Saule izstaro milzīgu enerģijas daudzumu – aptuveni 1,1x1020 kWh sekundē. Kilovatstunda ir enerģijas daudzums, kas nepieciešams 100 vatu kvēlspuldzes darbināšanai 10 stundas. Zemes ārējā atmosfēra pārtver aptuveni vienu miljono daļu no Saules izstarotās enerģijas jeb aptuveni 1500 kvadriljonus (1,5 x 1018) kWh gadā. Tomēr atmosfēras gāzu un aerosolu atstarošanas, izkliedes un absorbcijas dēļ tikai 47% no kopējās enerģijas jeb aptuveni 700 kvadriljoni (7 x 1017) kWh sasniedz Zemes virsmu.
Saules starojums Zemes atmosfērā tiek iedalīts tā sauktajā tiešajā starojumā un izkliedētajā starojumā uz atmosfērā esošajām gaisa daļiņām, putekļiem, ūdens u.c. To summa veido kopējo saules starojumu. Enerģijas daudzums, kas krīt uz laukuma vienību laika vienībā, ir atkarīgs no vairākiem faktoriem:
- platuma grādos
- gada vietējā klimata sezona
- virsmas slīpuma leņķis attiecībā pret Sauli.
Laiks un ģeogrāfiskā atrašanās vieta
Saules enerģijas daudzums, kas nokrīt uz Zemes virsmas, mainās Saules kustības ietekmē. Šīs izmaiņas ir atkarīgas no diennakts laika un gada laika. Parasti pusdienlaikā Zemi trāpa vairāk saules radiācija nekā agri no rīta vai vēlu vakarā. Pusdienlaikā Saule atrodas augstu virs horizonta, un Saules staru ceļa garums caur Zemes atmosfēru ir samazināts. Līdz ar to mazāk saules starojuma tiek izkliedēts un absorbēts, kas nozīmē, ka vairāk sasniedz virsmu.
Saules enerģijas daudzums, kas sasniedz Zemes virsmu, atšķiras no gada vidējā: ziemas laiks- mazāk nekā 0,8 kWh/m2 dienā Ziemeļeiropā un vairāk nekā 4 kWh/m2 dienā vasarā tajā pašā reģionā. Atšķirība samazinās, tuvojoties ekvatoram.
(noklikšķiniet, lai palielinātu)
Saules enerģijas daudzums ir atkarīgs arī no vietas ģeogrāfiskās atrašanās vietas: jo tuvāk ekvatoram, jo tas ir lielāks. Piemēram, vidējais ikgadējais kopējais saules starojums uz horizontālas virsmas ir: Centrāleiropā, Vidusāzija un Kanāda - aptuveni 1000 kWh/m2; Vidusjūrā - aptuveni 1700 kWh / m2; lielākajā daļā Āfrikas, Tuvo Austrumu un Austrālijas tuksnešaino reģionu - aptuveni 2200 kWh/m2.
Tādējādi saules starojuma daudzums būtiski atšķiras atkarībā no gada laika un ģeogrāfiskā atrašanās vieta(skatīt tabulu). Šis faktors ir jāņem vērā, izmantojot saules enerģiju.
