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

Мощность солнечного излучения – на что влияет и как определяется.

0 Comments

Содержание

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.

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.

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.

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.

ekobatarei.ru

Солнечные установки

Солнце – это вечный и абсолютно бесплатный источник энергии для всех жителей Земли. Издавна энергию солнца использовали не только опосредовано, т.е. выращивание урожая, сжигание дров и прочее, но и напрямую – загорать на солнце или высушивать все необходимое (вещи, рыбу, грибы).

Сегодня также используют бесплатную энергию солнца, сооружая на даче летний душ, парники, теплицы. Но заметим, что данный вид тепла используется в этих сооружениях непосредственно, то есть на небольшой срок, поскольку уже утром в теплице не будет жарко, а душ в баке станет вовсе холодным. Поэтому предлагаем Вам рассмотреть более универсальные и практичные устройства.

Солнечная энергия

Параметры солнечного излучения

Вначале стоит оценить потенциальную энергетическую возможность солнечного излучения, поскольку самая эффективная удельная мощность у поверхности Земли. Поэтому распределяется эта мощность по разным диапазонам излучения.

Мощность солнечного излучения

Когда Солнце находится в зените, его мощность излучения составляет примерно 1350 Вт/м2. Если провести простой расчет, то видно, что для получения мощности 10 кВт нужно собрать солнечное излучение с площади 7,5 м2, при условии, что это ясный полдень в тропиках высокого в горах, потому что там атмосфера разрежена и кристально прозрачная. Когда Солнце начинает уходить на горизонт, то путь солнечных лучей сквозь атмосферу значительно увеличивается. Следовательно, возрастают потери.  Если в атмосфере есть пыль или пары воды, то такая потеря энергии увеличивается в несколько раз. Но следует заметить, что даже в средней полосе в летний полдень на один квадратный метр солнечной энергии приходится 1 кВт, при условии если площадь ориентирована перпендикулярно солнечным лучам.

Незначительная облачность достаточно резко уменьшает энергию, которая достигает поверхности, особенно если эта поверхность находится в инфракрасном диапазоне. Несмотря на это, некая часть энергии проникает сквозь туч. При таких условиях (облачность в средней полосе в полдень) мощность солнечного излучения достигает 100 Вт/м2, в некоторых случаях эта цифра может уменьшаться. Подведем итог: для получения 10 кВт необходимо собрать энергию уже не с 7,5 м2 поверхности, а со 100 м2.

Ниже приведена таблица, в которой показаны средние данные по энергии солнечного излучения для городов России. Данные указаны с учетом климатических условий, частоти и силы облачности на единицу горизонтальной поверхности.

Город месячный минимум (декабрь) месячный максимум (июнь или июль) суммарно за год
Архангельск 4 МДж / м2 (1.1 кВт·ч / м2) 575 МДж / м2 (159.7 кВт·ч / м2) 3.06 ГДж / м2 (850 кВт·ч / м2)
Астрахань 95.8 МДж / м2 (26.6 кВт·ч / м2) 755.6 МДж / м2 (209.9 кВт·ч / м2) 4.94 ГДж / м2 (1371 кВт·ч / м2)
Владивосток 208.1 МДж / м2 (57.8 кВт·ч / м2) 518.0 МДж / м2 (143.9 кВт·ч / м2) 4.64 ГДж / м2 (1289.5 кВт·ч / м2)
Екатеринбург 46 МДж / м2 (12.8 кВт·ч / м2) 615 МДж / м2 (170.8 кВт·ч / м2) 3.76 ГДж / м2 (1045 кВт·ч / м2)
Москва 42.1 МДж / м2 (11.7 кВт·ч / м2) 600.1 МДж / м2 (166.7 кВт·ч / м2) 3.67 ГДж / м2 (1020.7 кВт·ч / м2)
Новосибирск 56 МДж / м2 (15.6 кВт·ч / м2) 638 МДж / м2 (177.2 кВт·ч / м2) 4.00 ГДж / м2 (1110 кВт·ч / м2)
Омск 56 МДж / м2 (15.6 кВт·ч / м2) 640 МДж / м2 (177.8 кВт·ч / м2) 4.01 ГДж / м2 (1113 кВт·ч / м2)
Петрозаводск 8.6 МДж / м2 (2.4 кВт·ч / м2) 601.6 МДж / м2 (167.1 кВт·ч / м2) 3.10 ГДж / м2 (860.0 кВт·ч / м2)
Петропавловск-Камчатский 83.9 МДж / м2 (23.3 кВт·ч / м2) 560.9 МДж / м2 (155.8 кВт·ч / м2) 3.95 ГДж / м2 (1098.4 кВт·ч / м2)
Ростов-на-Дону 80 МДж / м2 (22.2 кВт·ч / м2) 678 МДж / м2 (188.3 кВт·ч / м2) 4.60 ГДж / м2 (1278 кВт·ч / м2)
Санкт-Петербург 8 МДж / м2 (2.2 кВт·ч / м2) 578 МДж / м2 (160.6 кВт·ч / м2) 3.02 ГДж / м2 (840 кВт·ч / м2)
Сочи 124.9 МДж / м2 (34.7 кВт·ч / м2) 744.5 МДж / м2 (206.8 кВт·ч / м2) 4.91 ГДж / м2 (1365.1 кВт·ч / м2)
Южно-Сахалинск 150.1 МДж / м2 (41.7 кВт·ч / м2) 586.1 МДж / м2 (162.8 кВт·ч / м2) 4.56 ГДж / м2 (1267.5 кВт·ч / м2)

Если поместить неподвижную панель под необходимым углом наклона, а не горизонтально, то эффективность сбора солнечных лучей увеличивается в 1,2-1,4 раза. Если данная панель будет поворачиваться за Солнцем, то эта цифра увеличится в 1,4-1,8 раз.

Прямое и рассеянное солнечное излучение

Существует два вида излучения: рассеянное и прямое. Для эффективного сбора прямых солнечных лучей панель необходимо ориентировать перпендикулярно к потоку солнечного света. Для восприятия рассеянного излучения потоки собираются практически со всего небосвода, ведь именно таким образом освещается поверхность земли в пасмурные дни.

При соотношении прямого и рассеянного излучения основная зависимость начинается от погодных условий в различные поры года. В Москве зима достаточно пасмурная, поэтому в январе процент рассеянного излучения составляет более 90% от общей инсоляции. Летом рассеянное излучение в Москве составляет половину от общей солнечной энергии, которая достигает земной поверхности. А вот в Баку доля рассеянного излучения составляет 19-23% независимо от поры года.

Распределение энергии в солнечном спектре

Солнечный спектр представляется практически непрерывным в очень широком диапазоне частот, который колеблется от низкочастотного до сверхвысокочастотного рентгеновского. Собирать такие разные виды излучения достаточно трудно, обычно это реально сделать только теоретически, но делать этого и не стоит. В различных частотных диапазонах Солнце излучает энергию с разной силой, а также не вся энергия, которую излучило Солнце, достигается поверхности Земли, некоторые участки спектра поглощаются разнообразными компонентами, такими как озон, пары воды углекислый газ.

