Saulė išskiria didžiulį energijos kiekį – maždaug 1,1x1020 kWh per sekundę. Kilovatvalandė – tai energijos kiekis, reikalingas 100 vatų kaitrinei lemputei veikti 10 valandų. Išorinė Žemės atmosfera sulaiko maždaug vieną milijonąją Saulės skleidžiamos energijos arba maždaug 1500 kvadrilijonų (1,5 x 1018) kWh per metus. Tačiau dėl atspindžio, sklaidos ir atmosferos dujų bei aerozolių absorbcijos Žemės paviršių pasiekia tik 47% visos energijos arba maždaug 700 kvadrilijonų (7 x 1017) kWh.
Saulės spinduliuotė Žemės atmosferoje skirstoma į vadinamąją tiesioginę spinduliuotę ir išsklaidytą spinduliuotę ant atmosferoje esančių oro dalelių, dulkių, vandens ir kt. Jų suma sudaro bendrą saulės spinduliuotę. Energijos kiekis, patenkantis į ploto vienetą per laiko vienetą, priklauso nuo kelių veiksnių:
- platumos
- vietinis metų klimatas
- paviršiaus pasvirimo kampas Saulės atžvilgiu.
Laikas ir geografinė vieta
Saulės energijos kiekis, krentantis į Žemės paviršių, kinta dėl Saulės judėjimo. Šie pokyčiai priklauso nuo paros laiko ir metų laiko. Paprastai vidurdienį Žemę pasiekia daugiau saulės radiacija nei anksti ryte ar vėlai vakare. Vidurdienį Saulė yra aukštai virš horizonto, todėl Saulės spindulių kelio per Žemės atmosferą ilgis sumažėja. Vadinasi, mažiau saulės spinduliuotės išsklaidoma ir sugeriama, o tai reiškia, kad daugiau jos pasiekia paviršių.
Saulės energijos kiekis, pasiekiantis Žemės paviršių, skiriasi nuo metinio vidurkio: žiemos laikas- mažiau nei 0,8 kWh/m2 per dieną Šiaurės Europoje ir daugiau nei 4 kWh/m2 per dieną vasarą tame pačiame regione. Skirtumas mažėja artėjant prie pusiaujo.
(spustelėkite norėdami padidinti)
Saulės energijos kiekis priklauso ir nuo geografinės aikštelės padėties: kuo arčiau pusiaujo, tuo jis didesnis. Pavyzdžiui, vidutinis metinis saulės spinduliuotės kritimas ant horizontalaus paviršiaus yra toks: Vidurio Europoje, Centrine Azija ir Kanada – apie 1000 kWh/m2; Viduržemio jūroje - apie 1700 kWh / m2; daugumoje Afrikos, Artimųjų Rytų ir Australijos dykumų regionų – maždaug 2200 kWh/m2.
Taigi saulės spinduliuotės kiekis labai skiriasi priklausomai nuo metų laiko ir Geografinė padėtis(žr. lentelę). Į šį veiksnį reikia atsižvelgti naudojant saulės energiją.
| Pietų Europa | Vidurio Europa | Šiaurės Europa | Karibų regionas | |
| sausio mėn | 2,6 | 1,7 | 0,8 | 5,1 |
| vasario mėn | 3,9 | 3,2 | 1,5 | 5,6 |
| Kovas | 4,6 | 3,6 | 2,6 | 6,0 |
| Balandis | 5,9 | 4,7 | 3,4 | 6,2 |
| Gegužė | 6,3 | 5,3 | 4,2 | 6,1 |
| birželis | 6,9 | 5,9 | 5,0 | 5,9 |
| liepos mėn | 7,5 | 6,0 | 4,4 | 6,0 |
| Rugpjūtis | 6,6 | 5,3 | 4,0 | 6,1 |
| rugsėjis | 5,5 | 4,4 | 3,3 | 5,7 |
| Spalio mėn | 4,5 | 3,3 | 2,1 | 5,3 |
| lapkritis | 3,0 | 2,1 | 1,2 | 5,1 |
| gruodį | 2,7 | 1,7 | 0,8 | 4,8 |
| METAI | 5,0 | 3,9 | 2,8 | 5,7 |
Debesų įtaka saulės energijai
Saulės spinduliuotės kiekis, pasiekiantis Žemės paviršių, priklauso nuo įvairių atmosferos reiškinių ir nuo Saulės padėties tiek dieną, tiek ištisus metus. Debesys – pagrindinis atmosferos reiškinys, nulemiantis Žemės paviršių pasiekiančios saulės spinduliuotės kiekį. Bet kuriame Žemės taške, didėjant debesuotumui, Žemės paviršių pasiekianti saulės spinduliuotė mažėja. Todėl šalys, kuriose vyrauja debesuotas oras, gauna mažiau saulės spinduliuotės nei dykumos, kuriose oras dažniausiai būna be debesų.
