солнечное излучение
Содержание:
  • Что такое солнечная энергия?
  • Виды солнечного излучения
  • Как распределяется энергия в солнечном спектре?
  • Что необходимо учитывать при расчете солнечного генератора?
  • Размещение панелей
  • Выбор фотоэлектрической системы для построения солнечного генератора

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».     

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.          

атмосфера солнца

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.

Виды солнечного излучения

В зависимости от потока излучение разделяется на 2 вида: рассеянное и прямое. В зависимости от вида освещения выбирается угол наклона панели, тем самым повышая КПД установки. При прямом излучении угол должен быть строго определен, при рассеянном этот показатель не важен, потому что интенсивность освещения во всех точках пространства примерно равна. Но между двумя этими разновидностями имеется существенное отличие, заключающееся в мощности солнечного излучения на квадратный метр. В первом случае она многократно раз превышает второй, обеспечивая панель мощным потоком фотонов. Но таких ясных деньков в наших широтах, да и по всей планете, не так уж и много, поэтому производителям панелей приходиться использовать весь научно-технический потенциал, чтобы получить максимум энергии из того излучения. Такие технологии станут многим не по карману, не говоря уже о сроке окупаемости, который может стать непостижимым на нашем веку.

Влияние атмосферы на солнечное излучение

Как распределяется энергия в солнечном спектре?

Солнце представляет собой универсальный генератор, который вырабатывает потоки световой энергии не только различной мощности, но и различной частоты, что говорит о возможности разложения солнечного света в спектр. Весь его охватить не удастся, потому что принимающее тело должно быть идеально черного цвета. Тем более что не все виды излучений доходят до поверхности земли. Самые активные и энергонесущие потоки поглощаются другими телами в космосе и атмосфере. Задачей человечества стало определение диапазона частот, в котором поток световой энергии максимален. Традиционно спектр раскладывается не по частотам, а по длинам волн. И его грубо можно разделить на 3 зоны:

  • Ультрафиолетовая, ей соответствуют длины волн от 0 до 380 мкм.
  • Видимый свет, находиться в диапазоне от 380 до 760 мкм.
  • Инфракрасный, соответствует участку с длинами волн от 760 до 3300 мкм.

Зоной, где энергия фотонов самая высокая, является именно первый диапазон, но в нем частиц ничтожно мало, по сравнению с видимым диапазоном света. Поэтому для получения электрической энергии стали использовать именно видимый и инфракрасный диапазоны с длинами волн от 380 до 1800 мкм. Все, что выше относится к радиочастотному диапазону и энергия здесь также мала, по причине практически полного отсутствия энергии фотонов, несмотря на их большое количество.

Главной проблемой установки солнечных батарей в наших климатических условиях является существенное различие в длительности светового дня в зависимости от поры года. Самый короткий день почти в 2,5 раза меньше самого длинного, что сказывается и на энергии излучения, которому зимой еще приходиться преодолевать и более толстые слои атмосферы. Следовательно, использование солнечных батарей в зимний период не даст никакой выгоды, а в летний период жарким днем выдаст не меньше энергии, чем на экваторе.

Что необходимо учитывать при расчете солнечного генератора?

Солнечный свет, как и любая другая физическая величина, имеет ряд параметров, которые должны использоваться при расчете генератора. К ним относятся:

  • Уровень освещенности или мощность солнечного излучения на квадратный метр. Под ним подразумевается усредненное значение солнечного излучения, измеряемого в верхних слоях атмосферы Земли и расположенного перпендикулярно световым потокам. На примере Сочи эта величина равна 1365 Вт.
  • Максимальная мощность излучения солнца. Это полезная световая энергия, которая достигает поверхности Земли на уровне моря на экваторе и в безоблачный день. В среднем она равна 1 кВт/м кв.      
  • Инсоляция – это усредненное время, в течение которого солнце освещает поверхность с максимальной интенсивностью. Обычно оно находится в пределах от 3 до 5 часов по российской территории.
  • Общая энергия излучения – величина, измеряемая за день облучения поверхности. Она определяется как произведение 1 кВтч и количества инсоляционных часов.
  • Солнечная мощность – величина энергии, рассчитанная за сутки (24 часа). Этот показатель рассчитывается как соотношение общей энергии за день к 24 часам.

Размещение панелей

размещение солнечных 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.

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.