Поэтому достаточно просто определить необходимый диапазон частот, где проходит набольший поток солнечного излучения у поверхности Земли и эффективно их использовать. Обычно солнечное и космическое излучение разделяется не по частоте, а по длине волны. Ниже приведена картинка, где показано как распределяется зависимость энергии от длины волны для солнечного излучения.

Интенсивность солнечного излучения (Н1), которое падает на поверхность Земли, зависит от длины волны. Области, которые заштрихованы, отвечают участкам спектра, которые не наблюдаются на уровне моря из-за поглощения указанных компонентов атмосферы.

1 — солнечное излучение за границей атмосферы, 2 — солнечное излучение на уровне моря, 3 — излучение абсолютно черного тела при 5900 К. Данная информация взята их Справочника по геофизике и космическому пространству. Под ред. С.Л.Валлея и МакГроу-Хилла, Нью-Йорк, 1965).

Диапазон видимого света является участок с волнами длиной от 380 нм (темно-фиолетовый), до 760 нм (темно-красный). Показатели, которые обладают меньшей длиной волны, обладают более высокой энергией фотонов и разделены на ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-дипазоны излучения. Несмотря на высокую энергию фотонов, их количество не такое уж и большое, именно поэтому энергетический вклад такого участка спектра намного меньший. Чем длиннее волна, тем меньшей энергией фотонов и их можно разделить на разные диапазоны:

  • инфракрасный диапазон
  • разнообразные участки радиодиапазона.

По графику видно, что Солнце излучает практически одинаковое количество энергии в инфракрасном и видимом диапазоне, а в радиочастотном такое излучение достаточно мало.

Из этого следует, что с энергетической точки зрения видимых и инфракрасных частотных диапазонов будет достаточно, также в этот список можно отнести ближнее ультрафиолетовое излучение, которое составляет до 300 нм. Наибольшая доля солнечной энергии достигает поверхности Земли с длиной волн, составляющих от 300 до 1800 нм.

arsolar.ru

Параметры солнечного излучения и радиации

Энергоэффективность – эффективное (рациональное) использование энергетических ресурсов – достижение экономически оправданной эффективности использования топливоэнергетических ресурсов при существующем уровне развития техники и технологии и соблюдении требований к охране окружающей среды.

Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к затраченной энергии, полученной системой.

Возобновляемые источники энергии – означают неископаемые источники энергии (ветер, солнечная энергия, геотермальная, энергия волн, приливы, гидроэнергия, биомасса, газ из органических отходов, газ установок по обработке сточных вод и биогазы) (Директива 2003/54/ЕС).

Человечество потребляет энергию, в подавляющем большинстве, полученную при сжигании традиционных ископаемых углеводородов, с каждым годом все больше. Но суммарное количество этой потребляемой энергии составляет всего около 0,0125 % доли процента от энергии возобновляемых источников, имеющихся на планете Земля, главная из которых – энергия Солнца [1]. Задача в том, как научиться эффективно использовать эти ресурсы.

Кроме того, энергия возобновляемых источников экологически чистая энергия.

Последние десятилетия постоянно поднимается вопрос о снижении странами выбросов в атмосферу парниковых газов, влияющих, по мнению ряда ученых, на потепление климата планеты и выживание человечества [2, 3]. Теплоэнергетика, наряду с другими отраслями, вносит большой вклад в накопление парниковых газов, поскольку именно при сжигании ископаемого топлива в котлах коммунального хозяйства и индивидуальных домов, происходит выброс диоксида углерода. Применение, при решении вопросов теплоснабжения, высокоэффективных технологий, возобновляемых источников энергии, позволит сохранить планету.

В мире сложная экономическая ситуация. Экономика многих стран-лидеров благосостояния стагнирует, либо развивается очень низкими темпами. В такие периоды мирового развития актуальным становится вопрос экономии энергоресурсов. Отопление и потребление горячей воды – значительные статьи расходов бюджетов, как индивидуальных домовладельцев, так и государств (к примеру, Россия), исторически взявших на себя затраты на поддержание функционирования систем жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ). Снижение стоимости киловатта тепловой энергии, доставленной конечному потребителю – одна из важнейших экономических задач, стоящей перед техническими и фундаментальными науками.

Тепловой солнечный коллектор (ТСК) – устройство для сбора тепловой энергии Солнца, переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением.

Инсоляция – облучение поверхности или пространства параллельным пучком лучей, поступающих с направления, в котором виден в данный момент центр солнечного диска.

Фактическая инсоляция всегда зависит от ориентации и конфигурации освещаемого солнцем объекта.

Единицей измерения потока солнечной энергии в системе СИ является ватт на квадратный метр (Вт/м2). При среднем расстоянии от Земли до Солнца – 150 миллионов километров – плотность энергии солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, составляет в среднем 1,367 кВт/м2. На рис. 1 представлена интенсивность падающего на Землю солнечного излучения в зависимости от длины волны.

Рис. 1. Интенсивность падающего на Землю солнечного излучения в зависимости от длины волны

Солнечная радиация – энергетическая освещенность (облученность или поверхностная плотность потока излучения), создаваемая электромагнитным излучением, поступающим от Солнца, атмосферы и земной поверхности, единицы измерения:

мгновенное значение в кВт/м2, часовые и суточные суммы в МДж/м2.Тепловая энергия солнца – излучение солнечной радиации в диапазоне частот 350–1100 нм.

Суммарное солнечное излучение – прямое и рассеянное солнечное излучение, поступающее на горизонтальную поверхность. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м2, часовые и суточные суммы в МДж/м2.

Прямое солнечное излучение – энергетическая освещенность, поступающая на деятельную поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от диска Солнца. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м2, часовые и суточные суммы в МДж/м2.

Рассеянное солнечное излучение – энергетическая освещенность, поступающая на земную поверхность со всего небесного свода под действием атмосферных и оптических факторов, за исключением действия прямого солнечного излучения. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м2, часовые и суточные суммы в МДж/м2.

Отраженное солнечное излучение (применительно к ТСК) – энергетическая освещенность, создаваемая направленным солнечным излучением, отраженным от поверхности отражателя на поверхность ТСК. Единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м2, часовые и суточные суммы в МДж/м2.

В пасмурные дни прямая солнечная радиация отсутствует и нагрев солнечных коллекторов зависит только от рассеянного солнечного излучения. Прямое солнечное излучение отсутствует, если в дневное время, предметы не дают тени. В средней полосе России осень и зима пасмурные и доля рассеянной энергии в эти периоды времени составляет до 90 % от общей солнечной энергии. Соотношение всех видов энергий солнечного излучения сильно зависят от климатических и географических данных. Эти показатели представлены во многих изданиях, большинство из которых относятся к периоду образования СССР, например [4, 5]. Одним из важнейших вопросов эффективной работы ТСК является их правильного расположение относительно солнца. Конструкции солнечных коллекторов могут быть стационарными, ориентированными на положение солнца в определенный момент времени, или оснащенными механизмами, способными отслеживать его движение.

