Какую мощность излучения имеет Солнце?
Любая лампочка, излучающая свет, характеризуется мощностью излучения. Эта величина измеряется в ваттах, она определяет количество энергии (или тепла), выделяемого телом в единицу времени. Какова же мощность нашего Солнца?
Общую мощность электромагнитного излучения звезды, выделяемого ее в космическое пространство называют светимостью. Полная мощность излучения Солнца, то есть его светимость равна 3,828•10 26 Ватт (~3,75⋅10 28 Люмен). Это значит, что наша звезда светит примерно также мощно, как триллион триллионов лампочек мощностью 380 Вт! Это невероятно огромное значение. У многих атомных электростанций, например, у Запорожской АЭС, мощность одного реактора составляет 1ГВт. Получается, что Солнце вырабатывает за одну секунду столько же энергии, сколько выработает миллион атомных реакторов за 12 000 лет круглосуточной и беспрерывной работы.
Надо отметить, что до нашей планеты доходит только одна миллионная тепла, излучаемого Солнцем. Но именно эта энергия обеспечивает жизнь на Земле. Без солнечного света температура на нашей планете была бы не выше, чем, например, на Плутоне, где она равна –220°С.
Энергия в нашем светиле выделяется в ходе термоядерных реакций, топливом для которых является водород. При этом каждую секунду Солнце расходует более 4 млн тонн водорода. Из-за этого температура звезды составляет порядка 6000° С. Откуда же звезда берет этот водород? Он находился в ней ещё в тот момент, когда Солнце впервые вспыхнуло в космосе 4,6 млрд лет назад. С тех пор звезда просто сжигает свои запасы. Примерно через 5 млрд лет водород почти закончится.
Но это не значит, что Солнце погаснет. Оно начнет сжигать гелий, и при этом светило на время резко увеличится в размерах. Меркурий и Венера будут поглощены Солнцем. Естественно, что на Земле станет так жарко, что она будет абсолютно непригодна для жизни.
Однако ещё через некоторое время закончится и гелий, и тогда наша звезда постепенно потухнет и превратится в белого карлика. После этого Солнце будет медленно, в течение миллиардов лет остывать.
Список использованных источников
• https://pikabu.ru/story/pro_moshchnost_solntsa_5485141 • http://bog5.in.ua/problems/volkenshtejin/thermo%20rad/volkenshtejin%20z18%202.html • https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнце
Что называют мощностью солнечного излучения
Высокое качество! Высокая эффективность! Высокая надежность!
> 6000 кв.м. гелиоколлекторов SintSolar уже работают в Украине
Гелиосистемы любой сложности и мощности ‘под ключ’
16 лет в сфере солнечного теплоснабжения
Срок эксплуатации гелиоколлекторов SintSolar CS — 50 лет
Высокое качество! Высокая эффективность! Высокая надежность!
> 6000 кв.м. гелиоколлекторов SintSolar уже работают в Украине
Гелиосистемы любой сложности и мощности ‘под ключ’
16 лет в сфере солнечного теплоснабжения
Срок эксплуатации гелиоколлекторов SintSolar CS — 50 лет
г. Судак, с. Морское
г. Киев, с. Софиевская Борщаговка
г. Одесса, с. Затока
г. Одесса, с. Затока
- Теория
- Выбор солнечного коллектора и гелиосистемы
- Практика
- Солнечный коллектор SintSolar DR (солнечный водонагреватель) для горячего водоснабжения квартиры в многоэтажном доме
- «Незакипаемая» (DrainBack) гелиосистема SintSolar
- Чем отличаются плоские солнечные коллекторы
- Коррозионные испытания/сравнение абсорберов
- Тестирование медно-алюминиевого (Al-Cu) абсорбера
- Видео
- Мощность солнечного излучения (реальные измерения)
- Гелиосистемы (солнечные коллекторы) зимой в реальных условиях
- Гелиосистемы SintSolar более 10 лет эксплуатации
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/м 2
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.
Но реальное количество солнечной энергии в плоскости коллектора должно пересчитываться в зависимости от его угла установки и точного направления. При углах наклона гелиоколлекторов 30-50 о , 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.
Виды солнечного излучения
La солнечная радиация Это довольно важная переменная, которая служит для определения количества тепла, которое мы получаем от Солнца на поверхности земли. В зависимости от некоторых факторов, таких как ветер, облачность и время года, мы получаем большее или меньшее количество солнечной радиации. Он обладает способностью нагревать поверхность земли и предметы, не нагревая при этом воздух. Есть разные типы солнечного излучения в зависимости от происхождения и характеристик.
Знайте все о солнечном излучении, о его типах и о том, какое влияние оно оказывает на планету и жизнь.