| Dienvideiropa | Centrāleiropa | Ziemeļeiropa | Karību jūras reģions | |
| janvārī | 2,6 | 1,7 | 0,8 | 5,1 |
| februāris | 3,9 | 3,2 | 1,5 | 5,6 |
| marts | 4,6 | 3,6 | 2,6 | 6,0 |
| aprīlis | 5,9 | 4,7 | 3,4 | 6,2 |
| maijā | 6,3 | 5,3 | 4,2 | 6,1 |
| jūnijs | 6,9 | 5,9 | 5,0 | 5,9 |
| jūlijā | 7,5 | 6,0 | 4,4 | 6,0 |
| augusts | 6,6 | 5,3 | 4,0 | 6,1 |
| septembris | 5,5 | 4,4 | 3,3 | 5,7 |
| oktobris | 4,5 | 3,3 | 2,1 | 5,3 |
| novembris | 3,0 | 2,1 | 1,2 | 5,1 |
| decembris | 2,7 | 1,7 | 0,8 | 4,8 |
| GADS | 5,0 | 3,9 | 2,8 | 5,7 |
Mākoņu ietekme uz saules enerģiju
Saules starojuma daudzums, kas sasniedz Zemes virsmu, ir atkarīgs no dažādām atmosfēras parādībām un no Saules stāvokļa gan dienas laikā, gan visa gada garumā. Mākoņi ir galvenā atmosfēras parādība, kas nosaka Saules starojuma daudzumu, kas sasniedz Zemes virsmu. Jebkurā Zemes punktā saules starojums, kas sasniedz Zemes virsmu, samazinās, palielinoties mākoņu segai. Līdz ar to valstis ar pārsvarā mākoņainiem laikapstākļiem saņem mazāk saules starojuma nekā tuksneši, kur pārsvarā ir bez mākoņiem.
Mākoņu veidošanos ietekmē vietējās reljefa īpatnības, piemēram, kalni, jūras un okeāni, kā arī lieli ezeri. Tāpēc šajās teritorijās un to apkārtējos reģionos saņemtā saules starojuma daudzums var atšķirties. Piemēram, kalni var saņemt mazāk saules starojuma nekā blakus esošās pakājes un līdzenumi. Vēji, kas pūš uz kalniem, liek daļai gaisa pacelties un, atdzesējot gaisā esošo mitrumu, veidojas mākoņi. Saules starojuma daudzums piekrastes zonās var atšķirties arī no tā, kas reģistrēts teritorijās, kas atrodas iekšzemē.
Dienas laikā saņemtais saules enerģijas daudzums lielā mērā ir atkarīgs no vietējiem atmosfēras apstākļiem. Pusdienlaikā ar skaidrām debesīm kopējā Saule
starojums, kas krīt uz horizontālu virsmu, var sasniegt (piemēram, Centrāleiropā) vērtību 1000 W/m2 (ļoti labvēlīgos laikapstākļos šis rādītājs var būt lielāks), savukārt ļoti mākoņainā laikā tas var būt pat zem 100 W/m2 pusdienlaikā.
Gaisa piesārņojuma ietekme uz saules enerģiju
Cilvēka radītas un dabas parādības var ierobežot arī saules starojuma daudzumu, kas sasniedz Zemes virsmu. Pilsētas smogs, dūmi no ugunsgrēkiem un vulkānisko darbību radītie pelni samazina spēju izmantot saules enerģiju, palielinot saules starojuma izkliedi un absorbciju. Tas nozīmē, ka šiem faktoriem ir lielāka ietekme uz tiešo saules starojumu nekā uz kopējo starojumu. Ar smagu gaisa piesārņojumu, piemēram, ar smogu, tiešais starojums samazinās par 40%, bet kopējais starojums tikai par 15-25%. Spēcīgs vulkāna izvirdums lielā Zemes virsmas laukumā var samazināt tiešo saules starojumu par 20% un kopējo starojumu par 10% laika posmā no 6 mēnešiem līdz 2 gadiem. Samazinoties vulkānisko pelnu daudzumam atmosfērā, efekts vājinās, bet pilnīga atveseļošanās var ilgt vairākus gadus.