Солнечный треккер – это устройство, позволяющее следить за движением солнца по небосводу, и перемещать СК в положение, в котором поглощение солнечных лучей происходит наиболее эффективно. Использование этих устройств позволило бы значительно увеличить эффективность работы гелиосистемы.

Но далеко не всегда используются такие устройства. Причина этому их стоимость и необходимость в квалифицированном техническом обслуживании. Большинство ТСК, применяемых для индивидуальных и децентрализированных объектов строительства, являются стационарными, ориентированными на фиксированное положение Солнца, конструкциями. Их расположение определяется формой крыши или опорной рамы. Очень важно правильно выбрать направление на Солнце и угол наклона фиксированных солнечных панелей.

Для оптимальной ориентации коллекторов, необходимо знать основные угловые параметры вращения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси (широта места установки φ, часовой угол ω, угол солнечного склонения δ, угол наклона к горизонту β, азимут α). Их схема представлена на рис. 2.

Широта места φ – одна из географических координат: дуга меридиана между экватором и параллелью данного места, или угол между плоскостью экватора и отвесной линией в данном месте земной поверхности. Изменяется от 0 до 90°; от экватора до Северного полюса – северная широта, от экватора до Южного полюса – южная широта.

Рис. 2. Основные и дополнительные углы движения Солнца: а – схема кажущегося движения солнца по небосводу; б – углы, определяющие положение точки А на земной поверхности относительно солнечных лучей

Часовой угол Солнца (ω) – угол между меридианом данного пункта наблюдений и кругом склонения светила; или дуга экватора между плоскостями меридиана и круга склонения. Величина (ω) отсчитывается от меридиана к западу. Часовой угол (ω) переводит местное солнечное время в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Земля поворачивается на 15° за один час. Утром угол направления Солнца отрицательный, вечером – положительный.

Необходимо помнить о разнице директивного времени часовых поясов и реального астрономического солнечного времени. К примеру, в Москве в январе эта разница составляет 2298 секунд, в Краснодаре 1964 секунды, Екатеринбурге – 3971 секунды. Во Владивостоке – 4339 секунды. Это отличие астрономического и директивного времени надо учитывать при установке солнечных коллекторов. Значение астрономического времени места вычисляется по формулам, но сейчас легко найти различные автоматические калькуляторы, где нужно только ввести искомое место и происходит автоматический

расчет астрономического времени, директивного и разницы между ними. К примеру. такой ресурс на time. satmaps. info,  dateandtime. info/ru/citysunrisesunset. php?id=524901, продолжительность светового дня для любого места в любое время planetcalc. ru/300/.

В Москве, продолжительность светового дня меняется от 7 до 17 часов 30 минут, следовательно, Солнце перемещается за это время по дуге около 105 градусов зимой и 260 градусов летом.

Угол склонения Солнца (δ) зависит от вращения Земли вокруг Солнца, поскольку орбита вращения имеет эллиптическую форму и сама ось вращения тоже наклонена, то угол меняется в течение года от значения 23,45° до –23,45°. Угол склонения становится равным нулю два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия.

Склонение солнца для конкретно выбранного дня определяется по формуле:

(1)

где n – порядковый номер дня в году, отсчитанный от 1-го января.

Наклон к горизонту (β) образуется между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью.

Азимут (α) характеризует отклонение поглощающей плоскости коллектора от южного направления, при ориентировании солнечного коллектора точно на юг азимут = 0°.

Вопросы эффективного расположения солнечных тепловых коллекторов в зависимости от периода эксплуатации в течение года и другие вопросы проектирования солнечных тепловых коллекторов будут рассмотрены в других разделах учебного пособия.

По данным института АЕЕ INTEC, на конец 2012 г. в мире установлено 383 млн квадратных метров солнечных тепловых установок общей тепловой мощностью 268,1 ЕВт с годовой выработкой тепловой энергии 225 ТВт·ч [6]. С каждым годом эти показатели только возрастают. К сожалению, в России общая площадь солнечных тепловых установок оценивается в 30 тыс. м2 [7].

По удельной тепловой мощности гелиоустановок на 1000 человек первое место занимает Кипр (542 кВт, площадью 774 м2), второе – Австрия (406 кВт, 580 м2), третье – Израиль (400 кВт, 571 м2). На сегодняшний день большинство гелиоустановок построены в Китае – на площади 217,4 млн м2 (152,2 ЕВт), или 64,9 % от общемирового использования этих установок. В Европе – 56,1 млн м2 (39,3 ЕВт), или 16,7 % [7].

Исследования, проведенные лабораторией возобновляемых источников энергии Института высоких температур РАН, позволили создать «Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России» [8]. Согласно данным, представленным в этой работе, более 60 % территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт·ч/м2 в день, а регионы Приморья и юга Сибири от 4,5 до 5,0 кВт·ч/м2 в день, что не сильно отличается от аналогичных показателей центральной Европы (5,0–5,5 кВт·ч/м2 в день).

Карта распределения суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность (угол равен широте) для территории России, представлена на рис. 3 [8].

В табл. 1 приведены усреднённые данные по среднемесячной энергии солнечного излучения (инсоляции) для некоторых городов с учётом климатических условий (частоты и силы облачности) для неподвижных панелей, ориентированных на юг под разными углами наклона, и для систем, отслеживающих движение Солнца. Инсоляция измерялась на открытом пространстве.

Таблица 1. Среднемесячные значения солнечного излучения и долей рассеянной солнечной радиации для ряда городов Российской Федерации, Республики Белорусь, Казахстана [4]

Наклон панели к горизонтусуммарно по месяцам, Дж / м2 (кВт·ч / м2)сум-марно за год
январьфевральмартапрельмайиюньиюльавгустсентябрьоктябрьноябрьдекабрь
Российская Федерация
Архангельск0° (гор.)12·10661·106207·106356·106494·106575·106565·106385·106186·10671·10620·1064·1062,94·109 (816)
Астрахань

46,4°с.ш.

0° (гор.)117·106 (32,4)190·106 (52,9)344·106 (95,5)524·106 (145,5)682·106 (189,4)756·106 (209,9)683·106 (189,7)629·106 (174,7)460·106 (127,8)294·106 (81,7)162·106 (45,0)96·106 (26,6)4,94·109 (1371,1)
35°202·106 (56,1)280·106 (77,9)441·106 (122,5582·106 (161,6)676·106 (187,8)712·106 (197,7)664·106 (184,5)684·106 (189,9)593·106 (164,6)449·106 (124,7)289·106 (80,2)169·106 (46,9)5,74·109 (1593,6)
90°

(верт.)