- 1 Что такое солнечная радиация
- 2 Виды солнечного излучения
- 2.1 Прямое солнечное излучение
- 2.2 Рассеянное солнечное излучение
- 2.3 Отраженное солнечное излучение
- 2.4 Глобальная солнечная радиация
Что такое солнечная радиация
Это поток энергии, который получает солнце в виде электромагнитных волн разной частоты. Среди частот, которые мы находим в электромагнитном спектре, наиболее известны видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый свет. Мы знаем, что почти половина солнечной радиации, которую получает наша планета, имеет частота находилась в диапазоне от 0.4 мкм до 0.7 мкм. Этот тип излучения может быть обнаружен человеческим глазом, и это то, что составляет полосу, известную нам как видимый свет.
Другая половина находится в основном в инфракрасной части спектра и небольшая часть в ультрафиолете. Чтобы иметь возможность измерить, сколько излучения мы получаем от солнца Используется инструмент, известный как пиранометр.
Виды солнечного излучения
В зависимости от происхождения и характеристик солнечного излучения бывают разные виды. Мы собираемся сосредоточиться на определении различных типов и их основных характеристик:
Прямое солнечное излучение
Это о том, что он исходит прямо от солнца и мало меняет направление. Это можно увидеть под влиянием ветра, но не в значительной степени. В ветреные дни можно почувствовать снижение жары. На поверхностях жара не так сильно действует при сильном ветровом режиме. Этот тип излучения имеет главную характеристику, а именно то, что он может отбрасывать определенную тень от любого непрозрачного объекта, который его перехватывает.
Рассеянное солнечное излучение
Это часть излучения, которое доходит до нас от солнца и которое отражается или поглощается облаками. Он известен под названием диффузный, поскольку распространяется во всех направлениях. Этот процесс происходит из-за отражений и поглощений не только от облаков, но и от некоторых частиц, плавающих в атмосфере. Эти частицы называются атмосферной пылью и способны рассеивать солнечное излучение. Его также называют диффузным, поскольку он отражается некоторыми объектами, такими как горы, деревья, здания и сама земля, в зависимости от ее состава.
Основная характеристика этого излучения состоит в том, что он не отбрасывает тень на вставленные непрозрачные объекты. Горизонтальные поверхности — это те места, где присутствует большее количество рассеянного излучения. С вертикальными поверхностями происходит обратное, так как контакт практически отсутствует.
Отраженное солнечное излучение
Это тот, который отражает поверхность земли. Не все излучение, которое доходит до нас от солнца, поглощается поверхностью, но часть его отклоняется. Это количество излучения, которое отклоняется от поверхности, известно как альбедо. Альбедо Земли сильно увеличивается из-за изменения климата и таяния полярных ледяных шапок.
Горизонтальные поверхности не получают отраженного излучения любого типа, так как они не видят земную поверхность. Противоположное дело обстоит с рассеянным солнечным излучением. В таком случае, именно вертикальные поверхности получают наибольшее количество отраженного излучения.
Глобальная солнечная радиация
Можно сказать, что это общая радиация, существующая на планете. Это сумма трех излучений. названный выше. Возьмем для примера полностью солнечный день. Здесь будет прямое излучение, которое превосходит диффузное излучение. Однако в пасмурный день не будет прямой радиации, но все попадание будет рассеянным.
Как это влияет на жизнь и планету
При таком количестве солнечного излучения, которое получает наша планета, жизнь не могла бы возникнуть так, как она возникла. Энергетический баланс Земли равен 0. Это означает, что количество солнечной радиации, которую получает планета, и то, что она излучает обратно в космос, одинаково. Однако необходимо добавить некоторые нюансы. В этом случае температура на планете будет -88 градусов. Итак, вам нужно что-то, что может удерживать это излучение и делать уровни температуры комфортными и обитаемыми, чтобы поддерживать жизнь.
Парниковый эффект — это двигатель, который помогает солнечной радиации, падающей на земную поверхность, в значительной степени удерживаться. Благодаря парниковому эффекту на нашей планете могут появиться условия для жизни. Когда солнечная радиация попадает на поверхность, она почти наполовину возвращается в атмосферу, чтобы выбросить ее в космическое пространство. Часть этого излучения обратно от поверхности поглощается и отражается облаками и атмосферной пылью. Однако этого количества поглощенного излучения недостаточно для поддержания стабильной температуры.
Вот где появляются парниковые газы. Это различные газы, которые способны удерживать часть тепла, излучаемого земной поверхностью, возвращая достигнутое солнечное излучение обратно в атмосферу. К парниковым газам относятся: водяной пар, диоксид углерода (CO2), оксиды азота, оксиды серы, метан, так далее. С увеличением количества парниковых газов, вызванных деятельностью человека, солнечная радиация становится все более вредной, поскольку оказывает воздействие на окружающую среду, флору, фауну и людей.
Сумма всех видов солнечной радиации — это те, которые позволяют жизнь на планете. Будем надеяться, что проблему увеличения выбросов парниковых газов удастся решить и ситуация не станет опасной.
Содержание статьи соответствует нашим принципам редакционная этика. Чтобы сообщить об ошибке, нажмите здесь.
Полный путь к статье: Сетевая метеорология » Метеорология » Виды солнечного излучения
Будьте первым, чтобы комментировать
Мощность солнечного излучения – 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.
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.
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.
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/м 2 . Если провести простой расчет, то видно, что для получения мощности 10 кВт нужно собрать солнечное излучение с площади 7,5 м 2 , 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/м 2 , в некоторых случаях эта цифра может уменьшаться. Подведем итог: для получения 10 кВт необходимо собрать энергию уже не с 7,5 м 2 поверхности, а со 100 м 2 .
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 / м 2 (1.1 кВт·ч / м 2 ) 575 МДж / м 2 (159.7 кВт·ч / м 2 ) 3.06 ГДж / м 2 (850 кВт·ч / м 2 ) Астрахань 95.8 МДж / м 2 (26.6 кВт·ч / м 2 ) 755.6 МДж / м 2 (209.9 кВт·ч / м 2 ) 4.94 ГДж / м 2 (1371 кВт·ч / м 2 ) Владивосток 208.1 МДж / м 2 (57.8 кВт·ч / м 2 ) 518.0 МДж / м 2 (143.9 кВт·ч / м 2 ) 4.64 ГДж / м 2 (1289.5 кВт·ч / м 2 ) Екатеринбург 46 МДж / м 2 (12.8 кВт·ч / м 2 ) 615 МДж / м 2 (170.8 кВт·ч / м 2 ) 3.76 ГДж / м 2 (1045 кВт·ч / м 2 ) Москва 42.1 МДж / м 2 (11.7 кВт·ч / м 2 ) 600.1 МДж / м 2 (166.7 кВт·ч / м 2 ) 3.67 ГДж / м 2 (1020.7 кВт·ч / м 2 ) Новосибирск 56 МДж / м 2 (15.6 кВт·ч / м 2 ) 638 МДж / м 2 (177.2 кВт·ч / м 2 ) 4.00 ГДж / м 2 (1110 кВт·ч / м 2 ) Омск 56 МДж / м 2 (15.6 кВт·ч / м 2 ) 640 МДж / м 2 (177.8 кВт·ч / м 2 ) 4.01 ГДж / м 2 (1113 кВт·ч / м 2 ) Петрозаводск 8.6 МДж / м 2 (2.4 кВт·ч / м 2 ) 601.6 МДж / м 2 (167.1 кВт·ч / м 2 ) 3.10 ГДж / м 2 (860.0 кВт·ч / м 2 ) Петропавловск-Камчатский 83.9 МДж / м 2 (23.3 кВт·ч / м 2 ) 560.9 МДж / м 2 (155.8 кВт·ч / м 2 ) 3.95 ГДж / м 2 (1098.4 кВт·ч / м 2 ) Ростов-на-Дону 80 МДж / м 2 (22.2 кВт·ч / м 2 ) 678 МДж / м 2 (188.3 кВт·ч / м 2 ) 4.60 ГДж / м 2 (1278 кВт·ч / м 2 ) Санкт-Петербург 8 МДж / м 2 (2.2 кВт·ч / м 2 ) 578 МДж / м 2 (160.6 кВт·ч / м 2 ) 3.02 ГДж / м 2 (840 кВт·ч / м 2 ) Сочи 124.9 МДж / м 2 (34.7 кВт·ч / м 2 ) 744.5 МДж / м 2 (206.8 кВт·ч / м 2 ) 4.91 ГДж / м 2 (1365.1 кВт·ч / м 2 ) Южно-Сахалинск 150.1 МДж / м 2 (41.7 кВт·ч / м 2 ) 586.1 МДж / м 2 (162.8 кВт·ч / м 2 ) 4.56 ГДж / м 2 (1267.5 кВт·ч / м 2 ) 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.
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/м 2 ). При среднем расстоянии от Земли до Солнца – 150 миллионов километров – плотность энергии солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, составляет в среднем 1,367 кВт/м 2 . 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/м 2 , часовые и суточные суммы в МДж/м 2 .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/м 2 , часовые и суточные суммы в МДж/м 2 .
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/м 2 , часовые и суточные суммы в МДж/м 2 .
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/м 2 , часовые и суточные суммы в МДж/м 2 .
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/м 2 , часовые и суточные суммы в МДж/м 2 .
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:
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. м 2 [7].
По удельной тепловой мощности гелиоустановок на 1000 человек первое место занимает Кипр (542 кВт, площадью 774 м 2 ), второе – Австрия (406 кВт, 580 м 2 ), третье – Израиль (400 кВт, 571 м 2 ). На сегодняшний день большинство гелиоустановок построены в Китае – на площади 217,4 млн м 2 (152,2 ЕВт), или 64,9 % от общемирового использования этих установок. В Европе – 56,1 млн м 2 (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/м 2 в день, а регионы Приморья и юга Сибири от 4,5 до 5,0 кВт·ч/м 2 в день, что не сильно отличается от аналогичных показателей центральной Европы (5,0–5,5 кВт·ч/м 2 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]