолках, она может обеспечивать обогрев помещения.Плоские коллекторы обычно нагревают жидкости-носители до температур от 66 до 93 ° C (от 150 до 200 ° F). Эффективность таких коллекторов (то есть доля получаемой энергии, которую они преобразуют в полезную энергию) колеблется от 20 до 80 процентов, в зависимости от конструкции коллектора.

солнечное отопление Крыша здания с плоскими коллекторами, которые улавливают солнечную энергию для нагрева воздуха или воды. Алан Мак

Еще один метод преобразования тепловой энергии находится в солнечных прудах, которые представляют собой массивы соленой воды, предназначенные для сбора и хранения солнечной энергии.Тепло, извлекаемое из таких прудов, позволяет производить химикаты, продукты питания, текстиль и другие промышленные товары, а также может использоваться для обогрева теплиц, бассейнов и животноводческих помещений. Солнечные пруды иногда используются для производства электроэнергии за счет использования органического двигателя цикла Ренкина, относительно эффективного и экономичного средства преобразования солнечной энергии, что особенно полезно в отдаленных местах. Солнечные пруды довольно дороги в установке и обслуживании и обычно ограничены теплыми сельскими районами.

В меньших масштабах можно использовать энергию Солнца для приготовления пищи в специально разработанных солнечных печах. Солнечные печи, как правило, концентрируют солнечный свет от широкой области до центральной точки, где сосуд с черной поверхностью превращает солнечный свет в тепло. Печи, как правило, переносные и не требуют других видов топлива.

Печь на солнечной энергии Печь на солнечной энергии в Потала Палас, Лхаса, Тибет. © Елена Слепицкая / Dreamstime.com .

Солнечная энергия и водный цикл

Часть A: Солнечная энергия и водный цикл

Чтобы начать исследование энергетического баланса Земли, вы начнете с углубленного изучения знакомого процесса, известного как водный цикл. Водоснабжение Земли рециркулируется в непрерывном процессе, известном как вода, или гидрологический гидрологический цикл : процесс испарения, вертикального и горизонтального переноса пара, конденсации, осадков и потока воды с континентов в океаны.цикл. Молекулы воды непрерывно перемещаются от места к месту в этом цикле. Водный цикл важен для погоды и климата и, в конечном счете, для всей жизни на Земле.

Водный цикл обусловлен прежде всего энергией солнца. Эта солнечная энергия управляет циклом, испаряя воду из океанов, озер, рек и даже почвы. Другая вода перемещается из растений в атмосферу через процесс транспирации. Когда жидкая вода испаряется или протекает, она образует водяной пар и облака, где капли воды в конечном итоге набирают массу, достаточную для падения на Землю в виде осадков.Затем осадки превращаются в стоки или грунтовые воды и проходят через различные периоды времени обратно в поверхностные резервуары. Водный цикл, по сути, представляет собой замкнутую систему, что означает, что объем воды, который находится в гидросфере сегодня, является таким же количеством воды, которое всегда присутствовало в системе Земли.

Начните эту лабораторную работу, наблюдая следующую короткую анимацию НАСА, демонстрирующую путь одной молекулы воды через круговорот воды. Наблюдая за анимацией, составьте список и отследите все места, где путешествует молекула.Примечание. В анимации НАСА описание водных резервуаров, таких как подземные водоносные горизонты и водоносные горизонты : подземные водные резервуары, которые образуются в пространствах и трещинах между камнями, песком или гравием, где вода перемещается относительно легко, было упрощено. чтобы показать пути молекулы.

Для просмотра этого видео включите JavaScript и рассмотрите возможность обновления до веб-браузера, который поддерживает HTML5 видео

Предоставлено NASA / Центр космических полетов Годдарда Источник: NASA

Нажмите Анимация круговорота воды, чтобы просмотреть анимацию в новом окне.