Debesų susidarymui įtakos turi vietinės reljefo ypatybės, tokios kaip kalnai, jūros ir vandenynai, taip pat dideli ežerai. Todėl šiose vietovėse ir aplinkiniuose regionuose gaunamos saulės spinduliuotės kiekis gali skirtis. Pavyzdžiui, kalnai gali gauti mažiau saulės spinduliuotės nei gretimos papėdės ir lygumos. Vėjai, pučiantys link kalnų, dalį oro priverčia kilti aukštyn ir, aušindami ore esančią drėgmę, susidaro debesys. Saulės spinduliuotės kiekis pakrantės zonose taip pat gali skirtis nuo fiksuoto sausumos teritorijose.
Saulės energijos kiekis, gaunamas per dieną, labai priklauso nuo vietinių atmosferos sąlygų. Vidurdienį su giedru dangumi bendra saulės energija
ant horizontalaus paviršiaus krentanti spinduliuotė gali siekti (pavyzdžiui, Vidurio Europoje) 1000 W/m2 (esant labai palankioms oro sąlygoms šis rodiklis gali būti didesnis), o esant labai debesuotam orui net žemiau 100 W/m2 vidurdienį.
Oro taršos įtaka saulės energijai
Žmogaus sukurti ir gamtos reiškiniai taip pat gali apriboti Saulės spinduliuotės kiekį, pasiekiantį Žemės paviršių. Miesto smogas, laukinių gaisrų dūmai ir vulkaninės veiklos ore sklindantys pelenai sumažina saulės energijos panaudojimo galimybes padidindami saulės spinduliuotės sklaidą ir sugertį. Tai yra, šie veiksniai turi didesnę įtaką tiesioginei saulės spinduliuotei nei bendrajai spinduliuotei. Esant stipriai oro taršai, pavyzdžiui, smogui, tiesioginė spinduliuotė sumažėja 40 proc., o bendra radiacija tik 15-25 proc. Stiprus ugnikalnio išsiveržimas dideliame Žemės paviršiaus plote gali sumažinti tiesioginę saulės spinduliuotę 20%, o bendrą spinduliuotę – 10% per laikotarpį nuo 6 mėnesių iki 2 metų. Vulkaninių pelenų kiekiui atmosferoje mažėjant, poveikis silpnėja, tačiau visiškas atsigavimas gali užtrukti keletą metų.
Saulės energijos potencialas
Saulė suteikia mums 10 000 kartų daugiau nemokamos energijos nei iš tikrųjų sunaudojama visame pasaulyje. Vien pasaulinėje komercinėje rinkoje per metus nuperkama ir parduodama kiek mažiau nei 85 trilijonai (8,5 x 1013) kWh energijos. Kadangi neįmanoma stebėti viso proceso, neįmanoma tiksliai pasakyti, kiek žmonės sunaudoja nekomercinės energijos (pavyzdžiui, kiek surenkama ir sudegina medienos ir trąšų, kiek vandens sunaudojama mechaninei ar elektros energijai gaminti). ). Kai kurie ekspertai skaičiuoja, kad tokia nekomercinė energija sudaro penktadalį visos sunaudojamos energijos. Tačiau net jei taip yra, bendra žmonijos per metus suvartojama energija sudaro tik maždaug septynias tūkstantąsias saulės energijos, kuri per tą patį laikotarpį pasiekia Žemės paviršių.
Išsivysčiusiose šalyse, tokiose kaip JAV, energijos suvartojimas yra maždaug 25 trilijonai (2,5 x 1013) kWh per metus, o tai atitinka daugiau nei 260 kWh vienam asmeniui per dieną. Šis skaičius prilygsta daugiau nei šimtui 100 W kaitrinių lempučių eksploatavimui visą dieną kasdien. Vidutinis JAV pilietis suvartoja 33 kartus daugiau energijos nei indas, 13 kartų daugiau nei kinas, du su puse karto daugiau nei japonas ir du kartus daugiau nei švedas.