Saules enerģijas potenciāls
Saule nodrošina mūs ar 10 000 reižu vairāk bezmaksas enerģijas, nekā patiesībā tiek izmantots visā pasaulē. Tikai pasaules komerciālajā tirgū vien tiek nopirkti un pārdoti nedaudz mazāk par 85 triljoniem (8,5 x 1013) kWh enerģijas gadā. Tā kā nav iespējams uzraudzīt visu procesu, nav iespējams droši pateikt, cik daudz nekomerciālās enerģijas cilvēki patērē (piemēram, cik daudz koksnes un mēslojuma tiek savākts un sadedzināts, cik daudz ūdens tiek izmantots mehāniskās vai elektriskās enerģijas ražošanai ). Daži eksperti lēš, ka šāda nekomerciāla enerģija veido vienu piekto daļu no visas izmantotās enerģijas. Bet pat tad, ja tas tā ir, kopējā cilvēces gada laikā patērētā enerģija ir tikai aptuveni viena septiņtūkstošā daļa no saules enerģijas, kas tajā pašā laika posmā sasniedz Zemes virsmu.
Attīstītajās valstīs, piemēram, ASV, enerģijas patēriņš ir aptuveni 25 triljoni (2,5 x 1013) kWh gadā, kas atbilst vairāk nekā 260 kWh uz vienu cilvēku dienā. Šis skaitlis atbilst vairāk nekā simts 100 W kvēlspuldžu darbināšanai veselu dienu katru dienu. Vidējais ASV pilsonis patērē 33 reizes vairāk enerģijas nekā indietis, 13 reizes vairāk nekā ķīnietis, divarpus reizes vairāk nekā japānis un divreiz vairāk nekā zviedrs.
Saules enerģijas daudzums, kas nokrīt uz Zemes virsmas, ir daudzkārt lielāks par tās patēriņu pat tādās valstīs kā ASV, kur enerģijas patēriņš ir milzīgs. Ja tikai 1% no valsts zemes platības tiktu izmantota saules iekārtu (fotoelektrisko paneļu vai saules sistēmas karstā ūdens apgādei), kas darbojas ar 10% efektivitāti, tad ASV būtu pilnībā pašpietiekamas ar enerģiju. To pašu var teikt par visām pārējām attīstītajām valstīm. Taču savā ziņā tas ir nereāli – pirmkārt, fotoelementu sistēmu augsto izmaksu dēļ, otrkārt, tik lielas platības nav iespējams noklāt ar saules iekārtām, nekaitējot ekosistēmai. Bet pats princips ir pareizs.
Jūs varat segt vienu un to pašu platību, izkliedējot instalācijas uz ēku jumtiem, uz mājām, gar ceļiem, uz iepriekš noteiktiem zemes gabaliem utt. Turklāt daudzās valstīs vairāk nekā 1% zemes jau ir atvēlēta enerģijas ieguvei, pārveidošanai, ražošanai un transportēšanai. Un tā kā lielākā daļa šīs enerģijas cilvēka mērogā nav atjaunojama, šāda veida enerģijas ražošana ir daudz kaitīgāka videi nekā saules sistēmas.
Mūsu zvaigzne no satelīta
Saules konstante ir elektromagnētiskā starojuma daudzums, kas sasniedz no Saules 1 astronomiskās vienības attālumā (vidējais attālums no Zemes līdz mūsu zvaigznei) un krīt perpendikulāri noteiktam apgabalam. Mērot ar satelītiem, saules konstante ir 1,366 kilovati uz kvadrātmetru. Mūsu zvaigzne izstaro elektromagnētisko starojumu visā spektrā, no radio viļņiem līdz infrasarkanajam, no redzamās gaismas līdz rentgena stariem.
Ja mēs varētu saskaitīt visu šī starojuma enerģiju, mēs iegūtu kopējo Saules starojumu.
Saules konstante
Tas ir starojuma daudzums, kas skar apgabalu, kas ir perpendikulārs Saulei. Faktiski stari, ko mēs redzam netālu no Zemes virsmas, ir neliela daļa no šīs konstantes. Tas ir tāpēc, ka planētas atmosfēra bloķē dažus viļņu garumus.
Atkarībā no jūsu atrašanās vietas uz planētas, gaismas daudzums, ko saņemat, atšķiras. Saule izstaro 2 miljardus reižu enerģiju, ko saņem uz Zemes.
