Сколько энергии солнца доходит до земли. Методы расчета мощности солнечных батарей. Расчет выработки солнечной электростанции на основе значений инсоляции
Читайте также
Если кто-то из вас задумывался о приобретении солнечных батарей, вы наверное задавались вопросом - какое количество солнечной энергии, можно получить. Сколько квадратных метров батарей нужно чтобы запитать холодильник с телевизором? А если еще и пылесос время от времени включать, и электрочайник? В общем, вопросов масса.
Итак, количество солнечной энергии которое поступает на землю при идеальных условиях, равно 1367 Ватт на квадратный метр. Есть даже такое понятие - солнечная постоянная. До земли доходит дай бог 1000-1100 ватт, и этот показатель может разнится в зависимости от угла установки солнечной батареи. Именно от этого числа мы и будем плясать дальше.
Разумеется самым лучшим вариантом будет солнечная панель с системой слежения за солнцем, но такая система громоздка, стоит дорого, и поэтому употребляется крайне редко. Самый лучший из доступных вариантов - это размещение батарей под оптимальным углом к солнцу, в наших широтах, этот угол равен сорока градусам. Разумеется количество солнечной энергии которое доходит до земли, зависит не только от угла установки батарей, но и от географического положения, прозрачности атмосферы и многих других факторов, так что точный расчет, несколько затрудняется. Чтобы вам не приходилось возиться с калькулятором, ниже представлена таблица, в которой уже рассчитано количество солнечной энергии которое вы можете получить. Разумеется рассчитывать показатель для каждого города было бы слишком хлопотно, поэтому расчет проводился только по четырем городам России, но этого будет достаточно чтобы примерно определить сколько солнечной энергии вы можете получить.
Количество солнечной энергии получаемое в разных городах России
Город:Астрахань: 1371 1593 2200
Владивосток: 1289 - при горизонтальной установке, 1681 - при установке под углом 40 градусов, 2146 - при наличии системы слежения за солнцем.
Москва: 1020 - при горизонтальной установке, 1173 - при установке под углом 40 градусов, 1514 - при наличии системы слежения за солнцем.
Сочи: 1365 - при горизонтальной установке, 1571 - при установке под углом 40 градусов, 2129 - при наличии системы слежения за солнцем.
Эти цифры, показывают сколько киловатт-часов энергии, можно получить с одного квадратного метра солнечных панелей, в год. К примеру, если у вас маленькая панель площадью в один квадрат, в Москве, при этом батарея установлена под углом 40 градусов, то каждый световой день, вы будете получать:
1173/365=3,2 киловатта. Казалось бы здорово, одновременно может работать микроволновка, чайник и пылесос, однако не все так радужно. КПД солнечных панелей, далеко не стопроцентен. На данный момент, недорогие солнечные панели, которые чаще всего используются, имеют КПД в скромные 14-18 процентов. Есть более сложные многокомпонентные солнечные элементы, КПД которых достигает 40 процентов, но они слишком дороги для массового использования. Поэтому в расчетах будем иметь ввиду обычные солнечные элементы.
Итак, количество солнечный энергии с одного квадратного метра батарей, составит 3,2*0,16=0,5 киловатта в час. В принципе, тоже неплохо. Пол киловатта это телевизор и холодильник, ну и ноутбук до кучи. Десять квадратных метров солнечных батарей, в принципе, смогут обеспечить электричеством небольшой дом, но если все так здорово, то почему солнечные батареи не лепят везде и всюду?
Как сохранить полученное количество солнечной энергии?
На самом деле, электричество в течении дня не особо нужно, если это конечно обычный жилой дом, а не производство. Электричество нужно вечером, то есть тогда, когда солнечные батареи перестают его вырабатывать. Получается что днем, электричество производится, но оно нам не нужно, а вот вечером, то количество солнечной энергии которое произвели батареи, было бы кстати, но где его держать?Аккумуляторы. Вот главная проблема солнечной энергии. На данный момент аккумуляторы стоят намного дороже чем солнечные панели, а продолжительность их жизни крайне низка. Около тысячи циклов заряд/разряд, и батарея приходит в негодность. Это примерно два-три года работы. Потом аккумуляторы требуется сменить.
Как вариант, можно сохранить энергию по-другому: В течении светового дня, солнечные панели питают электронасос, который закачивает воду из колодца в резервуар, расположенный на водонапорной вышке. Вечером, как только выработка электричества падает, и количество солнечной энергии вырабатываемое батареями ниже чем нужно, подключается водяной генератор.
Вода запасенная днем, течет вниз, и вращает турбину, соединенную с генератором, то есть работает как обычная гидроэлектростанция. Этот вариант кажется очень перспективным, но не пригоден из-за крайней дороговизны - все таки придется соорудить огромную емкость на многие тонны или даже многие тысячи тонн (в зависимости от мощности генератора) воды. В общем, пока для частных пользователей это слишком дорого. Про амбициозную идею - построить солнечные электростанции по все земле, и передавать энергию из мест где сейчас день, в те части планеты где сейчас ночь, даже не рассматриваю. Слишком уж велики потери при передаче.
Итоги:
Солнечная энергия пока не может конкурировать с традиционным электростанциями по причине того, что электричество, которое они вырабатывают очень трудно сохранить. На данный момент солнечные батареи помогут лишь сэкономить электричество днем. Полностью переходить на самообеспечение электричеством, имеет смысл только в отдаленных от цивилизации областях, где просто нет возможности протянуть линию электропередач.Наше светило со спутника
Солнечная постоянная, представляет собой то количество электромагнитного излучения, которое доходит от Солнца на расстоянии 1 астрономической единицы (среднее расстояние от Земли до нашей звезды) и попадает перпендикулярно на определенную область. Измеренная спутниками, солнечная постоянная равна 1,366 киловатт на квадратный метр. Наша звезда испускает электромагнитное излучение по всему спектру, от радиоволн до инфракрасного, от видимого света до рентгеновских лучей.
Если бы мы могли сложить всю энергию этого излучения, то получили бы общее излучение Солнца.
Солнечная постоянная
Она является количеством излучения, которое попадает на область перпендикулярную к Солнцу. Фактически лучи, которые мы видим у поверхности Земли, являются малой долей от этой постоянной. Это потому, что атмосфера планеты блокирует некоторые длины волн.
В зависимости от вашего местоположения на планете, количество получаемого света разнится. Солнце излучает в 2 миллиарда раза больше энергии, получаемой на Земле.
Количество Солнечной радиации, получаемой Землей, также изменяется в зависимости от ее точки на орбите. Так как Земля имеет слегка эллиптическую орбиту, на ближайшей точке ее орбиты, количество получаемой энергии равно 1,413 кВт/м2. В ее наиболее удаленной точке, величина Солнечной радиации только 1,321 кВт/м2.
Рост цен на энергоносители в России заставляет проявлять интерес к дешевым источникам энергии. Наиболее доступной является солнечная энергия. Энергия солнечной радиации, падающая на Землю в 10 000 раз превышает количество вырабатываемой человечеством энергии. Проблемы возникают в технологии сбора энергии и в связи с неравномерностью поступления энергии на гелиоустановки. Поэтому солнечные коллекторы и солнечные батареи применяются или совместно с аккумуляторами энергии или в качестве средства дополнительной подпитки для основной энергетической установки.
Страна у нас обширна и картина распределения солнечной энергии по ее территории весьма разнообразна.
Усредненные данные поступления солнечной энергии
Интенсивность поступления солнечной энергии
Зоны максимальной интенсивности солнечного излучения. На 1 квадратный метр поступает более 5 кВт. час. солнечной энергии в день.
По южной границе России от Байкала до Владивостока, в районе Якутска, на юге Республики Тыва и Республики Бурятия, как это не странно, за Полярным Кругом в восточной части Северной Земли.
Поступление солнечной энергии от 4 до 4,5 кВт. час на 1 кв. метр в день
Краснодарский край, Северный Кавказ, Ростовская область, южная часть Поволжья, южные районы Новосибирской, Иркутской областей, Бурятия, Тыва, Хакассия, Приморский и Хабаровский край, Амурская область, остров Сахалин, обширные территории от Красноярского края до Магадана, Северная Земля, северо-восток Ямало-Ненецкого АО.
От 2,5 до 3 кВт. час на кв. метр в день
По западной дуге - Нижний Новгород, Москва, Санкт-Петербург, Салехард, восточная часть Чукотки и Камчатка.
От 3 до 4 кВт. час на 1 кв. метр в день
Остальная территория страны.
Продолжительность солнечного сияния в год
Наибольшую интенсивность поток энергии имеет в мае, июне и июле. В этот период в средней полосе России на 1 кв. метр поверхности приходится 5 кВт. час в день. Наименьшая интенсивность в декабре-январе, когда 1 кв. метр поверхности приходится 0,7 кВт. час в день.
Особенности установки
Если установить солнечный коллектор под углом 30 градусов к поверхности, то можно обеспечить съем энергии в максимальном и минимальном режиме соответственно 4,5 и 1.5 кВт час на 1 кв. метр. в день.
Распределение интенсивности солнечного излучния в средней полосе России по месяцам
Исходя из приведенных данных можно рассчитать площадь плоских солнечных коллекторов, необходимую для обеспечения горячего водоснабжения семьи из 4-х человек в индивидуальном доме. Нагрев 300 литров воды от 5 градусов до 55 градусов в июне могут обеспечить коллекторы площадью 5,4 квадратного метра, в декабре 18 кв. метров. Если применить более эффективные вакуумные коллекторы, то требуемая площадь коллекторов снижается примерно вдвое.
Покрытие потребностей в ГВС на счет солнечной энергии
На практике солнечные коллекторы желательно применять не в качестве основного источника ГВС, а в качестве устройства для подогрева воды, поступающей в отопительную установку. В этом случае расход топлива резко снижается. При этом обеспечивается бесперебойная подача горячей воды и экономия средств на ГВС и отопление дома, если это дом для постоянного проживания. На дачах, в летнее время, для получения горячей воды, применяются различные виды солнечных коллекторов. От коллекторов заводского изготовления до самодельных устройств, изготовленных из подручных материалов. Различаются они, прежде всего, по эффективности. Заводской эффективнее, но стоит дороже. Практически бесплатно можно сделать коллектор с теплообменником от старого холодильника.
В России установка солнечных коллекторов регламентируется РД 34.20.115-89 "Методические указания по расчету и проектированию систем солнечного обогрева", ВСН 52-86 (в формате RTF, 11 Mb) "Установки горячего солнечного водоснабжения. Нормы проектирования". Имеются рекомендации по использованию нетрадиционных источников энергии в животноводстве, кормопроизводстве, крестьянских хозяйствах и сельском жилищном секторе, разработанные по заявке Минсельхоза в 2002 году. Действуют ГОСТ Р 51595 "Солнечные коллекторы. Технические требования", ГОСТ Р 51594 "Солнечная энергетика. Термины и определения",
В этих документах довольно подробно описаны схемы применяемых солнечных коллекторов и наиболее эффективные способы их применения в различных климатических условиях.
Солнечные коллекторы в Германии
В Германии государство дотирует затраты на установку солнечных коллекторов, поэтому их применение устойчиво растет. В 2006 году было установлено 1 миллион 300 тысяч квадратных метров коллекторов. Из этого количества примерно 10% более дорогие и эффективные вакуумные коллекторы. Общая площадь установленных на сегодняшний день солнечных коллекторов составила примерно 12 миллионов квадратных метров.
Материалы и графики предоставлены компанией Viessmann
Почти вся энергия на Землю, приходит от Солнца. Если бы не оно, Земля была бы холодной и безжизненной. Растения растут, потому что получают необходимую энергию. Солнце ответственно за ветер, и даже ископаемое топливо это энергия нашей звезды, запасенная миллионы лет назад. Но сколько энергии на самом деле, приходит от него?
Как вы, наверное, знаете, в его ядре, температура и давление настолько высоки, что атомы водорода сливаются в атомы гелия.
Излучение Солнца
В результате этой реакции синтеза, звезда производит 386 миллиардов мегаватт. Большая часть излучается в пространство. Вот почему мы видим звезды, которые удалены на десятки и сотни световых лет от Земли. Мощность излучения Солнца равна 1,366 киловатт на квадратный метр. Около 89000 тераватт проходит через атмосферу и достигает поверхности Земли. Получается его энергия на Земле составляет около 89000 тераватт! Просто для сравнения, общее потребление каждого человека составляет 15 тераватт.
Так что Солнце дает в 5900 раз больше энергии, чем люди в настоящее время производят. Нам просто нужно научится использовать ее.
Наиболее эффективный способ использовать излучение нашей звезды это фотоэлементы. Как таковое, это преобразование фотонов в электричество. Но энергия создает ветер, который заставляет работать генераторы. Солнце помогает расти культурам, которые мы используем для производства биотоплива. И, как мы уже говорили, ископаемые виды топлива, такие как нефть и уголь это концентрированное солнечное излучение, собранное растениями в течение миллионов лет.
Солнце - неисчерпаемый, экологически безопасный и дешевый источник энергии. Как заявляют эксперты, количество солнечной энергии, которая поступает на поверхность Земли в течение недели, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана 1 . По мнению академика Ж.И. Алферова, «человечество имеет надежный естественный термоядерный реактор - Солнце. Оно является звездой класса «Ж-2», очень средней, каких в Галактике до 150 миллиардов. Но это - наша звезда, и она посылает на Землю огромные мощности, преобразование которых позволяет удовлетворять практически любые энергетические запросы человечества на многие сотни лет». Причем, солнечная энергетика является «чистой» и не оказывает отрицательного влияния на экологию планеты 2 .
Немаловажным моментом является тот факт, что сырьем для изготовления солнечных батарей является один из самых часто встречающихся элементов - кремний. В земной коре кремний - второй элемент после кислорода (29,5% по массе) 3 . По мнению многих ученых, кремний - это «нефть двадцать первого века»: в течение 30 лет один килограмм кремния в фотоэлектрической станции вырабатывает столько электричества, сколько 75 тонн нефти на тепловой электростанции.
Однако некоторые эксперты полагают, что солнечную энергетику нельзя назвать экологически безопасной ввиду того, что производство чистого кремния для фотобатарей является весьма «грязным» и очень энергозатратным производством. Наряду с этим, строительство солнечных электростанций требует отведения обширных земель, сравнимых по площади с водохранилищами ГЭС. Еще одним недостатком солнечной энергетики, по мнению специалистов, является высокая волатильность. Обеспечение эффективной работы энергосистемы, элементами которых являюстя солнечные электростанции, возможно при условии:
- наличия значительных резервных мощностей, использующих традиционные энергоносители, которые можно подключить ночью или в пасмурные дни;
- проведения масштабной и дорогостоящей модернизации электросетей 4 .
Несмотря на указанный недостаток, солнечная энергетика продолжает свое развитие в мире. Прежде всего, ввиду того, что лучистая энергия будет дешеветь и уже через несколько лет составит весомую конкуренцию нефти и газу.
В настоящий момент в мире существуют фотоэлектрические установки , преобразующие солнечную энергию в электрическую на основе метода прямого преобразования, и термодинамические установки , в которых солнечная энергия сначала преобразуется в тепло, затем в термодинамическом цикле тепловой машины преобразуется в механическую энергию, а в генераторе преобразуется в электрическую.
Солнечные элементы как источник энергии могут применяться:
- в промышленности (авиапромышленность, автомобилестроение и т.п.),
- в сельском хозяйстве,
- в бытовой сфере,
- в строительной сфере (например, эко-дома),
- на солнечных электростанциях,
- в автономных системах видеонаблюдения,
- в автономных системах освещения,
- в космической отрасли.
По данным Института Энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергетики в России составляет более 2300 млрд. тонн условного топлива, экономический потенциал - 12,5 млн. т.у.т. Потенциал солнечной энергии, поступающей на территорию России в течение трех дней, превышает энергию всего годового производства электроэнергии в нашей стране.
Ввиду расположения России (между 41 и 82 градусами северной широты) уровень солнечной радиации существенно варьируется: от 810 кВт-час/м 2 в год в отдаленных северных районах до 1400 кВт-час/м 2 в год в южных районах. На уровень солнечной радиации оказывают влияние и большие сезонные колебания: на ширине 55 градусов солнечная радиация в январе составляет 1,69 кВт-час/м 2 , а в июле - 11,41 кВт-час/м 2 в день.
Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей) и в Южной Сибири и на Дальнем Востоке.
Наиболее перспективные регионы в плане использования солнечной энергетики: Калмыкия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие регионы на юго-западе, Алтай, Приморье, Читинская область, Бурятия и другие регионы на юго-востоке. Причем некоторые районы Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока превосходит уровень солнечной радиации южных регионов. Так, например, в Иркутске (52 градуса северной широты) уровень солнечной радиации достигает 1340 кВТ-час/м 2 , тогда как в Республике Якутия-Саха (62 градуса северной широты) данный показатель равен 1290 кВт-час/м 2 . 5
В настоящее время Россия обладает передовыми технологиями по преобразованию солнечной энергии в электрическую. Есть ряд предприятий и организаций, которые разработали и совершенствуют технологии фотоэлектрических преобразователей: как на кремниевых, так и на многопереходных структурах. Есть ряд разработок использования концентрирующих систем для солнечных электростанций.
Законодательная база в сфере поддержки развития солнечной энергетики в России находится в зачаточном состоянии. Однако первые шаги уже сделаны:
- 3 июля 2008г.: Постановление Правительства №426 «О квалификации генерирующего объекта, функционирующего на основе использования возобновляемых источников энергии»;
- 8 января 2009г.: Распоряжение Правительства РФ N 1-р «Об Основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.»
Были утверждены целевые показатели по увеличению к 2015 и 2020 годам доли ВИЭ в общем уровне российского энергобаланса до 2,5% и 4,5% соответственно 6 .
По разным оценкам, на данный момент в России суммарный объем введенных мощностей солнечной генерации составляет не более 5 МВт, большая часть из которых приходится на домохозяйства. Самым крупным промышленным объектом в российской солнечной энергетике является введенная в 2010 году солнечная электростанция в Белгородской области мощностью 100 кВт (для сравнения, самая крупнейшая солнечная электростанция в мире располагается в Канаде мощностью 80000 кВт).
В настоящий момент в России реализуется два проекта: строительство солнечных парков в Ставропольском крае (мощность - 12 МВТ), и в Республике Дагестан (10 МВт) 7 . Несмотря на отсутствие поддержки возобновляемой энергетики, ряд компаний реализует мелкие проекты в сфере солнечной энергетике. К примеру, «Сахаэнерго» установило маленькую станцию в Якутии мощностью 10 кВт.
Существуют маленькие установки в Москве: в Леонтьевском переулке и на Мичуринском проспекте подъезды и дворы нескольких домов освещаются с помощью солнечных модулей, что сократило расходы на освещение на 25%. На Тимирязевской улице солнечные батареи установлены на крыше одной из автобусных остановок, которые обеспечивают работу справочно-информационной транспортной системы и Wi-Fi.
Развитие солнечной энергетики в России обусловлено рядом факторов:
1) климатические условия: данный фактор влияет не только на год достижения сетевого паритета, но и на выбор той технологии солнечной установки, которая наилучшим образом подходит для конкретного региона;
2) государственная поддержка:
наличие законодательно установленных экономических стимулов солнечной энергетики оказывает решающее значение на
ее развитие. Среди видов государственной поддержки, успешно применяющихся в ряде стран Европы и США, можно выделить: льготный тариф для солнечные электростанции, субсидии на строительство солнечных электростанций, различные варианты налоговых льгот, компенсация части расходов по обслуживанию кредитов на приобретение солнечных установок;
3) стоимость СФЭУ (солнечные фотоэлектрические установки): сегодня солнечные электростанции являются одной из наиболее дорогих используемых технологий производства электроэнергии. Однако по мере снижения стоимости 1 кВт*ч выработанной электроэнергии солнечная энергетика становится конкурентоспособной. От снижения стоимости 1Вт установленной мощности СФЭУ (~3000$ в 2010 году) зависит спрос на СФЭУ. Снижение стоимости достигается за счет повышения КПД, снижения технологических затрат и снижения рентабельности производства (влияние конкуренции). Потенциал снижения стоимости 1 кВт мощности зависит от технологии и лежит в диапазоне от 5% до 15% в год;
4) экологические нормы: на рынок солнечной энергетики положительно может повлиять ужесточение экологических норм (ограничений и штрафов) вследствие возможного пересмотра Киотского протокола. Совершенствование механизмов продажи квот на выбросы может дать новый экономический стимул для рынка СФЭУ;
5) баланс спроса и предложения электроэнергии:
реализация существующих амбициозных планов по строительству и реконструкции генерирующих и электросетевых
мощностей компаний, выделившихся из РАО «ЕЭС России» в ходе реформы отрасли, существенно увеличит предложение электроэнергии и может усилить давление на цену
на оптовом рынке. Однако выбытие старых мощностей и одновременное повышение спроса повлечет за собой увеличение цены;
6) наличие проблем с технологическим присоединением: задержки с выполнением заявок на технологическое присоединение к централизованной системе электроснабжения являются стимулом к переходу к альтернативным источникам энергии, в том числе к СФЭУ. Такие задержки определяются как объективной нехваткой мощностей, так и неэффективностью организации технологического присоединения сетевыми компаниями или недостатком финансирования технологического присоединения из тарифа;
7) инициативы местных властей: региональные и муниципальные органы управления могут реализовывать собственные программы по развитию солнечной энергетики или, более широко, возобновляемых/нетрадиционных источников энергии. Сегодня такие программы уже реализуются в Красноярском и Краснодарском краях, Республике Бурятия и др.;
8) развитие собственного производства: российское производство СФЭУ может оказать положительное влияние на развитие российского потребления солнечной энергетики. Во-первых, благодаря собственному производству усиливается общая осведомленность населения о наличии солнечных технологий и их популярность. Во-вторых, снижается стоимость СФЭУ для конечных потребителей за счет снижения промежуточных звеньев дистрибьюторской цепи и за счет снижения транспортной составляющей 8 .
6 http://www.ng.ru/energy/2011-10-11/9_sun_energy.html7 Организатор - компания ООО «Хевел», учредителями которой являются Группа компаний «Ренова» (51%) и Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (49%).