Сонце випромінює дуже багато енергії - приблизно 1,1x1020 кВтг на секунду. Кіловат-година - це кількість енергії, необхідна для роботи лампочки розжарювання потужністю 100 Вт протягом 10 годин. Зовнішні шари атмосфери Землі перехоплюють приблизно одну мільйонну частину енергії, що випромінюється Сонцем, або приблизно 1500 квадрильйонів (1,5 x 1018) кВт·год. Однак через відображення, розсіювання та поглинання її атмосферними газами та аерозолями лише 47% усієї енергії, або приблизно 700 квадрильйонів (7 x 1017) кВт·год, досягає поверхні Землі.
Сонячне випромінювання в атмосфері Землі ділиться на так зване пряме випромінювання і на розсіяне на частинках повітря, пилу, води тощо, що містяться в атмосфері. Їхня сума утворює сумарне сонячне випромінювання. Кількість енергії, що падає на одиницю площі в одиницю часу, залежить від ряду факторів:
- широти
- місцевого клімату сезону року
- кута нахилу поверхні по відношенню до Сонця.
Час та географічне положення
Кількість сонячної енергії, що падає на поверхню Землі, змінюється внаслідок руху Сонця. Ці зміни залежать від часу доби та пори року. Зазвичай опівдні на Землю потрапляє більше сонячної радіації, ніж рано-вранці чи пізно ввечері. Опівдні Сонце високо над горизонтом, і довжина шляху проходження променів Сонця через атмосферу Землі скорочується. Отже, менше сонячної радіації розсіюється і поглинається, отже більше досягає поверхні.
Кількість сонячної енергії, що досягає поверхні Землі, відрізняється від середньорічного значення: в зимовий час - менш ніж на 0,8 кВт·год/м2 на день на Півночі Європи та більш ніж на 4 кВт·год/м2 на день у літній час у цьому ж регіоні. Відмінність зменшується у міру наближення до екватора.
(натисніть для збільшення)
Кількість сонячної енергії залежить і від географічного розташування ділянки: чим ближче до екватора, тим воно більше. Наприклад, середньорічне сумарне сонячне випромінювання, що падає на горизонтальну поверхню, становить: у Центральній Європі, Середній Азії та Канаді – приблизно 1000 кВт·год/м2; у Середземномор'ї – приблизно 1700 кВт·год/м2; у більшості пустельних регіонів Африки, Близького Сходу та Австралії – приблизно 2200 кВт·год/м2.
Таким чином, кількість сонячної радіації суттєво різниться залежно від пори року та географічного положення (див. таблицю). Цей фактор необхідно враховувати під час використання сонячної енергії.
| Південна Європа | центральна Європа | Північна Європа | Карибський регіон | |
| Січень | 2,6 | 1,7 | 0,8 | 5,1 |
| Лютий | 3,9 | 3,2 | 1,5 | 5,6 |
| Березень | 4,6 | 3,6 | 2,6 | 6,0 |
| Квітень | 5,9 | 4,7 | 3,4 | 6,2 |
| Травень | 6,3 | 5,3 | 4,2 | 6,1 |
| Червень | 6,9 | 5,9 | 5,0 | 5,9 |
| Липень | 7,5 | 6,0 | 4,4 | 6,0 |
| Серпень | 6,6 | 5,3 | 4,0 | 6,1 |
| Вересень | 5,5 | 4,4 | 3,3 | 5,7 |
| Жовтень | 4,5 | 3,3 | 2,1 | 5,3 |
| Листопад | 3,0 | 2,1 | 1,2 | 5,1 |
| грудень | 2,7 | 1,7 | 0,8 | 4,8 |
| РІК | 5,0 | 3,9 | 2,8 | 5,7 |
Вплив хмар на сонячну енергію
Кількість сонячної радіації, що досягає поверхні Землі, залежить від різних атмосферних явищ та від положення Сонця як протягом дня, так і протягом року. Хмари - основне атмосферне явище, що визначає кількість сонячної радіації, що досягає Землі. У будь-якій точці Землі сонячна радіація, що досягає поверхні Землі, зменшується зі збільшенням хмарності. Отже, країни з переважною хмарною погодою отримують менше сонячної радіації, ніж пустелі, де погода переважно безхмарна.