Saules starojuma daudzums, ko saņem Zeme, arī mainās atkarībā no tās punkta orbītā. Tā kā Zemei ir nedaudz eliptiska orbīta, tās orbītas tuvākajā punktā saņemtais enerģijas daudzums ir 1,413 kW/m2. Tā visattālākajā punktā saules starojuma vērtība ir tikai 1,321 kW/m2.
Saules gaismas intensitāte, kas sasniedz zemi, mainās atkarībā no diennakts laika, gada, atrašanās vietas un laika apstākļiem. Kopējo enerģijas daudzumu, kas aprēķināts dienā vai gadā, sauc par apstarošanu (vai citādi "ienākošo saules starojumu"), un tas parāda, cik spēcīgs bija saules starojums. Apstarošanu mēra W*h/m² dienā vai citā laika periodā.
Saules starojuma intensitāti brīvā telpā attālumā, kas vienāds ar vidējo attālumu starp Zemi un Sauli sauc par saules konstanti. Tā vērtība ir 1353 W/m². Izejot cauri atmosfērai, saules gaisma tiek vājināta galvenokārt tāpēc, ka ūdens tvaiki absorbē infrasarkano starojumu, ozons absorbē ultravioleto starojumu, kā arī atmosfēras putekļu daļiņas un aerosoli izkliedē starojumu. Atmosfēras ietekmes uz saules starojuma intensitāti rādītājs, kas sasniedz līdz zemes virsma, sauc par “gaisa masu” (AM). AM tiek definēts kā leņķa nogrieznis starp Sauli un zenītu.
1. attēlā parādīts saules starojuma intensitātes spektrālais sadalījums dažādos apstākļos. Augšējā līkne (AM0) atbilst Saules spektram ārpus zemes atmosfēras (piemēram, uz kosmosa kuģa), t.i. pie nulles gaisa masas. To tuvina pēc pilnīgi melna ķermeņa starojuma intensitātes sadalījuma 5800 K temperatūrā. Līknes AM1 un AM2 ilustrē Saules starojuma spektrālo sadalījumu uz Zemes virsmas, kad Saule atrodas zenītā un leņķī starp Saule un attiecīgi 60° zenīts. Kurā pilna jauda starojums - attiecīgi aptuveni 925 un 691 W/m². Vidējā starojuma intensitāte uz Zemes aptuveni sakrīt ar starojuma intensitāti pie AM=1,5 (Saule atrodas 45° leņķī pret horizontu).
Netālu no Zemes virsmas saules starojuma intensitātes vidējo vērtību varam pieņemt kā 635 W/m². Ļoti skaidrā saulainā dienā šī vērtība svārstās no 950 W/m² līdz 1220 W/m². Vidējā vērtība ir aptuveni 1000 W/m². Piemērs: kopējā starojuma intensitāte Cīrihē (47°30′N, 400 m virs jūras līmeņa) uz virsmas, kas ir perpendikulāra starojumam: 1. maijs 12:00 1080 W/m² 21. decembris 12:00 930 W/m². Lai vienkāršotu saules enerģijas ienākšanas aprēķinu, to parasti izsaka saules stundās ar intensitāti 1000 W/m². Tie. 1 stunda atbilst saules starojuma ienākšanai 1000 W*h/m². Tas aptuveni atbilst periodam, kad saule spīd vasarā saulainas, bez mākoņainas dienas vidū uz virsmas, kas ir perpendikulāra saules stariem.
Piemērs
Spoža saule spīd ar 1000 W/m² intensitāti uz virsmas, kas ir perpendikulāra saules stariem. 1 stundas laikā uz 1 m² nokrīt 1 kWh enerģijas (enerģija ir vienāda ar jaudas reizināšanu laikā). Līdzīgi, vidējais saules starojums 5 kWh/m² dienā atbilst 5 maksimālām saules stundām dienā. Nejauciet pīķa stundas ar faktiskajām dienasgaismas stundām. Dienā saule spīd ar dažādu intensitāti, bet kopumā tā dod tādu pašu enerģijas daudzumu, it kā spīdētu 5 stundas ar maksimālo intensitāti. Saules enerģijas iekārtu aprēķinos tiek izmantotas saules maksimālās stundas.
