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.
Мощность излучения Солнца и использование энергии на Земле
Мощность излучения Солнца равна 1,366 киловатт на квадратный метр. Получается его энергия на Земле составляет около 89000 тераватт
Солнце:
НАШ САМЫЙ КРУПНЫЙ И САМЫЙ ЩЕДРЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Солнце – первопричина всей жизни на Земле и наш важнейший поставщик энергии. Оно – невероятный сгусток энергии. Энергия, излучаемая с поверхности Солнца и попадающая на земной шар, примерно в 10.000 раз превышает сегодняшнюю мировую потребность в энергии. Однако используемая доля исходящей от Солнца энергии сейчас еще очень мала.
Максимальная мощность солнечного излучения составляет 1.000 ватт на один квадратный метр земной поверхности:
Ясное синее небо
Общая мощность излучения или так называемая глобальная радиация представляет собой сумму прямого и рассеянного излучения. Важно различать эти виды излучения, т.к. современные солнечные установки рассчитаны на различное излучение. Так, например, термические солнечные установки, предназначенные для подогрева воды, используют как прямое, так и рассеянное излучение солнца. Они преобразуют энергию излучения в тепло даже при облачной погоде.
На графике
показаны годовые колебания усредненного общего излучения в г. Карлсруэ, Германия
КАК СОЛНЕЧНЫЕ ЛУЧИ ПРЕВРАЩАЮТСЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК: ИНФОРМАЦИЯ О СИСТЕМЕ «ФОТОВОЛЬТАИК»
«Фотовольтаик » – специальный термин, обозначающий непосредственное преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью так называемых солнечных батарей (фотогальванической установки) . В настоящее время они изготавливаются почти исключительно из кремния – материала, получаемого из кварцевого песка, имеющегося почти в неограниченном количестве.
Солнечные батареи изготавливаются из разного кремния:
Если солнце светит в условиях тумана, облачности или же находится низко над горизонтом, то оно светит «вполсилы», а это значит, что и солнечная батарея работает лишь вполовину своей производительности. Наибольшего КПД фотогальваническая установка достигает при перпендикулярном облучении. Установка с жестким креплением должна быть расположена по возможности под углом в 30 о и направлена на юг.
ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ: ПОДСОЕДИНЕННЫЕ К СЕТИ ИЛИ НЕ ЗАВИСЯЩИЕ ОТ НЕЕ
Фотогальванические установки, отдающие ток в общую энергосеть
, подсоединены к ней через инвертор, который преобразует производимый солнечными батареями постоянный ток в переменный и подает его в сеть
Номинальная мощность фотогальванических установок указывается в ваттах пик. Подсоединенная к сети установка с номинальной мощностью в 1 киловатт пик имеет площадь примерно 10 квадратных метров и стоит, считая и монтаж, около 10.000 Евро. Такая установка может произвести примерно 900 киловатт-часов электроэнергии в год. Для сравнения – одна семья из 3 человек ежегодно потребляет в среднем 3.000 киловатт-часов энергии.
Автономные фотогальванические установки работают в так называемом «островном режиме», т.е. они не подсоединены к общественной энергосети. Для работы в мало солнечное время и ночью для них необходимы подзаряжаемый аккумулятор для накопления энергии. Величина солнечного генератора зависит от режима потребления тока и емкости аккумулятора, причем это должен быть обязательно специальный солнечный аккумулятор. Использование автономных установок имеет смысл только в тех случаях, когда подключение к общей сети невозможно или если стоимость такого подключения намного превосходит стоимость самой установки.
ОСОБЕННО ЦЕЛЕСООБРАЗНО: НАГРЕВАНИЕ ВОДЫ СОЛНЕЧНЫМИ КОЛЛЕКТОРАМИ
С помощью солнечных термоустановок солнечную энергию в наших широтах можно эффективно использовать для подогрева воды и в помощь отопительной системе. Хорошие коллекторы и правильно подобранная по размеру установка могут покрыть до 25 % годового потребления тепла за счет солнечной энергии и к тому же уберечь окружающую среду и сэкономить энергоресурсы.