На формування хмар впливає наявність таких особливостей місцевого рельєфу, як гори, моря та океани, а також великі озера. Тому кількість сонячної радіації, отриманої в цих областях та прилеглих до них регіонах, може відрізнятися. Наприклад, гори можуть отримати менше сонячного випромінювання, ніж прилеглі передгір'я та рівнини. Вітри, що дмуть у бік гір, змушують частину повітря підніматися і, охолоджуючи вологу, що у повітрі, формують хмари. Кількість сонячної радіації у прибережних районах також може відрізнятись від показників, зафіксованих у областях, розташованих усередині континенту.
Кількість сонячної енергії, що надходить протягом дня, значною мірою залежить від місцевих атмосферних явищ. Опівдні при ясному небі сумарне сонячне
випромінювання, що потрапляє на горизонтальну поверхню, може досягти (наприклад, у Центральній Європі) значення в 1000 Вт/м2 (за дуже сприятливих погодних умов цей показник може бути вищим), у той час як за дуже хмарної погоди - нижче 100 Вт/м2 навіть опівдні.
Вплив забруднення атмосфери на сонячну енергію
Антропогенні та природні явища також можуть обмежувати кількість сонячної радіації, яка досягає поверхні Землі. Міський зміг, дим від лісових пожеж і попіл, що переноситься повітрям, що утворився в результаті вулканічної діяльності, знижують можливість використання сонячної енергії, збільшуючи розсіювання і поглинання сонячної радіації. Тобто ці чинники більшою мірою впливають на пряме сонячне випромінювання, ніж сумарне. При сильному забрудненні повітря, наприклад, при смозі, пряме випромінювання зменшується на 40%, а сумарне лише на 15-25%. Сильне вулканічне виверження може знизити, причому великий території Землі, пряме сонячне випромінювання на 20%, а сумарне - на 10% період від 6 місяців до 2 років. При зменшенні кількості вулканічного попелу в атмосфері ефект слабшає, але повне відновлення може тривати кілька років.
Потенціал сонячної енергії
Сонце забезпечує нас у 10 000 разів більшою кількістю безкоштовної енергії, ніж фактично використовується у всьому світі. Тільки на світовому комерційному ринку купується та продається трохи менше 85 трильйонів (8,5 x 1013) кВт·год енергії на рік. Оскільки неможливо простежити за всім процесом загалом, не можна з упевненістю сказати, скільки некомерційної енергії споживають люди (наприклад, скільки деревини та добрива збирається та спалюється, яка кількість води використовується для виробництва механічної чи електричної енергії). Деякі експерти вважають, що така некомерційна енергія становить одну п'яту частину всієї енергії, що використовується. Але навіть якщо це так, то загальна енергія, споживана людством протягом року, становить приблизно одну семитисячну частину сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі в той же період.
У розвинених країнах, наприклад, США, споживання енергії становить приблизно 25 трильйонів (2.5 x 1013) кВт·год на рік, що відповідає більш ніж 260 кВт·ч на людину на день. Цей показник є еквівалентом щоденної роботи понад ста лампочок розжарювання потужністю 100 Вт протягом цілого дня. Середньостатистичний громадянин США споживає в 33 рази більше енергії, ніж мешканець Індії, в 13 разів більше, ніж китаєць, у два з половиною рази більше ніж японець і вдвічі більше ніж швед.
Кількість сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі, у багато разів перевищує її витрати навіть у таких країнах як США, де енергоспоживання величезне. Якби тільки 1% території країни було використано для встановлення сонячного обладнання (фотоелектричні батареї або сонячні системи для гарячого водопостачання), що працює з ККД 10%, США були б повністю забезпечені енергією. Те саме можна сказати і щодо всіх інших розвинених країн. Однак, у певному сенсі, це нереально – по-перше, через високу вартість фотоелектричних систем, по-друге, неможливо охопити такі великі території сонячним обладнанням, не завдаючи шкоди екосистемі. Але сам принцип є вірним.