Saulės energijos kiekis, krentantis į Žemės paviršių, yra daug kartų didesnis nei jos suvartojimas net ir tokiose šalyse kaip JAV, kur energijos suvartojimas yra milžiniškas. Jei saulės įrangai (fotovoltinėms plokštėms ar saulės sistemos karšto vandens tiekimui) veikiančių 10% naudingumo koeficientu, tuomet JAV visiškai apsirūpintų energija. Tą patį galima pasakyti apie visas kitas išsivysčiusias šalis. Tačiau tam tikra prasme tai nerealu – pirma, dėl fotovoltinių sistemų brangumo, antra, tokių didelių plotų padengti saulės įranga nepakenkiant ekosistemai neįmanoma. Bet pats principas yra teisingas.
Tą patį plotą galite padengti išsklaidydami įrenginius ant pastatų stogų, ant namų, pakelėse, iš anksto nustatytuose žemės sklypuose ir pan. Be to, daugelyje šalių daugiau nei 1 % žemės jau yra skirta energijos gavybai, transformavimui, gamybai ir transportavimui. Ir kadangi didžioji dalis šios energijos yra neatsinaujinanti žmogaus mastu, tokio tipo energijos gamyba yra daug kenksmingesnė aplinkai nei saulės sistemos.
Mūsų žvaigždė iš palydovo
Saulės konstanta – tai elektromagnetinės spinduliuotės kiekis, sklindantis iš Saulės 1 astronominio vieneto atstumu (vidutinis atstumas nuo Žemės iki mūsų žvaigždės) ir krentantis statmenai į tam tikrą sritį. Matuojant palydovais, saulės konstanta yra 1,366 kilovatai kvadratiniam metrui. Mūsų žvaigždė skleidžia elektromagnetinę spinduliuotę visame spektre – nuo radijo bangų iki infraraudonųjų spindulių, nuo matomos šviesos iki rentgeno spindulių.
Jei galėtume susumuoti visą šios spinduliuotės energiją, gautume visą Saulės spinduliuotę.
Saulės konstanta
Tai spinduliuotės kiekis, kuris patenka į Saulei statmeną sritį. Tiesą sakant, spinduliai, kuriuos matome netoli Žemės paviršiaus, yra nedidelė šios konstantos dalis. Taip yra todėl, kad planetos atmosfera blokuoja kai kuriuos bangos ilgius.
Priklausomai nuo jūsų vietos planetoje, gaunamos šviesos kiekis skiriasi. Saulė skleidžia 2 milijardus kartų daugiau energijos nei gaunama Žemėje.
Saulės spinduliuotės kiekis, kurį gauna Žemė, taip pat skiriasi priklausomai nuo jos taško orbitoje. Kadangi Žemės orbita yra šiek tiek elipsė, artimiausiame jos orbitos taške gaunama 1,413 kW/m2 energijos. Tolimiausiame taške saulės spinduliuotės vertė yra tik 1,321 kW/m2.
Žemę pasiekiančios saulės šviesos intensyvumas skiriasi priklausomai nuo paros laiko, metų, vietos ir oro sąlygų. Bendras energijos kiekis, apskaičiuotas per dieną arba per metus, vadinamas apšvitinimu (arba kitaip „įeinančia saulės spinduliuote“) ir parodo, kokia galinga buvo saulės spinduliuotė. Švitinimas matuojamas W*h/m² per dieną arba kitu laikotarpiu.
Saulės spinduliuotės intensyvumas laisvoje erdvėje, esant atstumui, lygiam vidutiniam atstumui tarp Žemės ir Saulės, vadinamas saulės konstanta. Jo vertė – 1353 W/m². Per atmosferą saulės šviesa susilpnėja daugiausia dėl infraraudonųjų spindulių sugerties vandens garų, ultravioletinių spindulių – ozono ir spinduliuotės išsklaidymo atmosferos dulkių dalelėmis ir aerozoliais. Atmosferos įtakos saulės spinduliuotės intensyvumui rodiklis, siekiantis iki žemės paviršiaus, vadinamas „oro mase“ (AM). AM apibrėžiamas kaip kampo tarp Saulės ir zenito sekantas.
1 paveiksle parodytas saulės spinduliuotės intensyvumo spektrinis pasiskirstymas įvairiomis sąlygomis. Viršutinė kreivė (AM0) atitinka saulės spektrą už žemės atmosferos ribų (pavyzdžiui, erdvėlaivyje), t.y. esant nulinei oro masei. Jis apytiksliai apskaičiuojamas pagal visiškai juodo kūno spinduliuotės intensyvumo pasiskirstymą esant 5800 K temperatūrai. Kreivės AM1 ir AM2 iliustruoja Saulės spinduliuotės spektrinį pasiskirstymą Žemės paviršiuje, kai Saulė yra zenite ir kampu tarp Saulė ir 60° zenitas, atitinkamai. Kuriame pilna jėga radiacija – atitinkamai apie 925 ir 691 W/m². Vidutinis spinduliuotės intensyvumas Žemėje maždaug sutampa su spinduliavimo intensyvumu, kai AM=1,5 (Saulė yra 45° kampu su horizontu).