224·106 (62,1)273·106 (75,9)358·106 (99,5)371·106 (103,0)350·106 (97,1)331·106 (92,0)330·106 (91,8)404·106 (112,1)444·106 (123,2)419·106 (116,5)311·106 (86,4)190·106 (52,7)4,00·109 (1112,2)
вращение вокруг полярной оси250·106 (69,4)346·106 (96,0)566·106 (157,1)786·106 (218,3)965·106 (268,0)1055·106 (293,3)968·106 (269,1)994·106 (276,1)824·106 (229,0)592·106 (164,4)368·106 (102,3)206·106 (57,3)7,92·109 (2200,2)
Владивосток

43,1°с.ш.

0° (гор.)262·106 (72,7)336·106 (93,2)468·106 (130,0)486·106 (135,1)518·106 (143,9)465·106 (129,2)448·106 (124,3)449·106 (124,8)429·106 (119,1)340·106 (94,3)233·106 (64,6)208·106 (57,8)4,64·109 (1289,5)
50°438·106 (121,7)519·106 (144,1)531·106 (147,5)469·106 (130,3)502·106 (139,5)608·106 (169,0)619·106 (171,8)623·106 (173,0)497·106 (138,1436·106 (121,1)395·106 (109,6)393·106 (109,1)6,05·109 (1681,3)
90°

(верт.)

284·106 (79,0)379·106 (105,2)457·106 (126,8)460·106 (127,7)529·106 (147,1)637·106 (177,0)598·106 (166,0)501·106 (139,2)325·106 (90,2)270·106 (74,9)232·106 (64,4)241·106 (66,9)4,91·109 (1364,2)
вращение вокруг полярной оси547·106 (151,9)567·106 (157,6)592·106 (164,3)699·106 (94,2)662·106 (184,0)702·106 (194,9)760·106 (211,1)817·106 (227,0)682·106 (189,3)644·106 (178,9)542·106 (150,6)514·106 (142,8)7,73·109 (2146,7)
Волгоград0° (гор.)109·106176·106364·106494·106682·106708·106708·106615·106431·106255·106134·10671·1064,75·109 (1319)
Воронеж0° (гор.)84·106142·106289·106385·106565·106620·106590·106473·106326·106176·10680·10650·1063,78·109 (1050)
Екатеринбург0° (гор.)65·106146·106318·106446·106570·106615·106588·106462·106282·106145·10678·10646·1063,76·109 (1045)
Иркутск0° (гор.)105·106192·106385·106491·106599·106611·106586·106491·106360·106235·106117·10671·1064,24·109 (1179)
Казань0° (гор.)54·106117·106251·106394·106561·106641·106590·106502·106285·106130·10654·10629·1063,61·109 (1002)
Кострома0° (гор.)46·106121·106266·106404·106546·106600·106590·106455·106254·106109·10644·10627·1063,46·109 (962)
Краснодар0° (гор.)117·106184·106314·106440·106595·106636·106653·106540·106402·106264·106130·10675·1064,35·109 (1208)
Красноярск0° (гор.)46·106147·106327·106444·106486·106620·106578·106377·106243·106163·10667·10634·1063,54·109 (982)
Курск0° (гор.)84·106172·106274·106372·106554·106605·106584·106475·106316·106165·10667·10652·1063,72·109 (1033)
Махачкала0° (гор.)132·106182·106316·106500·106670·106708·106700·106616·106438·106284·106148·106104·1064,80·109 (1333)
Москва

55,7°с.ш.,

39,7°в.д.

0° (гор.)59·106 (16,4)125·106 (34,6)286·106 (79,4)400·106 (111,2)581·106 (161,4)600·106 (166,7)599·106 (166,3)468·106 (130,1)298·106 (82,9)149·106 (41,4)67·106 (18,6)42·106 (11,7)3,67·109 (1020,7)
40°74·106 (20,6)191·106 (53,0)390·106 (108,4)459·106 (127,6)599·106 (166,3)587·106 (163,0)604·106 (167,7)522·106 (145,0)377·106 (104,6)219·106 (60,7)125·106 (34,8)79·106 (22,0)4,23·109 (1173,7)
90°

(верт.)

77·106 (21,3)208·106 (57,9)378·106 (104,9)337·106 (93,5)390·106 (108,2)363·106 (100,8)392·106 (108,8)373·106 (103,6)311·106 (86,5)209·106 (58,1)139·106 (38,7)93·106 (25,8)3,27·109 (908,3)
вращение вокруг полярной оси78·106 (21,7)224·106 (62,3)478·106 (132,9)581·106 (161,4)821·106 (228,0)820·106 (227,8)809·106 (224,8)681·106 (189,2)455·106 (126,5)258·106 (71,6)152·106 (42,2)94·106 (26,0)5,45·109 (1514,3)
Нижний Новгород0° (гор.)50·106121·106268·106398·106577·106634·106599·106480·106276·106121·10652·10632·1063,61·109 (1002)
Новосибирск0° (гор.)82·106166·106354·106450·106574·106638·106620·106486·106326·106159·10686·10656·1064,00·109 (1110)
Норильск0° (гор.)2·10629·106230·106389·106595·106595·106595·106314·106155·10663·1068·10602,98·109 (826)
Омск0° (гор.)84·106168·106340·106456·106586·106640·106626·106486·106318·106164·10682·10656·1064,01·109 (1113)
Петропавловск-

Камчатский

53.3°с.ш.

0° (гор.)109·106 (30,2)179·106 (49,6)340·106 (94,3)458·106 (127,3)550·106 (152,9)561·106 (155,8)521·106 (144,9)472·106 (131,1)328·106 (91,0)232·106 (64,4)121·106 (33,6)84·106 (23,3)3,95·109 (1098,4)
50°254·106 (70,6)345·106 (95,9)512·106 (142,3)533·106 (148,1)531·106 (147,4)513·106 (142,5)495·106 (137,6)507·106 (140,9)433·106 (120,2)425·106 (118,0)294·106 (81,6)251·106 (69,8)5,09·109 (1414,9)
90°

(верт.)

279·106 (77,7)359·106 (99,7)480·106 (133,3)418·106 (116,1)347·106 (96,5)325·106 (90,3)329·106 (91,3)358·106 (99,5)350·106 (97,1)401·106 (111,5)313·106 (86,8)283·106 (78,5)4,24·109 (1178,3)
вращение вокруг полярной оси289·106 (80,2)412·106 (114,5)653·106 (181,5)723·106 (200,8)730·106 (202,7)729·106 (202,5)682·106 (189,3)695·106 (193,0)562·106 (156,0)529·106 (147,0)345·106 (95,9)289·106 (80,2)6,64·109 (1843,6)
Пятигорск0° (гор.)134·106205·106272·106406·106523·106553·106574·106486·106364·106243·106130·106105·1063,96·109 (1110)
Ростов-на- Дону 47°с.ш.0° (гор.)126·106190·106333·106464·106647·106672·106678·106597·106429·106276·106126·10680·1064,60·109 (1278)
Самара0° (гор.)82·106162·106308·106452·106634·106660·106639·106532·106340·106169·10678·10656·1064,11·109 (1142)
Санкт- Петербург 60°с.ш.0° (гор.)21·10671·106214·106331·106515·106578·106545·106394·106230·10692·10625·1068·1063,02·109 (930)
Сочи

43.6°с.ш.