Для подогрева воды солнечное тепло улавливается плоскими коллекторами или коллекторами с вакуумными трубками . Между солнечными коллекторами и отдельным накопителем горячей воды в доме циркулирует жидкость с антифризом, нагреваемая лучами солнца. Это тепло затем отдается воде через теплообменник. В пасмурные дни вода для бытовых нужд нагревается от отопительного котла.
Для подогрева воды достаточно 1,3 кв. м площади коллектора в расчете на одного человека. Эксперты подсчитали, что объем водонакопителя при температуре воды 50 о должен составлять 80 литров на человека, но не менее 300 литров.
КОМБИНИРОВАННЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ ГРЕЮТ ВОДУ И РАЗГРУЖАЮТ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ
Количество солнечных установок, которые только нагревают бытовую воду, уже довольно велико. Комбинированные же солнечные установки, которые и воду для бытовых нужд греют, и участвуют в отоплении – это новое, еще более прогрессивное и эффективное решение. Весной и осенью такие установки могут сделать заметный вклад в отопление помещений и разгрузить систему отопления. Для домов на одну – две семьи хорошо проявили себя на практике комбинированные установки с поверхностью коллектора от 8 до 15 кв. м и с комбинированным накопителем – для нагрева бытовой воды и для создания запаса воды на отопление – емкостью от 500 до 1000 литров.
Возобновляемые источники энергии - Солнце-ЗАО Технологический парк Могилев
Солнце: НАШ САМЫЙ КРУПНЫЙ И САМЫЙ ЩЕДРЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ Солнце – первопричина всей жизни на Земле и наш важнейший поставщик энергии. Оно – невероятный сгусток энергии. Энергия,
Мощность солнечного излучения на квадратный метр
С олнце составляет 99,98% всей энергии нашей планеты (остальная энергия – геотермальная). Солнце состоит из водорода (71%), гелия (27%) и твердой материи (2%). Температура вблизи ядра приблизительно 16 000 000 градусов, а на его поверхности-фотосфере – около 5770 К. Мощность энергии, излучаемой Солнцем, составляет
63 МВт с каждого квадратного метра его поверхности, всего около 3,72 х 10 20 МВт.
Единицей измерения потока солнечной энергии в системе СИ является ватт на квадратный метр (Вт/м 2). При среднем расстоянии от Земли до Солнца – 150 000 000 км – плотность энергии солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, составляет в среднем 1,367 КВт/м 2 . Эта величина называется солнечной постоянной. Различные процессы внутри Солнца и на его поверхности (солнечные пятна и вспышки) приводят к флуктуациям этой величины, но они не превышают 0,1%.
Расстояние от Земли до Солнца изменяется из-за эллиптичности его орбиты Земли, поэтому солнечное излучение в верхней границе атмосферы на 6,6% больше 4 января (когда Земля ближе всего к Солнцу, в перигелии), чем 4 июля (когда Земля наиболее удалена от Солнца, в афелии). Эти даты не совпадают с датами зимнего и летнего солнцестояния потому, что ось вращения Земли наклонена к плоскости эклиптики на 23,5 о.
Из-за большого расстояния между Солнцем и Землей солнечное излучение, которое достигает верхней границы атмосферы, падает в виде почти параллельных лучей. Это излучение включает в себя ультрафиолетовое излучение (УФ), видимый свет и ближнее инфракрасное излучение (БИК). Максимальная интенсивность излучения приходится на диапазон видимого спектра – излучение с длиной волны от 400 до 800 нм. Интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучения, приходящего от Солнца, очень мала, однако, когда Земля нагревается под действием солнечного излучения, она излучает ближнее и дальнее ИК излучение, которое, в свою очередь, поглощается и отражается газами, частицами и облаками в атмосфере.
При прохождении через атмосферу часть солнечного излучения достигает поверхности Земли, а часть рассеивается молекулами газов, аэрозольными частицами, каплями воды и кристаллами льда. Молекулы газов и аэрозоли отвечают за большую часть поглощения излучения. Рассеивание солнечного излучения на каплях воды и кристаллах льда происходит во всем спектральном диапазоне. Молекулы же в основном рассеивают излучение коротких длин волн, а аэрозоли – более длинных.