Можна охопити ту саму територію, розосередивши установки на дахах будівель, на будинках, узбіччям, на заздалегідь визначених ділянках землі і т.д. До того ж, у багатьох країнах вже понад 1% землі відведено під видобуток, перетворення, виробництво та транспортування енергії. І, оскільки більша частина цієї енергії є не відновлюваною у масштабі існування людства, цей вид виробництва енергії набагато шкідливіший для навколишнього середовища, ніж сонячні системи.
Наше світило із супутника
Сонячна постійна, являє собою кількість електромагнітного випромінювання, яке доходить від Сонця на відстані 1 астрономічної одиниці (середня відстань від Землі до нашої зірки) і потрапляє перпендикулярно на певну область. Виміряна супутниками, сонячна стала дорівнює 1,366 кіловат на квадратний метр. Наша зірка випромінює електромагнітне випромінювання по всьому спектру, від радіохвиль до інфрачервоного, від видимого світла до рентгенівських променів.
Якби ми могли скласти всю енергію цього випромінювання, отримали б загальне випромінювання Сонця.
Сонячна постійна
Вона є кількістю випромінювання, яке потрапляє на область перпендикулярну до Сонця. Фактично промені, які ми бачимо біля Землі, є малою часткою від цієї постійної. Це тому, що атмосфера планети блокує деякі довжини хвиль.
Залежно від вашого розташування на планеті, кількість світла, що отримується, відрізняється. Сонце випромінює в 2 мільярди разів більше енергії, що отримується на Землі.
Кількість Сонячної радіації, одержуваної Землею, також змінюється залежно її точки на орбіті. Так як Земля має злегка еліптичну орбіту, на найближчій точці її орбіти, кількість енергії, що отримується, дорівнює 1,413 кВт/м2. У її найбільш віддаленій точці, величина Сонячної радіації лише 1,321 кВт/м2.
Інтенсивність сонячного світла, що досягає землі, змінюється залежно від часу доби, року, місця розташування та погодних умов. Загальна кількість енергії, підрахована за день або за рік, називається іррадіацією (або ще інакше «прихід сонячної радіації») і показує, наскільки потужним було сонячне випромінювання. Іррадіація вимірюється в Вт*ч/м² на день або інший період.
Інтенсивність сонячного випромінювання у вільному просторі на віддаленні, що дорівнює середній відстані між Землею та Сонцем, називається сонячною постійною. Її величина – 1353 Вт/м². При проходженні через атмосферу сонячне світло послаблюється в основному через поглинання інфрачервоного випромінювання парами води, ультрафіолетового випромінювання - озоном та розсіювання випромінювання частинками атмосферного пилу та аерозолями. Показник атмосферного впливу інтенсивність сонячного випромінювання, доходить до земної поверхні, називається «повітряної масою» (АМ). АМ визначається як секанс кута між Сонцем та зенітом.
На рис.1 показано спектральне розподілення інтенсивності сонячного випромінювання в різних умовах. Верхня крива (АМ0) відповідає сонячному діапазону поза земної атмосфери (наприклад, на борту космічного корабля), тобто. при нульовій повітряній масі. Вона апроксимується розподілом інтенсивності випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі 5800 К. Криві АМ1 і АМ2 ілюструють спектральний розподіл сонячного випромінювання на поверхні Землі, коли Сонце в зеніті і вугіллі між Сонцем і зенітом 60°, відповідно. При цьому повна потужність випромінювання - відповідно 925 і 691 Вт/м². Середня інтенсивність випромінювання Землі приблизно збігається з інтенсивністю випромінювання при АМ=1,5 (Сонце - під кутом 45° до горизонту) .