0° (гор.)133·106 (37,0)199·106 (55,2)302·106 (84,0)420·106 (116,6)602·106 (167,1)716·106 (199,0)745·106 (206,8)666·106 (185,0)468·106 (130,1)343·106 (95,4)195·106 (54,2)125·106 (34,7)4,91·109 (1365,1)
35°223·106 (62,0)289·106 (80,2)373·106 (103,5)450·106 (125,0)587·106 (163,0)666·106 (184,9)713·106 (198,1)709·106 (197,0)582·106 (161,6)510·106 (141,7)334·106 (92,8)222·106 (61,7)5,66·109 (1571,4)
90°

(верт.)

237·106 (65,8)275·106 (76,5)328·106 (91,1)288·106 (80,0)313·106 (86,9)310·106 (86,2)345·106 (95,7)409·106 (113,6)428·106 (119,0)468·106 (130,0)351·106 (97,6)243·106 (67,6)3,96·109 (1099,9)
вращение вокруг полярной оси274·106 (76,0)357·106 (99,1)468·106 (129,9)576·106 (160,1)800·106 (222,1)970·106 (269,3)1040·106 (289,0)1022·106 (284,0)799·106 (222,0)669·106 (185,8)422·106 (117,2)272·106 (75,6)7,67·109 (2129,9)
Хабаровск0° (гор.)176·106270·106440·106498·106600·106643·106600·106509·106400·106282·106184·106141·1064,74·109 (1318)
Чита0° (гор.)113·106214·106396·106503·106613·106643·106555·106478·106366·106258·106136·10688·1064,36·109 (1212)
Южно-Курильск0° (гор.)175·106272·106383·106456·106490·106458·106427·106390·106346·106282·106163·106140·1063,98·109 (1106)
Якутск0° (гор.)32·106107·106314·106492·106591·106651·106618·106450·106270·106134·10650·10617·1063,73·109 (1035)
Белоруссия
Минск0° (гор.)67·106138·106310·106406·106578·106636·106596·106460·106314·106163·10667·10642·1063,78·109 (1049)
Казахстан
Алма-Ата0° (гор.)176·106239·106354·106484·106632·106678·106729·106647·106497·106321·106187·106136·1065,08·109 (1411)
Астана0° (гор.)134·106234·106408·106496·106643·106714·106670·106559·106398·106211·106126·10694·1064,69·109 (1302)
Джезказган0° (гор.)176·106266·106419·106540·106689·106746·106735·106662·106501·106287·106172·106132·1065,33·109 (1479)
Кустанай0° (гор.)113·106201·106385·106482·106653·106691·106624·106523·106343·106209·106109·10675·1064,408·109 (1224)

Доля рассеянного излучения в общей инсоляции

Городянв.фев.мартапр.майиюньиюльавг.сен.окт.ноя.дек.в среднем за год
Алма-Ата57 %56 %52 %42 %40 %34 %28 %31 %31 %37 %50 %53 %39 %
Москва93 %73 %64 %56 %50 %49 %54 %54 %61 %67 %69 %84 %57 %

Растительный покров, соседние здания, снежный покров, близость открытых водных поверхностей и другие факторы могут влиять на реальные значения полной солнечной энергии, падающей на тепловой коллектор. Для определения дневных средних показателей, разделите указанные значения на количество дней в месяце. Реальные дневные показатели могут отличаться от средних в несколько раз, но с точки зрения работы солнечного теплового коллектора, важны именно средние значения.

Рис. 3. Распределение суммарной солнечной радиации на наклонную поверхность (угол равен широте) для территории России [8]

Все данные указаны в джоулях на квадратный метр (Дж/м2). В скобках справочно приведены те же величины в кВт·ч/м2 (1 кВт·ч = 3,6 МДж).

Также в Приложении указаны значения доли рассеянного излучения в общей инсоляции для городов Москва и Алма-Ата.

Список литературы:

  1. Шуткин О.И. Перспективы в мире и состояние в России // Energy Fresh. 2011. № 3. С. 25-27.
  2. United Nations on Climate Change. General Convention Kyoto, 1997.
  3. Грицевич И. Протокол конференции по глобальному климату в Киото: новые правила игры на следующее десятилетие // Экономическая эффективность. Ежеквартальный бюллетень Центра по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ). М., 1998. № 18 (январь-март).
  4. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1–6, вып. 1–34. – Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1989–1998.
  5. ГОСТ 16350-80 Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей.
  6. Бутузов В.А. Солнечное теплоснабжение в мире и в России // С.О.К. 2013. № 8.
  7. Бутузов В.А. Обзор мирового рынка солнечных систем теплоснабжения // С.О.К. 2013. № 12.
  8. Попель О.С., Фрид С.Е., Коломиец Ю.Г., Киселева С.В., Терехова Е.Н. Атлас ресурсов солнечной энергии на территории России. – М.: ОИВТ РАН, 2010. – 84 с.

 

Просмотров: 131

extxe.com

Мощность солнечного излучения (реальные измерения)

 

В таблице указана суммарная мощность солнечного излучения (прямое + рассеянное) в наклонной плоскости.

Фотографии неба, за весь период наблюдений, производились камерой одного и того же мобильного телефона. В связи с тем, что при фотографировании, происходит автокоррекция освещенности, реальная световая картина могла быть несколько другой (на самом деле пасмурные дни должны выглядеть более темными, а солнечные – более яркими…).