Рис. 2. Участки спектра излучения. Синим цветом обозначено длинноволновое УФ-излучение, желтым – средневолновое УФ-излучение, белым – видимый свет, кремовым – ближнее инфракрасное излучение и розовым – дальнее инфракрасное излучение. Синяя линия показывает солнечное излучение на земной поверхности, черная – чувствительность человеческого глаза, зеленая – спектральную чувствительность типичного фотоэлемента, красная – чувствительность пиранометра со стеклянным куполом и розовая – чувствительность пиргеометра. Для сравнения все приведено к условному максимуму 1,0.
Эти процессы в значительной степени влияют на спектр излучения, которое достигает земной поверхности. Когда Солнце находится прямо над головой, оптическая масса атмосферы является минимальной и по определению имеет для этой местности атмосферную массу, равную 1,0. Когда Солнце опускается к горизонту, оптическая масс атмосферы увеличивается приблизительно в 11 раз и ее влияние на поглощение и рассеивание солнечного излучения становится значительно больше.
Некоторые из этих процессов легко наблюдать. Молекулы атмосферы намного сильнее рассеивают короткие иволны, чем более длинные – рэлеевское рассеивание. Поэтому, когда Солнце находится высоко, небо выглядит синим. Когда же Солнце находится вблизи горизонта, короткие волны, проходя через толстый слой атмосферы, испытывают полное рассеивание, и небо по утрам и вечерам выглядит красным.
В безоблачный день поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности в местный полдень, обычно находится в интервале от 700 до 1300 Вт/м 2 в зависимости от широты, долготы, высоты над уровнем моря и времени года.
Наблюдения за солнечным излучением на земной поверхности ведут в двух диапазонах длин волн: коротковолновом излучении с длиной волны от 300 до 4000 нм и длинноволновом – от 4500 нм (4,5 мкм) до 40 мкм. Коротковолновое излучение включает ультрафиолетовое, видимое, и ближнее, инфракрасное излучение.
Часть солнечного излучения, которая достигает земной поверхности, отражается от нее, а другая часть поглощается. Снег и лед имеют высокую отражательную способность (альбедо), темные и/или неровные поверхности – более низкую. Часть излучения, которая поглощается земной поверхносьтю, излучается обратно в атмосферу в ближнем (инфракрасном) диапазоне. Углекислый газ (СО 2), метан (СН 4) и водяной пар (Н 2 О) в атмосфере способны поглощать это излучение, нагревая, в свою очередь, земную атмосферу. Это – так называемый “парниковый эффект”. В целом же существует равновесие: Земля получает столько же солнечного излучения, сколько излучает обратно в Космос. Иначе Земля нагревалась бы или остывала.
Метеорологическое оборудование МТР-5 фирмы АТТЕХ, актинометрические датчики фирмы Kipp & Zonen
НПО АТТЕХ предлагает метеорологическое оборудование – температурные профилемеры МТР-5 (МТП-5), актинометрические датчики Kipp & Zonen
Солнце – это звезда, внутри которой, в непрерывном режиме, происходят термоядерные реакции. Результатом происходящих процессов, с поверхности солнца выделяется колоссальное количество энергии, часть которой нагревает атмосферу нашей планеты.
Солнечная энергия — это источник жизни на планете Земля. Наша планета, и все живые организмы, существующие на ней, получает энергию солнца в виде солнечного света и тепла.
Солнечная энергия является источником возобновляемой и экологически чистой энергии.
Солнечная энергия как альтернативный источник энергии
Способы преобразования энергии солнца для получения различных видов энергии, используемой человеком, можно разделить по видам получаемой энергии и способам ее получения, это:
Преобразование в электрическую энергию
Путем применения фотоэлектрических элементов
Фотоэлектрические элементы используются для изготовления солнечных панелей, которые служат приемниками солнечной энергии в системах солнечных электрических станций. Принцип работы основан на получении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнечного света.