Saules starojuma ienākšana mainās visas dienas garumā un dažādās vietās, īpaši kalnu apgabalos. Apstarošana svārstās vidēji no 1000 kWh/m² gadā Ziemeļeiropas valstīs līdz 2000-2500 kWh/m² gadā tuksnešos. Arī laika apstākļi un saules deklinācija (kas ir atkarīga no apgabala platuma) rada atšķirības saules starojuma ienākšanā.
Krievijā, pretēji plaši izplatītam uzskatam, ir daudz vietu, kur saules enerģiju ir izdevīgi pārvērst elektrībā, izmantojot. Zemāk ir saules enerģijas resursu karte Krievijā. Kā redzat, lielākajā daļā Krievijas to var veiksmīgi izmantot sezonas režīmā, un apgabalos ar vairāk nekā 2000 saules stundu gadā - visu gadu. Likumsakarīgi, ka ziemā enerģijas ražošana no saules paneļiem ir ievērojami samazināta, taču tik un tā elektroenerģijas izmaksas no saules elektrostacijas saglabājas ievērojami zemākas nekā no dīzeļa vai benzīna ģeneratora.
Īpaši izdevīgi to izmantot tur, kur nav centralizētu elektrotīklu un energoapgādi nodrošina dīzeļģeneratori. Un tādu jomu Krievijā ir ļoti daudz.
Turklāt pat tur, kur pastāv tīkli, saules paneļu izmantošana, kas darbojas paralēli tīklam, var ievērojami samazināt enerģijas izmaksas. Ņemot vērā pašreizējo tendenci palielināt Krievijas dabiskās enerģijas monopolu tarifus, saules paneļu uzstādīšana kļūst par gudru ieguldījumu.
Gandrīz visa enerģija uz Zemes nāk no Saules. Ja ne tā, Zeme būtu auksta un nedzīva. Augi aug, jo saņem nepieciešamo enerģiju. Saule ir atbildīga par vēju, un pat fosilais kurināmais ir mūsu zvaigznes enerģija, kas uzkrāta pirms miljoniem gadu. Bet cik daudz enerģijas patiesībā nāk no tā?
Kā jūs droši vien zināt, temperatūra un spiediens ir tik augsti, ka ūdeņraža atomi saplūst, veidojot hēlija atomus.
Saules starojums
Šīs kodolsintēzes reakcijas rezultātā zvaigzne saražo 386 miljardus megavatu. Lielākā daļa izstaro kosmosā. Tāpēc mēs redzam zvaigznes, kas atrodas desmitiem un simtiem gaismas gadu attālumā no Zemes. Saules starojuma jauda ir 1,366 kilovati uz kvadrātmetru. Apmēram 89 000 teravatu iziet cauri atmosfērai un sasniedz Zemes virsmu. Izrādās, ka tā enerģija uz Zemes ir aptuveni 89 000 teravavatu! Salīdzinājumam, katra cilvēka kopējais patēriņš ir 15 teravavati.
Tātad Saule nodrošina 5900 reižu vairāk enerģijas nekā cilvēki pašlaik ražo. Mums vienkārši jāiemācās to izmantot.
Lielākā daļa efektīva metode Izmantojiet mūsu zvaigznes starojumu, izmantojot fotoelementus. Tā ir fotonu pārvēršana elektroenerģijā. Bet enerģiju rada vējš, kas liek strādāt ģeneratoriem. Saule palīdz audzēt labību, ko izmantojam biodegvielas ražošanai. Un, kā mēs jau teicām, fosilais kurināmais, piemēram, nafta un ogles, ir koncentrēts saules starojums, ko augi savāc miljoniem gadu.