Біля Землі можна прийняти середню величину інтенсивності сонячної радіації 635 Вт/м². У дуже ясний сонячний день ця величина коливається від 950 Вт/м2 до 1220 Вт/м2. Середнє значення – приблизно 1000 Вт/м². Приклад: Інтенсивність повного випромінювання в Цюріху (47°30′ пн. ш., 400 м над рівнем моря) на поверхні, перпендикулярній до випромінювання: 1 травня 12 год 00 хв 1080 Вт/м²; 21 грудня 12 год 00 хв 930 Вт/м² . Для спрощення обчислення приходу сонячної енергії, його зазвичай виражають у годинах сонячного сяйва з інтенсивністю 1000 Вт/м². Тобто. 1 година відповідає приходу сонячної радіації 1000 Вт*ч/м². Це приблизно відповідає періоду, коли сонце світить влітку в середині безхмарного сонячного дня на поверхню, перпендикулярну сонячним променям.
приклад
Яскраве сонце світить з інтенсивністю 1000 Вт/м² на поверхню, перпендикулярну до сонячних променів. За 1 годину на 1 м² падає 1 кВт*год енергії (енергія дорівнює добутку потужності тимчасово). Аналогічно, середній прихід сонячної радіації в 5 кВт*год/м² протягом дня відповідає 5 піковим годинникам сонячного сяйва в день. Не плутайте піковий годинник з реальною тривалістю світлового дня. За світловий день сонце світить з різною інтенсивністю, але в сумі вона дає таку ж кількість енергії, наче воно світило 5 годин з максимальною інтенсивністю. Саме піковий годинник сонячного сяйва використовується в розрахунках сонячних енергетичних установок.
Прихід сонячної радіації змінюється протягом дня та від місця до місця, особливо у гірських районах. Іррадіація змінюється в середньому від 1000 кВт*год/м² на рік для північноєвропейських країн, до 2000-2500 кВт*год/м² на рік для пустель. Погодні умови та відмінювання сонця (яке залежить від широти місцевості), також призводить до відмінностей у приході сонячної радіації.
У Росії, всупереч поширеній думці, дуже багато місць, де вигідно перетворювати сонячну енергію на електроенергію за допомогою . Нижче наведено мапу ресурсів сонячної енергії в Росії. Як бачимо, на більшій частині Росії можна успішно використовувати в сезонному режимі, а в районах з кількістю годин сонячного сяйва понад 2000 годин/рік - цілий рік. Природно, в зимовий період вироблення енергії сонячними панелями суттєво знижується, але все одно вартість електроенергії від сонячної електростанції залишається суттєво нижчою, ніж від дизельного або бензинового генератора.
Особливо вигідне застосування там, де немає централізованих електричних мереж та енергозабезпечення забезпечується за рахунок дизель-генераторів. А таких районів у Росії дуже багато.
Більше того, навіть там, де мережі є, використання сонячних батарей, що працюють паралельно з мережею, дозволяє значно знизити витрати на електроенергію. За існуючої тенденції підвищення тарифів природних енергетичних монополій Росії, установки сонячних батарей стає розумним вкладенням грошей.
Майже вся енергія на Землю приходить від Сонця. Якби не воно, Земля була б холодною та неживою. Рослини ростуть, тому що одержують необхідну енергію. Сонце відповідальне за вітер, і навіть паливо, що викопується, це енергія нашої зірки, запасена мільйони років тому. Але скільки енергії насправді приходить від нього?
Як ви, напевно, знаєте, у його ядрі, температура і тиск настільки високі, що атоми водню зливаються до атомів гелію.
Випромінювання Сонця
Внаслідок цієї реакції синтезу, зірка виробляє 386 мільярдів мегават. Більшість випромінюється в простір. Ось чому ми бачимо зірки, які віддалені на десятки та сотні світлових років від Землі. Потужність випромінювання Сонця дорівнює 1366 кіловат на квадратний метр. Близько 89 000 терават проходить через атмосферу і досягає поверхні Землі. Виходить його енергія на Землі становить близько 89000 терават! Просто для порівняння, загальне споживання кожної людини становить 15 терават.