Netoli Žemės paviršiaus saulės spinduliuotės intensyvumo vidutinę vertę galime laikyti 635 W/m². Labai giedrą saulėtą dieną ši vertė svyruoja nuo 950 W/m² iki 1220 W/m². Vidutinė vertė yra maždaug 1000 W/m². Pavyzdys: bendras radiacijos intensyvumas Ciuriche (47°30′ š., 400 m virš jūros lygio) radiacijai statmenoje vietoje: gegužės 1 d. 12:00 1080 W/m² gruodžio 21 d. 12:00 930 W/m². Kad būtų supaprastintas saulės energijos srauto skaičiavimas, jis paprastai išreiškiamas saulės valandomis, kurių intensyvumas yra 1000 W/m². Tie. 1 valanda atitinka 1000 W*h/m² saulės spinduliuotės atėjimą. Tai maždaug atitinka laikotarpį, kai vasarą saulė šviečia saulėtą, be debesų dieną ant statmeno saulės spinduliams paviršiaus.
Pavyzdys
Ryški saulė šviečia 1000 W/m² ant paviršiaus, statmeno saulės spinduliams. Per 1 valandą 1 m² nukrenta 1 kWh energijos (energija lygi galios kartų laikui). Panašiai, vidutinis 5 kWh/m² saulės spinduliavimas per dieną atitinka 5 didžiausias saulės valandas per dieną. Nepainiokite piko valandų su tikrosiomis dienos šviesos valandomis. Dieną saulė šviečia skirtingu intensyvumu, tačiau iš viso suteikia tiek pat energijos, lyg maksimaliu intensyvumu šviestų 5 valandas. Skaičiuojant saulės energijos įrenginius, naudojamos saulės piko valandos.
Saulės spinduliuotės atskleidimas skiriasi visą dieną ir įvairiose vietose, ypač kalnuotose vietovėse. Švitinimas vidutiniškai svyruoja nuo 1000 kWh/m² per metus Šiaurės Europos šalyse iki 2000–2500 kWh/m² per metus dykumose. Oro sąlygos ir saulės nukrypimas (kuris priklauso nuo vietovės platumos) taip pat lemia saulės spinduliuotės atvykimo skirtumus.
Rusijoje, priešingai populiariems įsitikinimams, yra daug vietų, kur pelninga saulės energiją paversti elektros energija. Žemiau yra saulės energijos išteklių Rusijoje žemėlapis. Kaip matote, didžiojoje Rusijos dalyje jis gali būti sėkmingai naudojamas sezoniniu režimu, o vietovėse, kuriose per metus šviečia daugiau nei 2000 saulės valandų - ištisus metus. Natūralu, kad žiemą energijos gamyba iš saulės baterijų gerokai sumažėja, tačiau vis tiek elektros energijos kaina iš saulės elektrinės išlieka žymiai mažesnė nei iš dyzelinio ar benzininio generatoriaus.
Ypač palanku jį naudoti ten, kur nėra centralizuotų elektros tinklų, o energiją tiekia dyzeliniai generatoriai. O tokių sričių Rusijoje yra labai daug.
Be to, net ir ten, kur yra tinklai, lygiagrečiai su tinklu veikiančių saulės baterijų naudojimas gali žymiai sumažinti elektros sąnaudas. Esant dabartinei Rusijos gamtinės energetikos monopolijų tarifų didinimo tendencijai, saulės baterijų įrengimas tampa protinga investicija.
Beveik visa energija Žemėje ateina iš Saulės. Jei ne tai, Žemė būtų šalta ir negyva. Augalai auga, nes gauna reikiamos energijos. Saulė yra atsakinga už vėją, o net iškastinis kuras yra mūsų žvaigždės energija, sukaupta prieš milijonus metų. Tačiau kiek energijos iš to gaunama?
Kaip tikriausiai žinote, jo šerdyje temperatūra ir slėgis yra tokie aukšti, kad vandenilio atomai susilieja ir sudaro helio atomus.
Saulės spinduliavimas
Dėl šios sintezės reakcijos žvaigždė pagamina 386 milijardus megavatų. Dauguma spinduliavo į kosmosą. Štai kodėl mes matome žvaigždes, nutolusias nuo Žemės dešimčių ir šimtų šviesmečių atstumu. Saulės spinduliuotės galia yra 1,366 kilovatai kvadratiniam metrui. Per atmosferą ir Žemės paviršių pasiekia apie 89 000 teravatų. Pasirodo, jo energija Žemėje yra apie 89 000 teravatų! Palyginimui, kiekvieno žmogaus bendras suvartojimas yra 15 teravatų.