Как обсуждалось ранее, водный цикл не только перераспределяет воду вокруг Земли, но также поглощает и перераспределяет солнечную энергию между точками. Скрытый нагрев Скрытый нагрев: энергия, необходимая для перехода вещества в более высокое состояние вещества (твердое вещество в жидкость или жидкое вещество в газ). Эта же энергия высвобождается из вещества при изменении состояния (газ в жидкость или жидкость в твердое вещество). атмосферы Земли происходит, поскольку энергия, прежде всего от солнца, заставляет жидкую воду переходить в другую фазу.Когда это происходит, жидкая вода поглощает энергию, заставляя ее испаряться и образовывать водяной пар. Процесс испарения поглощает огромное количество поступающей солнечной энергии. В процессе скрытого нагрева энергия передается в атмосферу, когда водяной пар конденсируется во время образования облаков. Например, подумайте о том, как лужа после дождя защищает тротуар до тех пор, пока он полностью не высохнет на солнце. Поступающая солнечная радиация используется для управления процессом испарения.Как только вода ушла, тротуар начинает поглощать солнечную радиацию и нагреваться. Если вы дотронетесь до тротуара босыми ногами, вы почувствуете это ощутимого тепла ощутимого тепла: избыточную радиационную энергию, которая перешла с поверхности Земли в атмосферу через процессы адвекции, проводимости и конвекции ..

Второй механизм перераспределения Тепловая энергия - это процесс конвекции , конвекция : передача тепловой энергии за счет движения нагретого материала из одного места в другое., которая является движущей силой погоды. Вместе эти два процесса составляют значительную часть радиационного баланса Земли. В общей сложности энергия покидает поверхность Земли в результате трех процессов: испарения и конденсации (или скрытого нагрева и охлаждения), конвекции и излучения теплового инфракрасного излучения. Из этих трех процессов 25 процентов энергии, которая покидает поверхность Земли, происходит за счет испарения и конденсации. Еще пять процентов оставляет поверхность через конвекцию.По завершении следующей лабораторной работы обратите внимание на признаки этих двух важных процессов теплопередачи.

Обзор:

В этой лаборатории вы создадите физическую модель гидрологического или водного цикла.

Материалы, необходимые для этой лаборатории включают в себя:

  • Аквариум или обувная коробка из прозрачного стекла или пластика
  • Крышка для аквариума или обувной коробки, может быть куском картона или полиэтиленовой пленки
  • Резиновые ленты для удержания пластиковой пленки на месте, если она используется.Подсказка: свяжите несколько более коротких резиновых полос, чтобы сделать одну большую.
  • Мешок на молнии или кварта размером с песок, гравий или грунт
  • Теплая вода
  • Синий пищевой краситель (по желанию)
  • Крышка баночки или маленькая миска
  • Лед
  • Маленькая изолированная чашка или сумка на молнии для льда
  • Источник света: яркий солнечный свет или лампа (40-60 Вт). Если используется лампа, лучше всего подойдет настольная лампа или лампа с зажимом.
Инструкции по лабораторной работе
  1. water cycle sketch [creative commons]

    Происхождение: Бетси Янгман
    Повторное использование: Этот товар предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях, если вы предоставляете атрибуцию и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.

    Установите оборудование, как показано на рисунке справа или на рисунке ниже. На изображении ниже, установка была изменена, чтобы включить небольшую крышку банки, чтобы поймать осадки. Обратите внимание, что пластиковая крышка «крышки» контейнера свободно лежит на коробке и удерживается на месте с помощью резиновых лент. Сумка на молнии была заменена изолированной чашке.
    simple water cycle set up [creative commons]

    Происхождение: Бетси Янгман
    Повторное использование: Этот товар предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете использовать этот элемент бесплатно за исключением в коммерческих целях, если вы предоставляете атрибуцию и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.


  2. Вырежьте отверстие, достаточно большое, чтобы установить изолированную чашку в «крышку» вашего аквариума или чистую пластиковую коробку для обуви.Или, если вы используете пластиковую упаковку, вы можете просто положить лед в пакет и положить его прямо на крышку пластиковой упаковки.
  3. Добавьте достаточно воды, чтобы наполнить емкость водой на глубину 2-5 см. Дополнительно: добавьте несколько капель пищевого красителя, чтобы было легче видеть воду.
  4. Поместите мешок с песком или гравием в один конец аквариума. Песок / гравий должен быть выше уровня воды.
  5. Добавьте небольшую крышку банки или миску в «зону земли» на вершине песка и подо льдом.
  6. Заполните чашку или пакет на молнии льдом и поместите его в отверстие в крышке (если используется картон) или поверх пластиковой упаковки.
  7. Поместите сфокусированную лампу, например настольную лампу, чтобы она нагревала воду на другом конце аквариума или коробки. Если крышка коробки чиста, просветите свет через крышку; иначе направьте его на воду через аквариум.
  8. Включите лампу или поставьте прибор на солнце и наблюдайте за круговоротом воды.

После того, как вы закончите эту лабораторную работу, ответьте на вопросы , и «Остановитесь и подумайте» ниже.

Обсудить

После того, как вы создали свою модель водного цикла, оцените ее эффективность и обоснованность. Какие части круговорота воды были четко продемонстрированы в этой лаборатории, а какие не были хорошо представлены? Как вы можете задокументировать и поделиться своей демонстрацией с другими студентами? Нарисуйте эскиз вашей модели круговорота воды и добавьте слова, чтобы описать процессы, происходящие в модели.


Остановись и подумай

  1. Свяжите каждую часть вашей модели с диаграммой круговорота воды в правом верхнем углу этой страницы.Например, лампа представляла солнце. Какие еще процессы системы Земли были продемонстрированы в этой лаборатории?
  2. Каким был источник энергии для круговорота воды?
  3. Как водный цикл "переносит" энергию?
  4. Что, по-вашему, произойдет, если вы добавите вторую или даже третью лампу?
  5. Опишите, что, по вашему мнению, произойдет, если вы оставите круговорот воды в обувной коробке в темноте на несколько часов.

Дополнительное расширение
Дополнительную справочную информацию о круговороте воды и погоде можно найти по следующим ссылкам:
Крошечные изменения солнечной активности влияют на климат Земли

Исследователи утверждают, что даже небольшие изменения в солнечной активности могут оказывать значительное влияние на климат Земли.

Солнце является постоянной звездой по сравнению со многими другими в галактике. Некоторые звезды резко пульсируют, сильно различаясь по размеру и яркости и даже взрываясь. Для сравнения, солнце изменяется по количеству света, которое оно излучает, всего на 0,1 процента в течение относительно стабильного 11-летнего периода, известного как солнечный цикл.

Тем не менее, «свет, достигающий верхних слоев земной атмосферы, дает примерно в 2500 раз больше энергии, чем общее количество всех других источников вместе взятых», - сказал SPACE.com физик по солнечной энергии Грег Копп из Университета Колорадо. Таким образом, Копп объяснил, что даже 0,1 процента количества света, излучаемого солнцем, превышает все другие источники энергии, которые атмосфера Земли видит в совокупности, такие как радиоактивность, естественным образом излучаемая ядром Земли.

Чтобы узнать больше о том, как такие крошечные изменения в солнечной энергии могут повлиять на земной климат, Национальный исследовательский совет (NRC) собрал десятки экспертов во многих областях, таких как физика плазмы, солнечная активность, химия атмосферы, динамика жидкости и физика энергетических частиц. ,

Роль Солнца в климате Земли

Многие из предположений ученых, что эти колебания солнечной активности могут повлиять на Землю, были сложными по своей природе. Например, солнечные энергетические частицы и космические лучи могут снизить уровень озона в стратосфере. Это, в свою очередь, изменяет поведение атмосферы под ним, возможно, даже отталкивая штормы на поверхности от курса. [Гнев Солнца: худшие солнечные бури когда-либо]

«В нижней стратосфере присутствие озона вызывает локальное потепление из-за разрушения молекул озона ультрафиолетовым светом», - сказал SPACE ученый-климатолог Джерри Норт из Техасского университета A & M.ком.

Когда озон удаляется, "стратосфера там становится холоднее, увеличивая температурный контраст между тропиками и полярной областью. Контраст температур в стратосфере и верхней тропосфере приводит к нестабильности атмосферного потока с запада на восток. нестабильности создают вихри или нерегулярные движения ".

Эти вихри питают силу струйных потоков, в конечном итоге изменяя потоки в верхней тропосфере, слое атмосферы, ближайшем к поверхности Земли.«Географическое положение струй на высоте может изменить распределение штормов в средних широтах», - сказал Норт. «Таким образом, Солнце может сыграть определенную роль в такого рода процессах. Я должен сказать, что это будет очень сложный механизм для доказательства в климатических моделях. Это не значит, что его может не существовать - просто трудно доказать».

Кроме того, специалист по климату Джеральд Мил из Национального центра атмосферных исследований и его коллеги предполагают, что изменчивость Солнца накладывает определенный отпечаток на климат, особенно в Тихом океане.

Когда исследователи смотрят на данные о температуре поверхности моря в годы пика солнечных пятен, в тропической части Тихого океана наблюдается очень похожая картина, ожидаемая для La Ni - a, циклическое охлаждение Тихого океана, которое регулярно влияет на климат во всем мире, с пиками солнечных пятен годы привели к охлаждению почти на 1 градус Цельсия (1,8 градуса по Фаренгейту) в экваториальной восточной части Тихого океана. Кроме того, пики в цикле солнечных пятен были связаны с увеличением количества осадков в ряде районов земного шара, а также с превышением нормального уровня моря в средних широтах северной и южной части Тихого океана.

«Тихоокеанский регион особенно чувствителен к небольшим колебаниям пассатов», - сказал Мейл. Солнечная активность может влиять на процессы, связанные с силой пассата.

Ученые также часто размышляли о том, был ли «Минимум Маундера», 70-летняя нехватка солнечных пятен в конце 17-го - начале 18-го века, связан с самой холодной частью Малого ледникового периода, в течение которого Европа и Северная Америка испытывали ожесточенные переживания. холодные зимы. Это региональное охлаждение может быть связано с падением ультрафиолетового излучения Солнца.Фактически, солнце в настоящее время может находиться на пороге миниатюрной версии минимума Маундера, поскольку текущий солнечный цикл является самым слабым за последние 50 лет.

«Если Солнце действительно вступает в незнакомую фазу солнечного цикла, тогда мы должны удвоить наши усилия, чтобы понять связь между солнцем и климатом», - сказала исследователь Лика Гухатхакурта из программы НАСА «Жизнь со звездой», которая помогла финансировать исследование NRC. ,

Хотя солнце является основным источником тепла для Земли, исследователи отмечают, что солнечная изменчивость может иметь больше регионального эффекта, чем глобального.Таким образом, солнечная изменчивость не является причиной глобального потепления, наблюдаемого в последнее время.

«Несмотря на то, что солнце является доминирующим источником энергии для нашей климатической системы, не думайте, что оно является причиной многих недавних изменений климата. Оно довольно стабильно», - сказал Копп. «Думайте об этом как о 800-фунтовой горилле в климате - она ​​имеет вес, чтобы вызывать огромные изменения, но, к счастью для нас, она довольно лениво. Хотя солнечные изменения исторически вызывали изменения климата, солнце, скорее всего, ответственно за менее чем 15 процентов глобального повышения температуры мы наблюдали за последнее столетие, в течение которого антропогенные изменения, такие как увеличение парниковых газов, вызвали большую часть потепления.«

Слежение за солнцем

В будущем исследователи предположили, что для лучшего понимания того, как солнечная изменчивость может повлиять на Землю, будущая космическая обсерватория может включать в себя радиометрический томограф. Такое устройство может по существу наносить на карту поверхность Солнца и раскрыть вклад каждого из его поверхностных элементов в яркость солнца

Солнечный диск усеян темными пятнами и яркими магнитными областями, известными как факелы. Солнечные пятна имеют тенденцию исчезать во время низких точек в солнечном цикле, и радиометрический томограф может помочь выявить связи между длительной безупречностью на солнце и климатом Земли.

Древние сигналы климата, такие как годичные кольца и ледяные ядра, могут также помочь пролить свет на связь между солнцем и климатом. Поскольку изменения в магнитном поле Земли и атмосферной циркуляции могут нарушить это свидетельство на Земле, лучшая долгосрочная запись солнечной радиации может находиться в скалах и отложениях Луны или Марса, добавили исследователи.

Ученые подробно изложили свои выводы 8 января в докладе «Влияние изменчивости Солнца на климат Земли», выпущенном Национальным исследовательским советом.

Следите за SPACE.com в Твиттере @Spacedotcom . Мы также на Facebook и Google+ .

,

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о