Отже, Сонце дає в 5900 разів більше енергії, ніж люди в даний час виробляють. Нам просто потрібно навчиться використовувати її.
Найбільш ефективний спосіб використовувати випромінювання нашої зірки – це фотоелементи. Як таке, це перетворення фотонів на електрику. Але енергія створює вітер, що змушує працювати генератори. Сонце допомагає рости культур, які ми використовуємо для виробництва біопалива. І, як ми вже говорили, викопні види палива, такі як нафта та вугілля – це концентроване сонячне випромінювання, зібране рослинами протягом мільйонів років.
Сонячна інсоляція- Це величина, що визначає кількість опромінення поверхні пучком сонячних променів (навіть відбитих або розсіяних хмарами). Поверхнею може бути будь-що, в тому числі і сонячна батарея, яка перетворює енергію сонця на електричну енергію. І ось наскільки ефективною буде ваша природна електростанція і визначає параметр сонячної інсоляції. Вимірюється інсоляція в кВт*год/м2, тобто кількість енергії сонця, отримана одним квадратним метром поверхні протягом однієї години. Природно одержані метрики розраховані для ідеальних умов: повна відсутність хмарності та падіння сонячних променів на поверхню під прямим кутом (перпендикулярно).
Простими словами, сонячна інсоляція – це середня кількість годин на добу, яка сонце у ясну погоду світить на розрахункову поверхню під прямим кутом.
Досить часто люди вважають, що якщо сонце встає о 6-й ранку і сідає о 7-й вечора, то денний виробіток сонячної панелі потрібно вважати як добуток її потужності на 13 годин поки світило сонце. Це в корені неправильно, адже існує хмарність, але головне сонце рухається небосхилом відкидаючи промені на поверхню землі під різними кутами. Так, безумовно, ви можете використовувати спеціальні трекери, які повертатимуть вашу сонячну батарею у бік сонця, але це дорого і рідко економічно виправдано. Трекери використовуються, коли потрібно збільшити потужність на одиницю площі.
Звідки беруться дані сонячної активності
Вивченням сонячної активності у всіх регіонах нашої планети займається Національне управління з аеронавтики та дослідження космічного простору (NASA). Цілодобово супутники стежать за діяльністю сонця та заносять отриману інформацію до таблиць. У розрахунках враховуються дані останніх 25 років. Приклад такої таблиці для Санкт-Петербурга (59.944, 30.323) можна побачити за посиланням https://eosweb.larc.nasa.gov/ . Ця організація відноситься до федерального уряду США і, на жаль, сайт їх доступний лише англійською мовою.
Немає необхідності розшифровувати всі значення та коефіцієнти в таблиці, адже нас цікавлять всього два – це саме значення сонячної інсоляції в певні місяці (OPT) і значення оптимального кута нахилу сонячної панелі (OPT ANG).
Розрахунок вироблення сонячної електростанції на основі значень інсоляції
Допустимо маємо у Санкт-Петербурзі мережеву сонячну електростанцію потужністю 5 кВт і хочемо порахувати її вироблення у червні. Сонячні модулі встановлені на оптимальний кут.
5 кВт * 5,76 кВт * год / м 2 * 30 днів = 864 кВт * год
* Формула спрощена, тому розрахункові одиниці виміру у формулі не співпадуть із відповіддю. Це виправляється введенням у формулу параметрів сонячної електростанції та переведення днів у години.
Але в січні ця ж електростанція згенерує всього 5 * 1,13 * 30 = 169,5 кВт * год, тому Пітер сонячні батареї активно використовуються тільки в літні періоди.
За рік, подібна сонячна електростанція зможе отримати 5*3,4*365=6205 кВт або 6,2 МВт чистої електроенергії. Чи вигідно? Вирішувати вам, адже термін життя мережевої електростанції понад 50 років, а тарифи на промислову електрику зростають щороку не менш як на 10%.