Taigi Saulė suteikia 5900 kartų daugiau energijos nei šiuo metu pagamina žmonės. Mums tereikia išmokti juo naudotis.
Dauguma efektyvus metodas Naudokite mūsų žvaigždės spinduliuotę naudodami fotovoltinius elementus. Iš esmės tai yra fotonų pavertimas elektra. Tačiau energiją sukuria vėjas, todėl generatoriai dirba. Saulė padeda auginti pasėlius, kuriuos naudojame biokurui gaminti. Ir, kaip minėjome, iškastinis kuras, pvz., nafta ir anglis, yra koncentruota saulės spinduliuotė, kurią per milijonus metų surenka augalai.
Saulės insoliacija- tai dydis, apibrėžiantis paviršiaus apšvitinimo saulės spindulių pluoštu (netgi atspindėtu ar išsklaidytu debesų) kiekį. Paviršius gali būti bet koks, įskaitant saulės bateriją, kuri paverčia saulės energiją į elektros energija. O kiek efektyvi bus jūsų natūrali elektrinė, lemia saulės insoliacijos parametras. Insoliacija matuojama kWh/m2, tai yra saulės energijos kiekis, kurį per valandą gauna vienas kvadratinis metras paviršiaus. Natūraliai gauti metrikai skaičiuojami esant idealioms sąlygoms: visiškam debesų nebuvimui ir saulės spindulių patekimui į paviršių stačiu kampu (statmenu).
Paprastais žodžiais, saulės insoliacija – tai vidutinis valandų skaičius per dieną, kai saulė giedru oru apšviečia apskaičiuotą paviršių stačiu kampu.
Gana dažnai žmonės mano, kad jei saulė teka 6 val. ryto ir leidžiasi 19 val., tai saulės baterijos paros galia turėtų būti skaičiuojama kaip jos galios sandauga iš 13 valandų, kol švietė saulė. Tai iš esmės neteisinga, nes yra debesuotumas, tačiau pagrindinė saulė juda dangumi, mesdama spindulius į žemės paviršių skirtingais kampais. Taip, žinoma, galite naudoti specialius sekiklius, kurie jūsų saulės bateriją pavers saulės link, tačiau tai brangu ir retai ekonomiškai pagrįsta. Sekikliai naudojami, kai reikia padidinti galią ploto vienetui.
Iš kur gaunami saulės aktyvumo duomenys?
Nacionalinė aeronautikos ir kosmoso administracija (NASA) tiria saulės aktyvumą visuose mūsų planetos regionuose. Palydovai visą parą stebi saulės aktyvumą ir įveda gautą informaciją į lenteles. Skaičiuojant atsižvelgiama į paskutinių 25 metų duomenis. Tokios Sankt Peterburgo lentelės (59.944, 30.323) pavyzdį galite pamatyti adresu https://eosweb.larc.nasa.gov/. Ši organizacija priklauso JAV federalinei vyriausybei ir, deja, jų svetainė yra tik anglų kalba.
Nereikia iššifruoti visų lentelėje pateiktų verčių ir koeficientų, nes mus domina tik du - tai yra tikroji saulės insoliacijos vertė tam tikrais mėnesiais (OPT) ir optimalaus pasvirimo kampo vertė. saulės kolektorių (OPT ANG).
Saulės elektrinės galios apskaičiavimas pagal insoliacijos vertes
Tarkime, Sankt Peterburge turime tinklinę 5 kW galios saulės elektrinę ir norime skaičiuoti jos galią birželį. Saulės moduliai montuojami optimaliu kampu.
5 kW * 5,76 kW*h/m2 * 30 dienų = 864 kW*h
* Formulė supaprastinta, todėl skaičiavimo vienetai formulėje neatitiks atsakymo. Tai galima ištaisyti į formulę įvedus saulės elektrinės parametrus ir dienas paverčiant valandomis.
Tačiau sausio mėnesį ta pati elektrinė pagamins tik 5 * 1,13 * 30 = 169,5 kWh, todėl Sankt Peterburge saulės baterijos aktyviai naudojamos tik vasarą.
Per metus panašiai saulės elektrinė galės gauti 5*3,4*365=6205 kW arba 6,2 MW švarios elektros. Pelninga? Jūs turite nuspręsti, nes tinklo elektrinės tarnavimo laikas yra daugiau nei 50 metų, o pramoninės elektros tarifai kasmet auga mažiausiai 10%.