 

№

Фотография неба

Мощность солнечного излучения, Вт/м2

Дата

Время

t возд., оС

1

25

12.11.2009

12:00

3

2

33

29.03.2011

13:03

3

3

37

21.10.2010

11:53

14

4

66

12.01.2011

11:04

0

5

70

29.12.2009

12:11

4

6

99

24.06.2009

13:16

27

7

116

30.06.2011

13:41

20

8

124

21.10.2010

14:23

8

9

132

05.10.2010

14:20

6

10

149

16.01.2012

10:00

0

11

165

19.11.2009

9:42

10

12

182

11.06.2009

14:54

 

13

182

17.06.2009

12:17

25

14

198

28.03.2011

15:45

4

15

207

10.04.2009

13:00

12

16

207

11.05.2009

12:50

 

17

215

11.06.2009

15:38

 

18

264

11.06.2009

14:10

 

19

331

17.06.2010

14:34

23

20

339

11.05.2009

12:50

 

21

413

08.07.2011

11:29

25

22

446

27.01.2010

12:19

-11

23

455

04.07.2011

11:52

27

24

620

25.01.2010

12:40

-15

25

661

11.05.2009

12:50

24

26

702

19.01.2011

12:30

2

27

711

26.01.2011

11:48

-6

28

876

19.07.2010

14:30

39

29

884

10.02.2010

11:20

7

30

884

15.11.2010

12:23

17

31

893

02.11.2010

11:27

12

32

926

25.01.2010

12:40

-15

33

942

28.04.2009

13:00

23

34

942

05.07.2011

12:17

25

35

959

03.03.2010

12:40

7

36

959

14.06.2010

12:10

35

37

959

27.07.2011

10:32

32

38

983

05.08.2010

13:17

39

39

1008

29.06.2009

15:46

32

40

1017

13.07.2011

12:27

30

41

1033

03.04.2009

13:20

15

42

1033

06.07.2011

10:47

26

43

1033

11.07.2011

11:30

29

44

1041

11.05.2009

12:50

 

45

1091

11.05.2009

12:50

 

46

1091

08.07.2011

11:30

25

47

1099

14.07.2011

12:27

31

48

1107

28.03.2011

9:51

0

49

1116

29.06.2011

13:03

24

50

1157

16.06.2009

14:01

27

Измерения производились одним и тем же прибором, но в разные дни. При измерениях чувствительный элемент прибора всегда располагался перепендикулярно направлению на Солнце. Т.к. прибор перед каждым измерением не калибровался, данные следует считать примерными.

Также значения мощности являются мгновенными, поэтому следует учитывать, что при переменной облачности показания постоянно меняются и через секунду значение может быть другим.

 

Но пиковые значения трудно напрямую использовать для энергетических расчетов гелиосистем, поэтому зачастую используют усредненные данные за определенный период времени.
Косвенно, различия в производительности гелиосистем по регионам можно оценить по годовым картам поступления глобального солнечного излучения. Их можно посмотреть, например, на сайте Швейцарской компании METEOTEST – http://meteonorm.com/download/maps/

К сожалению, Украина редко попадает на подробные карты. Ранее такая карта была представлена на данном сайте, выкладываем ее здесь: карта усредненного количества глобального солнечного излучения на поверхности земли, Европа с 1981 по 2000 гг.

 

Украина крупно:

Но реальное количество солнечной энергии в плоскости коллектора должно пересчитываться в зависимости от его угла установки и точного направления. При углах наклона гелиоколлекторов 30-50о, и направления на Юг, годовое количество энергии в их плоскости будет больше чем указано на карте. Также следует учитывать, что ситуация по регионам каждый год меняется, и на данный момент карта количества солнечной энергии может иметь другой вид.

sintsolar.com.ua

Таблицы солнечной энергии и инсоляции в регионах России.

Основной термин — Инсоляция

Инсоляцией (от латинского in solo – выставляю на солнце) называется облучение параллельным пучком лучей, поступающих с направления солнечного диска. Инсоляция значительно изменяется при переходе от одной точки земной поверхности к другой. Просторы Кубани получают значительно больше света, чем например Москва, Казань или Якутск. Ниже приведены таблицы со значениями инсоляции в разных странах и регионах.

Мощность солнечного излучения на поверхности Земли.
Среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную площадку, 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.
Вращение Земли вокруг Солнца не имело бы столь большого значения, если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты Земли. При этом в любой точке земного шара в одно и то же время суток Солнце поднималось бы на одинаковую высоту над горизонтом и были бы лишь незначительные сезонные изменения инсоляции, обусловленные изменением расстояния до Солнца при движении нашей планеты по орбите. В реальности земная ось отклонена от перпендикуляра к плоскости орбиты на 23°, и из-за этого меняется угол падения солнечных лучей в зависимости от положения Земли на орбите.


Воспользуйтесь нашим калькулятором для расчета
необходимого количества солнечных батарей для вашего проекта.

Калькулятор солнечных батарей

 

Карта инсоляции регионов России

Годовая инсоляция одного квадратного метра горизонтальной площадки в разных городах России в мегаваттах
Архангельск 0.85 Новосибирск 1.14 Петербург 0.93
Москва 1.01 Омск 1.26 Ростов-на-Дону 1.29
Екатеринбург 1.1 Астрахань 1.38 Махачкала 1,35

 

Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации, кВт*ч/м2
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

 


Воспользуйтесь нашим калькулятором для расчета
необходимого количества солнечных батарей для вашего проекта.

Калькулятор солнечных батарей

 

Дневная сумма солнечной радиации, кВт*ч/м2 горизонтальная площадка
Город янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год
Санкт-Петербург 0,35 1,08 2,36 3,98 5,46 5,78 5,61 4,31 2,6 1,23 0,5 0,2 2,8
Москва 0,5 0,94 2,63 3,07 4,69 5,44 5,51 4,26 2,34 1,08 0,56 0,36 2,63
Казань 0,68 1,44 2,82 4,29 5,52 5,93 5,72 4,49 2,86 1,51 0,83 0,54 3,06
Ростов-на-Дону 1,27 2,09 2,98 4,09 5,53 5,76 5,86 5,17 3,85 2,38 1,31 1 3,45
Нижний Новгород 0,64 1,45 2,75 3,95 5,34 5,6 5,5 4,27 2,69 1,45 0,75 0,45 2,91
Екатеринбург 0,64 1,5 2,94 4,11 5,11 5,72 5,22 4,06 2,56 1,36 0,72 0,44 2,87
Новосибирск 0,69 1,37 3,02 4,08 5,05 5,48 5,01 4,29 2,93 1,44 0,8 0,62 2,91
Хабаровск 1,64 2,72 4,11 4,61 5,39 5,86 5,42 4,53 3,81 2,56 1,72 1,28 3,64
Ереван 2,04 2,91 3,85 4,69 5,68 6,76 6,75 6,04 4,96 3,53 2,31 1,71 4,28
Месячные и годовые суммы солнечной радиации, кВт*ч/м2. Оптимальный наклон площадки
Город янв февр март апр май июнь июль авг сент окт нояб дек год
Москва 20,6 53 108,4 127,6 166,3 163 167,7 145 104,6 60,7 34,8 22 1173,7
Воронеж 30,7 60,1 117 129 169 166 176 151 120 81,8 50,3 37,1 1245
Краснодар 42,8 77,8 127 147 178 171 194 172 148 123 81,7 55,6 1433
Махачкала 48,2 77 128 168 200 190 208 196 161 132 93 77,2 1581
Рязань 21,2 55 109 130 168 165 169 147 106 62,3 35,2 23 1174

realsolar.ru

34. Какую мощность излучения р имеет Солнце? Излучение Солнца считать близким к излучению абсолютно черного тела. Эффективная температура Солнца 5800 к. Радиус Солнца считать равным 7108 м.