Saules insolācija- tas ir lielums, kas nosaka virsmas apstarošanas apjomu ar saules staru kūli (pat atstarotiem vai izkliedētiem mākoņiem). Virsma var būt jebkas, ieskaitot saules bateriju, kas pārvērš saules enerģiju par elektriskā enerģija. Un to, cik efektīva būs jūsu dabiskā spēkstacija, nosaka saules insolācijas parametrs. Insolāciju mēra kWh/m2, tas ir, saules enerģijas daudzumu, ko stundas laikā saņem viens kvadrātmetrs virsmas. Dabiski iegūtie rādītāji tiek aprēķināti ideāliem apstākļiem: pilnīgai mākoņu neesamībai un saules gaismas iekļūšanai uz virsmas taisnā leņķī (perpendikulāri).
Vienkāršiem vārdiem sakot, saules insolācija ir vidējais stundu skaits dienā, kad saule skaidrā laikā apspīd aprēķināto virsmu taisnā leņķī.
Diezgan bieži cilvēki pieņem, ka, ja saule lec pulksten 6 no rīta un riet pulksten 19, tad saules paneļa dienas jauda jāaprēķina kā tā jaudas reizinājums ar 13 stundām, kad saule spīdēja. Tas ir principiāli nepareizi, jo ir mākoņainība, bet galvenā saule virzās pa debesīm, metot starus uz zemes virsmu dažādos leņķos. Jā, protams, jūs varat izmantot īpašus izsekotājus, kas pagriezīs jūsu saules paneli pret sauli, taču tas ir dārgi un reti ekonomiski pamatoti. Izsekotājus izmanto, ja nepieciešams palielināt jaudu uz laukuma vienību.
No kurienes nāk dati par saules aktivitāti?
Nacionālā aeronautikas un kosmosa pārvalde (NASA) pēta saules aktivitāti visos mūsu planētas reģionos. Satelīti visu diennakti uzrauga saules aktivitāti un ievada saņemto informāciju tabulās. Aprēķinos ņemti vērā dati par pēdējiem 25 gadiem. Šādas tabulas piemēru Sanktpēterburgai (59.944, 30.323) varat skatīt vietnē https://eosweb.larc.nasa.gov/. Šī organizācija pieder ASV federālajai valdībai, un diemžēl viņu vietne ir pieejama tikai angļu valodā.
Nav nepieciešams atšifrēt visas tabulā esošās vērtības un koeficientus, jo mūs interesē tikai divi - tā ir faktiskā saules insolācijas vērtība noteiktos mēnešos (OPT) un optimālā slīpuma leņķa vērtība. saules panelis (OPT ANG).
Saules elektrostacijas jaudas aprēķins, pamatojoties uz insolācijas vērtībām
Pieņemsim, ka mums Sanktpēterburgā ir tīkla saules elektrostacija ar jaudu 5 kW un vēlamies aprēķināt tās jaudu jūnijā. Saules moduļi ir uzstādīti optimālā leņķī.
5 kW * 5,76 kW * h/m2 * 30 dienas = 864 kW * h
* Formula ir vienkāršota, tāpēc aprēķina vienības formulā nesakritīs ar atbildi. To var labot, formulā ieviešot saules elektrostacijas parametrus un pārvēršot dienas stundās.
Bet janvārī viena un tā pati elektrostacija ģenerēs tikai 5 * 1,13 * 30 = 169,5 kWh, tāpēc Sanktpēterburgā saules paneļus aktīvi izmanto tikai vasarā.
Jau gadu līdzīgi saules elektrostacija varēs saņemt 5*3,4*365=6205 kW jeb 6,2 MW tīras elektroenerģijas. Ienesīgs? Tas ir jūsu ziņā, jo tīkla elektrostacijas kalpošanas laiks ir vairāk nekā 50 gadi, un rūpnieciskās elektroenerģijas tarifi katru gadu pieaug vismaz par 10%.