Панели различаются по структуре (поликристаллические, монокристаллические, с напылением кремния), габаритным размерам и мощности.
Путем применения термоэлектрических генераторов.
- Термоэлектрический генератор – это техническое устройство, позволяющее получать электрическую энергию из тепловой энергии. Принцип действия основан на преобразовании энергии получаемой из-за разности температур на разных частях элементов конструкции (термоэлектродвижущая сила).
Преобразование в тепловую энергию
Путем использования коллекторов различных типов и конструкций.
- Вакуумные коллекторы — трубчатого вида и в виде плоских коллекторов.
Принцип действия — под воздействием солнечных лучей, нагревается специальная жидкость, которая при достижении определённых параметров, начинает испаряться, после чего пар передает свою энергию теплоносителю. Отдав тепловую энергию пар конденсируется и процесс повторяется.
- Плоские коллекторы – представляют из себя каркас с теплоизоляцией и абсорбер покрытые стеклом, с патрубками для входа и выхода теплоносителя.
Принцип действия — потоки солнечного света попадают на абсорбер и нагревают его, тепло с абсорбера переходит теплоносителю.
Путем использования гелиотермальных установок.
Принцип действия основан на нагревании поверхности способной поглощать солнечные лучи. Солнечные лучи фокусируются и посредством устройства линз концентрируются, после чего направляются на принимающее устройство, где энергия солнца передается для накопления или передачи потребителю посредством теплоносителя.
Распространение в России
Солнечная энергетика получает все более широкое распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции. Причиной более широкого распространения в последние годы стало:
- Развитие новых технологий, позволившее снизить стоимость оборудования;
- Желание людей иметь независимый источник энергии;
- Чистота производства получаемой энергии («зеленая энергетика»);
- Возобновляемый источник энергии.
Потенциалом для развития солнечной энергетики обладают южные районы нашей страны – республики Кавказа, Краснодарский и Ставропольский край, южные районы Сибири и Дальнего Востока.
Районы различаются по инсоляции в течение суток и времени года, так для разных регионов поток солнечной радиации, в летний период, составляет:
По состоянию на начало 2017 года мощность работающих солнечных электростанций на территории России составляет 0,03% от мощности электростанции энергетической системы нашей страны. В цифрах – это составляет 75,2 МВт.
Солнечные электростанции работают в
- Оренбургской области:
«Сакмарская им. А. А. Влазнева», установленной мощностью 25 МВт;
«Переволоцкая», установленной мощностью 5,0 МВт. - Республике Башкортостан:
«Бурибаевская», установленной мощностью 20,0 МВт;
«Бугульчанская», установленной мощностью 15,0 МВт. - Республике Алтай:
«Кош-Агачская», установленной мощностью 10,0 МВт;
«Усть-Канская», установленной мощностью 5,0 МВт. - Республике Хакасия:
«Абаканская», установленной мощностью 5,2 МВт. - Белгородской области:
«АльтЭнерго», установленной мощностью 0,1 МВт. - В Республике Крым , независимо от Единой энергетической системы страны, работает 13 солнечных электрических станций, общей мощностью 289,5 МВт.
- Также, вне системы работает станция в Республике Саха-Якутия (1,0 МВт) и в Забайкальском крае (0,12 МВт).
В стадии разработки проекта и строительства находятся электростанции
- В Алтайском крае , 2 станции, общей проектируемой мощностью 20,0 МВт, запуск в работу планируется в 2019 году.
- В Астраханской области , 6 станций, общей проектируемой мощностью 90,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
- В Волгоградской области , 6 станций, общей проектируемой мощностью 100,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
- В Забайкальском крае , 3 станции, общей проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
- В Иркутской области , 1 станция, проектируемой мощностью 15,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
- В Липецкой области , 3 станции, общей проектируемой мощностью 45,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
- В Омской области , 2 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
- В Оренбургской области , 7 станция, проектированной мощностью 260,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годах.
- В Республике Башкортостан , 3 станции, проектируемой мощностью 29,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
- В Республике Бурятия , 5 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
- В Республике Дагестан , 2 станции, проектируемой мощностью 10,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
- В Республике Калмыкия, 4 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
- В Самарской области , 1 станция, проектируемой мощностью 75,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
- В Саратовской области , 3 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
- В Ставропольском крае , 4 станции, проектируемой мощностью 115,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годы.
- В Челябинской области , 4 станции, проектируемой мощностью 60,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
Общая проектируемая мощность солнечных электрических станций, находящихся в стадии разработки и строительства, составляет – 1079,0 МВт.
Термоэлектрические генераторы, гелиоколлекторы и гелиотермальные установки также широко применяются на промышленных предприятиях и в повседневной жизни. Вариант и способ использования выбирает каждый для себя сам.
Количество технических устройств, использующих энергию солнца для выработки электрической и тепловой энергий, а также количество строящихся солнечных электрических станций, их мощность, говорят сами за себя — в России альтернативным источникам энергии быть и развиваться.
Пригодна ли для обычного дома
- Для бытового использования гелиоэнергетика — перспективный вид энергетики.
- В качестве источника электрической энергии, для жилых домов, используют солнечные электрические станции, которые выпускают промышленные предприятия в России и за ее пределами. Установки выпускаются различной мощности и комплектации.
- Использование теплового насоса — обеспечит жилой дом горячей водой, подогреет воду в бассейне, нагреет теплоноситель в системе отопления или воздух внутри помещений.
- Гелиоколлекторы — можно использовать в системах отопления домов и горячего водоснабжения. Более эффективны, в этом случае, вакуумные трубчатые коллекторы.
Плюсы и минусы
К достоинствам солнечной энергетики относятся :
- Экологическая безопасность установок;
- Неисчерпаемость источника энергии в далекой перспективе;
- Низкая себестоимость получаемой энергии;
- Доступность производства энергии;
- Хорошие перспективы развития отрасли, обусловленные развитием технологий и производством новых материалов с улучшенными характеристиками.
Недостатками являются
:
- Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодные условия, времени суток и времени года;
- Сезонность работы, которую определяет географическое расположение;
- Низкий КПД;
- Высокая стоимость оборудования.
Перспективы
Перспективы развития данной отрасли энергетики обусловлены положительными и отрицательными свойствами присущим гелиоустановкам. Если с достоинствами все понятно, то с недостатками предстоит работать инженерам и разработчикам оборудования и материалов.
Факторами, вызывающими здоровый оптимизм, по развитию альтернативных источников энергии, являются:
- Запасы традиционных источников энергии постоянно сокращаются, что обуславливает рост их стоимости.
- Технический прогресс постоянно идет, появляются новые материалы и технологии, и что, в свою очередь, приводит к уменьшению стоимости оборудования и повышению КПД установок.
- Политика государства в энергетической области направлена на развитие альтернативной энергетики, о чем были приняты постановления правительства и соответствующие программы, как то:
Россия – большая страна, поэтому для успешного развития всех отраслей промышленности и комфортного проживания людей во всех регионах, необходимо наличие запасов различных видов энергии. В связи с этим альтернативные источники все более прочно входят в общую систему энергоснабжения страны, обеспечивая самые отдаленные города и поселки источниками электричества и тепла.
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.
Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВтч в секунду. Киловатт-час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли.
Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение. Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов:
- широты
- местного климата сезона года
- угла наклона поверхности по отношению к Солнцу.
Время и географическое положение
Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит больше достигает поверхности.
Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0,8 кВт·ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт·ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору.
(нажмите для увеличения)
Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе, Средней Азии и Канаде - приблизительно 1000 кВт·ч/м2; в Средиземноморье - приблизительно 1700 кВт·ч /м2; в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт·ч/м2.
Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости от времени года и географического положения (см. таблицу). Этот фактор необходимо учитывать при использовании солнечной энергии.
| Южная Европа | Центральная Европа | Северная Европа | Карибский регион | |
| Январь | 2,6 | 1,7 | 0,8 | 5,1 |
| Февраль | 3,9 | 3,2 | 1,5 | 5,6 |
| Март | 4,6 | 3,6 | 2,6 | 6,0 |
| Апрель | 5,9 | 4,7 | 3,4 | 6,2 |
| Май | 6,3 | 5,3 | 4,2 | 6,1 |
| Июнь | 6,9 | 5,9 | 5,0 | 5,9 |
| Июль | 7,5 | 6,0 | 4,4 | 6,0 |
| Август | 6,6 | 5,3 | 4,0 | 6,1 |
| Сентябрь | 5,5 | 4,4 | 3,3 | 5,7 |
| Октябрь | 4,5 | 3,3 | 2,1 | 5,3 |
| Ноябрь | 3,0 | 2,1 | 1,2 | 5,1 |
| Декабрь | 2,7 | 1,7 | 0,8 | 4,8 |
| ГОД | 5,0 | 3,9 | 2,8 | 5,7 |
Влияние облаков на солнечную энергию
Количество солнечной радиации, достигающее поверхности Земли, зависит от различных атмосферных явлений и от положения Солнца как в течение дня, так и в течение года. Облака - основное атмосферное явление, определяющее количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. В любой точке Земли солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, уменьшается с увеличением облачности. Следовательно, страны с преобладающей облачной погодой получают меньше солнечной радиации, чем пустыни, где погода в основном безоблачная.
На формирование облаков оказывает влияние наличие таких особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться. Например, горы могут получить меньше солнечного излучения, чем прилегающие предгорья и равнины. Ветры, дующие в сторону гор, вынуждают часть воздуха подниматься и, охлаждая влагу, находящуюся в воздухе, формируют облака. Количество солнечной радиации в прибрежных районах также может отличаться от показателей, зафиксированных в областях, расположенных внутри континента.
Количество солнечной энергии, поступающей в течение дня, в значительной степени зависит от местных атмосферных явлений. В полдень при ясном небе суммарное солнечное
излучение, попадающее на горизонтальную поверхность, может достигнуть (например, в Центральной Европе) значения в 1000 Вт/м2 (при очень благоприятных погодных условиях этот показатель может быть выше), в то время, как при очень облачной погоде - ниже 100 Вт/м2 даже в полдень.
Влияние загрязнения атмосферы на солнечную энергию
Антропогенные и природные явления также могут ограничивать количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают возможность использования солнечной энергии, увеличивая рассеивание и поглощение солнечной радиации. То есть, эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.
Потенциал солнечной энергии
Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов (8,5 x 1013) кВт·ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии). Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.
В развитых странах, например, в США, потребление энергии составляет примерно 25 триллионов (2.5 x 1013) кВт·ч в год, что соответствует более чем 260 кВт·ч на человека в день. Данный показатель является эквивалентом ежедневной работы более чем ста лампочек накаливания мощностью 100 Вт в течение целого дня. Среднестатистический гражданин США потребляет в 33 раза больше энергии, чем житель Индии, в 13 раз больше, чем китаец, в два с половиной раза больше, чем японец и вдвое больше, чем швед.
Количество солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли, во много раз превышает ее расход даже в таких странах как США, где энергопотребление огромно. Если бы только 1% территории страны был использован для установки солнечного оборудования (фотоэлектрические батареи или солнечные системы для горячего водоснабжения), работающего с КПД 10%, то США были бы полностью обеспечены энергией. То же самое можно сказать и в отношении всех других развитых стран. Однако, в определенном смысле, это нереально - во-первых, из-за высокой стоимости фотоэлектрических систем, во-вторых, невозможно охватить такие большие территории солнечным оборудованием, не нанося вред экосистеме. Но сам принцип является верным.
Можно охватить ту же самую территорию, рассредоточив установки на крышах зданий, на домах, по обочинам, на заранее определенных участках земли и т.д. К тому же, во многих странах уже более 1% земли отведено под добычу, преобразование, производство и транспортировку энергии. И, поскольку большая часть этой энергии является не возобновляемой в масштабе существования человечества, этот вид производства энергии намного более вреден для окружающей среды, чем солнечные системы.
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.