Решение

Энергетическая светимость Солнца (как абсолютно черного тела) по закону Стефана-Больцмана равна: . С другой стороны по определению, гдеE– излучаемая энергия, S– площадь излучающей поверхности, t-время, в течении которого происходит излучение, N– мощность излучения.

Т.о.,  (Считаем Солнце шаром с радиусом 7108 м). Получаем, что мощность излучения Солнца составляет 3,91026 Вт

35. Найти солнечную постоянную К, т.е. количество лучистой энергии, посылаемой Солнцем в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную к солнечным лучам и находящуюся на таком же расстоянии от него, как и Земля. Температура поверхности Солнца 5800 К. Излучение Солнца считать близким к излучению абсолютно черного тела.

Решение.

Энергетическая светимость Солнца (как абсолютно черного тела) по закону Стефана-Больцмана равна: . А мощность солнечного излучения, гдеr– радиус Солнца. Т.к. солнечная энергия не теряется, то на расстоянии орбиты Земли .

Получаем .Откуда,Е=1389 Вт/м2.

36. Известно, что атмосфера Земли поглощает 10% лучистой энергии, посылаемой Солнцем. Определите максимальную и минимальную мощность излучения L, получаемую от Солнца горизонтальным участком Земли, на котором расположен город Калуга. Площадь города принять равной 50 км2. Излучение Солнца считать близким к излучению абсолютно черного тела.

Решение

Максимальная мощность излучения Lmax, получаемая от Солнца горизонтальным участком Земли, будет в тот день, когда высота Солнца над горизонтом наибольшая (это день летнего солнцестояния). Определим в этот день высоту Солнца в Калуге.

Широта Калуги =54 31, а склонение Солнца =23,5, тогда hmax=90- 54,5+ 23,5=59 (по формуле h = 90-  + ).

Мощность излучения, получаемая от Солнца горизонтальным участком, равна , гдеЕ – солнечная постоянная для Земли, S – площадь участка, перпендикулярного к солнечным лучам, равная (S – площадь данного участка (города Калуги)), n– коэффициент поглощения земной атмосферы.

Т.о.,,Lmax=51010 Вт.

Минимальная мощность излучения Lmin, получаемая от Солнца горизонтальным участком Земли, будет в тот день, когда высота Солнца над горизонтом наименьшая (это день зимнего солнцестояния). Определим в этот день высоту Солнца в Калуге. Склонение Солнца в этот день =-23,5, тогда hmin=90- 54,5- 23,5=12. Минимальная же мощность излучения Lmin будет равна ,

Lmin= 1,21010 Вт.

37. В 1947 г в западных отрогах Сихотэ-Алиня (Приморский край) упал огромный железо-никелевый метеорит. Во время движения в атмосфере он разбился на многочисленные осколки и рассеялся металлическим дождем на площади 35 км2. Масса метеорита оценивается в 60 т, общий вес собранных осколков достиг 27 т. В Калужском государственном музее истории космонавтики им. К.Э. Циолковского хранится осколок сихоте-алиньского метеорита массой 7,7 кг. Оцените массу никеля в этом метеорите, если процентное содержание железа в нем 93,3%, а никеля – 6%.

Дано:

Решение:

Рассчитаем массу никеля в метеорите по формуле:

Ответ: 0,46 кг никеля.

38. Видеокамеры лунного зонда «Клементина» запечатлели поверхность Луны на 11 частотах видимого и инфракрасного диапазона спектра. Съемка на волнах 750 и 950 нм позволила составить карту распределения железа в поверхностных лунных грунтах. Наибольшая концентрация этого металла (до 16% оксида железа (II)) отмечена в морях видимой стороны, наименьшая – в центральных областях обратной стороны. В будущем, для нужд лунного производства, предполагается наладить получение железа на Луне. На Земле одной из наиболее богатых железом горных пород является магнитный железняк, содержащий до 70% железа. Сравните массу лунного грунта, богатого железом, и магнитного железняка, которые необходимо переработать для получения металлического железа массой 1,0 т.

Дано:

Решение:

1. Рассчитаем массу магнитного железняка, содержащую 1,0 т железа:

2. Найдем массовую долю железа в лунном грунте.

Рассчитаем массовую долю железа в оксиде железа (II), как отношение относительной атомной массы железа к относительной молекулярной массе оксида железа (II):

Массу железа в лунном грунте можно вычислить по формуле:

Рассчитаем массовую долю железа в лунном грунте:

3. Рассчитаем массу лунного грунта, содержащую 1,0 т железа:

Ответ: 1,4 т магнитного железняка; 7,7 т лунного грунта.

30. В Калужском Государственном музеи истории космонавтики среди образцов минералов, доставленных с поверхности Луны автоматической станцией «Луна-24», представлен оливин. На Земле оливин распространенный силикатный минерал состав которого плавно меняется от Mg2SiO4 (фостерит) до Fe2SiO4 (фаялит). Рассчитайте массовые доли кислорода в фостерите и фаялите.

Дано:

Решение:

Рассчитаем массовую долю кислорода в фостерите и фаялите:

,

Ответ: 45,7%, 31,4%.

40. Фотосфера – единственный на Солнце слой (не считая солнечной атмосферы), где водород существует в форме нейтральных атомов. Рассчитайте давление водорода в нижних слоях фотосферы Солнца, если плотность вещества в ней составляет 510-4 кг/м3, а температура 6000 К.

Дано:

Решение:

Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона, . Выразив из него давление через плотность:.

Подставим числовые данные

Проверим единицы измерения

Ответ: 2,5104 Па.

ТЕМА «ОСНОВЫ КОСМОНАВТИКИ»

41. В фантастической повести «Вне Земли», написанной Циолковским в 1896 г, есть такие строки: «… Сейчас на своей ракете мы летаем вокруг Земли на расстоянии 1000 км, делая полный оборот в 100 минут…». Подтвердите расчетами, что корабль, находясь на данной высоте, двигается с указанным периодом.

Решение.

Спутник движется с постоянной по модулю скоростью по круговой орбите радиусом R+H под действием силы всемирного тяготения, следовательно, по  закону Ньютона , ускорение ракеты, где– период обращения,– масса ракеты,- масса Земли. Получим, откуда. Учитывая, что, получим более рациональную для расчета формулу. После подстановки численных данных найдем, что Т105 мин.

42. Первый искусственный спутник Земли представлял собой шар диаметром 580 мм (Его копию можно увидеть в Калужском государственном музее истории космонавтики им. К.Э. Циолковского). Посчитайте, на каком расстоянии от земного наблюдателя должен был бы двигаться этот спутник, чтобы с его помощью можно было бы хоть мгновение наблюдать полное солнечное затмение? Оцените (очень приблизительно), каков был бы период обращения этого спутника вокруг Земли?

Справочные данные (округлённые): Диаметр Земли 12700 км. Диаметр Солнца 1400000 км. Диаметр Луны 3500 км. Расстояние Земля-Солнце 150000000 км. Расстояние Земля-Луна 380000 км. Звёздный период обращения Луны вокруг Земли 27,3 средних солнечных суток.

Решение

Видимый угловой размер спутника должен быть таким как и видимый угловой размер Солнца, т.е. примерно 1/2 углового градуса, поэтому расстояние от наблюдателя до спутника должно быть во столько раз меньше, чем от наблюдателя до Солнца, во сколько раз диаметр спутника меньше диаметра Солнца . Откуда. Следовательно, высота спутника не должна превышать 62 м. На такой высоте слишком велико сопротивление атмосферы, поэтому спутник не сможет сделать ни одного оборота.

43. Одной из достопримечательностей города Калуги является космический корабль «Восток», установленный на возвышении берега Яченского водохранилища. На космических кораблях этой серии для регенерации кислорода, необходимого для дыхания экипажа, использовали надпероксид калия (КО2), который, взаимодействуя с выдыхаемым космонавтами углекислым газом образует кислород и карбонат калия. На борту космического корабля находится 47,7 кг КО2. Космонавт в течение часа выдыхает 30 г углекислого газа. Определите, в течение скольких суток будет обеспечиваться на орбите жизнедеятельность экипажа, состоящего из двух человек?

Дано:

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции:

2. Из уравнения реакции следует, что 1 моль углекислого газа взаимодействует с 2 моль надпероксида калия.

3. Найдем, какая масса надпероксида калия расходуется за 1 час.

За 1 час два космонавта выдыхают углекислый газ массой или количеством веществаЗначит, согласно уравнению реакции за 1 час расходуется надпероксид калия количеством веществаили массой

4. Время жизнедеятельности экипажа на орбите можно определить как отношение массы надпероксида калия, находящейся на корабле, к его массе, расходуемой экипажем за час.

5. Подставим в полученную формулу числовые значения

Получаем Проверим единицы измерения

Ответ: 246 ч или 10 суток.

studfile.net

Renewable Energy – Возобновляемая энергетика

Категория: Солнечная энергетика,
25 сентября 2009
22417

Солнечная энергия поступает к нам на Землю в виде электромагнитных волн. Часть рассеивается , часть отражается. К поверхности Земли доходит всего часть от первоначального значения.

Солнечную энергию, поступающую к нам на планету, можно считать практически неисчерпаемым источником. Почему «практически»? Дело в том, что Солнце вырабатывает энергию благодаря термоядерному синтезу – процессу, происходящему в самом центре Солнца, при котором четыре ядра водорода под действием давления окружающей среды сливаются в одно ядро гелия. При этом Солнце каждую секунду теряет в массе 4000000 т. Тем не менее ученые полагают, что его состояние не изменится в течении 10 млрд лет. Но так как длительность этого процесса неизмеримо больше, чем существует само человечество, то солнечную энергию без тени сомнения можно назвать неисчерпаемым источником энергию.

Поток солнечной энергии – основной источник энергии на Земле. Количество солнечной энергии, которое излучается Солнцем, зависит от времени года, времени суток, и от состояния атмосферы над точкой наблюдения. За единицу солнечного излучения принято считать количество этого излучения, проходящего через площадку в 1 м?, расположенную перпендикулярно потоку излучения.

Всего мощность солнечного излучения составляет около 3.8*1026 Вт и представлен всем спектром электромагнитных волн. Это приблизительно в 50 раз превосходит энергию, которую можно было бы извлечь из мировых разведанных запасов горючих ископаемых, и примерно в 300 тыс. раз – ежегодного потребления энергии. Основная масса солнечного излучения приходит на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную части спектра.

На верхней границе атмосферы величина поступающей от Солнца энергии колеблется от 1321Вт/м2 до 1412 Вт/м2 в связи с различным расстоянием Земли от Солнца в разные времена года. Средняя величина, которая чаще всего используемая при расчетах, – приблизительно 1370 Вт/м2. Эту величину еще называют солнечной постоянной.

Так как Земля имеет круглую форму, то наиболее максимальный поток солнечного излучения, попадающий на квадратный метр атмосферы, наблюдается в районе экватора.

Наша планета может принимает солнечную энергию той стороной, которая обращена к Солнцу. Вторая же половина всегда затемнена , так как обращена в другую сторону. При этом лишь 70% энергии поступает на поверхность Земли, остальная отражается и рассеивается в атмосфере. Погодные условия также влияют на прохождение солнечных лучей к поверхности Земли. Максимальное значение в 1000 Вт/м2 можно получить на поверхности, перпендикулярной к солнечным лучам в ясный день.

Отсюда вытекает самая большая проблема – как максимально эффективно уловить солнечные лучи, чтобы как можно ближе приблизиться к максимальному значению солнечной энергии – солнечной постоянной.

Наиболее выгодное место по «сбору» солнечной энергии на нашей планете, как сказано выше, – это экватор. В связи с этим и был задуман международный инновационный проект Desertec, включающий в себя постройку в пустыне Сахара крупнейшей системы солнечных электростанций в мире. А полученную электроэнергию транспортировать в Европу. По замыслу, это должно дать 100ГВт чистой энергии. Пока этот проект находится в стадии согласования, проектирования.

И все таки, для обеспечения все более растущего спроса на энергию, потребуется использовать все более большие площади для установки солнечных панелей. Ведь чем больше площадь, тем больше вырабатывается энергия. Desertec, к примеру, по словам разработчиков должен занять площадь в 300 км2. Что не так уж и мало. Другое дело, что эти солнечные электростанции будут располагаться на бескрайних просторах пустыни.

Есть другой вариант – размещать солнечные панели прямо на орбите на искусственных спутниках. Это даст возможность круглосуточно получать электроэнергию. Погодные условия также не будут оказывать влияние, поэтому износ оборудования будет меньше.

Но прежде чем размещать искусственные спутники, нужно решить ряд вопросов, связанных с хранением и с передачей накопленной энергии на Землю.

 

Компания Mitsubishi Electric Corporation and IHI Corporation серьезно взялись за идею создания орбитальной солнечной станции мощностью в 1 ГВт. К 2015 году запланирован первый этап проекта– испытательный запуск спутника с фотопанелями мощностью 10МВт. Загвоздка в этом проекте состоит в передаче энергии от космической станции на Землю. Ученые предлагают решить эту проблему, используя радиочастоты для передачи энергии. Спутник посылает радиочастоты на приемник на Земле, который преобразовывает обратно в электроэнергию.

 

То, что солнечной энергии хватит на всех, не вызывает сомнения. Осталось научиться эффективно её «подобрать».

Источники:
National Space Society
Wkipedia.org
Mitsubishi Electric
European Centre for Medium-Range Weather Forecasts
Services for Professionals in Solar Energy and Radiation

Дорош Игорь, RE

Добавить комментарий

renewable.com.ua

Больше новостей

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *