Na Ziemi istnieje wiele alternatywnych źródeł energii, z których każde ma swoją własną charakterystykę, gdy jest używane. A jednym z najbardziej przyjaznych dla środowiska jest energia słoneczna. Tak naprawdę ludzkość używa go od czasów starożytnych i to w różnych formach:

• Latem ciepło promieni słonecznych wykorzystywane jest do ogrzewania szklarni i tworzenia optymalnych warunków dla ich rozwoju.
• Pod promieniami słońca osoba suszy owoce morza, grzyby, zioła lecznicze itp.
• Konstruując piece solarne, istnieje możliwość zagotowania wody za pomocą systemu luster.

Wszystko to nie jest stałe; przedmioty nagrzane słońcem w ciągu dnia szybko wychładzają się w nocy. Ludzkość od dawna zastanawiała się, jak zachować tę energię i dopiero w XXI wieku zaczęła ją wykorzystywać do akumulacji w postaci ciepła i energii elektrycznej. Wytwarzanie energii elektrycznej z promieniowania słonecznego jest dość skuteczną metodą, która jest obecnie stosowana nawet w przypadku małych osiedli lub kompleksów. I nawet biorąc pod uwagę niezwykle krótki czas wysokiej jakości promieniowania słonecznego, popularność stosowania paneli nie maleje. Aby jednak określić wykonalność tego generatora, konieczne jest obliczenie mocy paneli słonecznych. Zostanie to omówione poniżej w artykule; najpierw należy zapoznać się z pojęciem „promieniowania słonecznego”.

Co to jest energia słoneczna?

Energia słoneczna to tak naprawdę ogromna moc, jednak jej pozyskanie wymaga sporo wysiłku. Rzecz w tym, że technologia produkcji paneli fotowoltaicznych ma wysoką cenę i czasami przy kalkulacji korzyści może się okazać, że zainstalowanie takich paneli w domu opłaci się na dziesięciolecia, pod warunkiem, że zawsze będą pogodne dni. Ale w rzeczywistości liczba ta wzrośnie co najmniej 5 razy, a korzyść będzie zauważalna tylko dla twoich wnuków lub prawnuków. I tylko wtedy, gdy konstrukcja paneli jest niezawodna i może wytrzymać tak długo. W idealnych obliczeniach nowoczesne panele słoneczne mogą wytworzyć do 1,35 kW/m2. a do uzyskania 10 kW potrzeba tylko 7,5 mkw. m paneli. Ale to w idealnych warunkach. W rzeczywistości powierzchnia paneli słonecznych będzie wymagana 5-6 razy większa, aby uzyskać tę samą moc.

Nowoczesne panele fotowoltaiczne nie są zbyt wydajne. Fotokomórka o powierzchni 1 mkw. m wytwarza w idealnych warunkach 1 kW energii elektrycznej. Ale ten warunek obowiązuje, jeśli odległość od powierzchni panelu jest minimalna, słońce znajduje się nad nim, promienie są ściśle prostopadłe do płaszczyzny, a przezroczystość atmosfery wynosi co najmniej 100%. Takie warunki spełnia jedynie szczyt góry w strefie tropikalnej i bezchmurna pogoda. Dlatego w naszej strefie klimatycznej można osiągnąć maksymalnie 20% z 1 mkw. m można uzyskać od 150 do 600 W energii elektrycznej. Rzecz w tym, że intensywność słońca na naszych szerokościach geograficznych jest bardzo niska. Przykładowo, biorąc pod uwagę rosyjskie miasta od Archangielska po Jużno-Sachalińsk, za miesiąc pracy baterii słonecznej można uzyskać maksymalnie 209,9 kWh/m2. A poza tym liczba ta obowiązuje tylko w Soczi. Podczas instalowania panelu słonecznego w Archangielsku maksymalna miesięczna moc wyniesie nie więcej niż 159,7 kWh/m2.

Na średnich szerokościach geograficznych, gdzie faktycznie żyjemy, wskaźnik mocy energii słonecznej odpowiada poziomowi 100 W/m2. m. Ale te dane są również bardzo niedokładne; wraz ze wzrostem zachmurzenia liczba ta spadnie 2 lub więcej razy.

Rodzaje promieniowania słonecznego.

W zależności od strumienia promieniowanie dzieli się na 2 typy: rozproszone i bezpośrednie. W zależności od rodzaju oświetlenia dobiera się kąt nachylenia panelu, zwiększając tym samym efektywność instalacji. W przypadku promieniowania bezpośredniego kąt musi być ściśle określony; w przypadku promieniowania rozproszonego wskaźnik ten nie jest ważny, ponieważ intensywność oświetlenia we wszystkich punktach przestrzeni jest w przybliżeniu równa. Ale istnieje znacząca różnica między tymi dwiema odmianami, która polega. W pierwszym przypadku jest ona wielokrotnie większa niż w drugim, zapewniając panelowi potężny strumień fotonów. Jednak na naszych szerokościach geograficznych i na całej planecie nie ma zbyt wielu tak pogodnych dni, dlatego producenci paneli muszą wykorzystać cały swój potencjał naukowy i techniczny, aby uzyskać maksymalną energię z tego promieniowania. Dla wielu takie technologie staną się niedostępne, nie mówiąc już o okresie zwrotu, który może stać się niezrozumiały za naszego życia.

Jak energia jest rozprowadzana w widmie słonecznym?

Słońce jest uniwersalnym generatorem wytwarzającym strumienie energii świetlnej nie tylko o różnej mocy, ale także o różnych częstotliwościach, co wskazuje na możliwość rozłożenia światła słonecznego na widmo. Nie uda się tego wszystkiego zakryć, bo korpus odbiorczy musi być idealnie czarny. Co więcej, nie wszystkie rodzaje promieniowania docierają do powierzchni ziemi. Najbardziej aktywne i niosące energię przepływy są pochłaniane przez inne ciała w przestrzeni i atmosferze. Zadaniem ludzkości stało się określenie zakresu częstotliwości, w którym przepływ energii świetlnej jest maksymalny. Tradycyjnie widmo jest dzielone nie według częstotliwości, ale według długości fal. Można go z grubsza podzielić na 3 strefy:

• Ultrafiolet odpowiada długościom fal od 0 do 380 mikronów.
• Światło widzialne waha się od 380 do 760 mikronów.
• Podczerwień odpowiada obszarowi o długości fali od 760 do 3300 mikronów.

Strefa, w której energia fotonów jest najwyższa, to dokładnie pierwszy zakres, ale znajduje się w niej znikomo mało cząstek w porównaniu z widzialnym zakresem światła. Dlatego do pozyskiwania energii elektrycznej zaczęto wykorzystywać zakres widzialny i podczerwony o długości fali od 380 do 1800 mikronów. Wszystko powyżej odnosi się do zakresu częstotliwości radiowych i tutaj energia jest również niska, ze względu na prawie całkowity brak energii fotonów, pomimo ich dużej liczby.

Można też pójść prostą drogą, ustawiając baterię słoneczną w jednej płaszczyźnie pod pewnym kątem. Na przykład dla Moskwy, która znajduje się na 56 stopniach szerokości geograficznej, kąt nachylenia do horyzontu wyniesie odpowiednio 56 stopni lub odchylenie od pionu o 34 stopnie. Następnie wystarczy upewnić się, że panele obracają się w jednej płaszczyźnie i przywrócić je do punktu początkowego. Wszystko to zwiększa koszt systemu i czyni go mniej niezawodnym.

Projektując system obrotu panelu, ogromne znaczenie ma ciężar ramy, na której zostaną umieszczone fotokomórki. W rezultacie okazuje się, że do obrotu potrzeba dużo energii, co zmniejsza ilość energii użytecznej.

Dobór systemu fotowoltaicznego do budowy generatora słonecznego.

Aby zbudować naprawdę wysokiej jakości generator słoneczny, należy wziąć pod uwagę następujące dane:

• Średnia wydajność dostępnych na rynku paneli słonecznych. Dla akumulatorów krzemowych waha się od 12 do 17%, pod warunkiem zastosowania materiału krystalicznego, wydajność akumulatorów cienkowarstwowych waha się od 8 do 12%.
• Moc panelu słonecznego wytwarzana przez jeden metr kwadratowy panelu. Aby to wyznaczyć należy pomnożyć energię słoneczną przez wydajność jednego panelu i przeliczyć ją na liczbę całkowitą.
• Moc szczytowa – mierzona w bezchmurny, słoneczny dzień i jest równa iloczynowi sprawności i wartości „Standardowego Słońca” (1 kW).
• Całkowita uśredniona energia. Oblicza się ją jako iloczyn mocy szczytowej i liczby godzin nasłonecznienia.
• Wytworzona energia to ilość energii, którą panel dostarczył do obciążenia w rzeczywistych warunkach w ciągu 24 godzin. Zdefiniowana jako stosunek całkowitej średniej energii do 24 godzin. Dla paneli wykonanych z krzemu krystalicznego wartość ta wynosi 0,6-0,85 kW/m2, dla krzemu foliowego – 0,4-0,6 kW/m2.
• Całkowita energia to ilość energii wytworzonej przez panel w ciągu roku pracy i obliczana jest jako iloczyn całkowitej energii i liczby dni w roku. Dla paneli krystalicznych (CSi) - 219-310 kWh, dla folii (TF) - 146-219 kWh Ale przy obliczaniu wskaźników końcowych należy wziąć pod uwagę straty w przetworniku impulsów, które zwykle wynoszą 5%.
• Cena energii elektrycznej. Być może najważniejszy wskaźnik, który często określa wykonalność zakupu generatora słonecznego. Dziś taki generator jest nadal niepraktyczny, ponieważ praktycznie nic nie wytrzyma bez awarii dłużej niż 10 lat. Ale technologia nie stoi w miejscu iw najbliższej przyszłości koszt paneli generatorów światła stanie się znacznie niższy, dzięki czemu będą dostępne dla każdego.

Rosnące ceny energii w Rosji zmuszają ludzi do zainteresowania się tanimi źródłami energii. Najbardziej dostępna jest energia słoneczna. Energia promieniowania słonecznego padającego na Ziemię jest 10 000 razy większa niż ilość energii wytworzonej przez ludzkość. Problemy pojawiają się w technologii pozyskiwania energii oraz w wyniku nierównomiernego dostarczania energii do elektrowni słonecznych. Dlatego kolektory słoneczne i baterie słoneczne są wykorzystywane albo w połączeniu z akumulatorami magazynującymi energię, albo jako środek dodatkowego ładowania głównej elektrowni.

Nasz kraj jest rozległy, a rozmieszczenie energii słonecznej na jego terytorium jest bardzo zróżnicowane.

Średnie dane wejściowe energii słonecznej

Intensywność wejściowa energii słonecznej

Strefy maksymalnego natężenia promieniowania słonecznego. Na 1 metr kwadratowy dostarczane jest ponad 5 kW. godzina. energii słonecznej dziennie.

Wzdłuż południowej granicy Rosji od jeziora Bajkał do Władywostoku, w obwodzie jakucka, na południu Republiki Tywy i Republiki Buriacji, co dziwne, za kołem podbiegunowym we wschodniej części Severnaya Zemlya.

Pobór energii słonecznej od 4 do 4,5 kW. godzina na 1 mkw. metr dziennie

Terytorium Krasnodarskie, Kaukaz Północny, obwód rostowski, południowa część obwodu Wołgi, południowe regiony Nowosybirska, obwody irkuckie, Buriacja, Tywa, Chakasja, Ziemie Primorskie i Chabarowskie, obwód amurski, wyspa Sachalin, rozległe terytoria od terytorium Krasnojarska po Magadan, Severnaya Zemlya, na północny wschód od Jamalsko-Nienieckiego Okręgu Autonomicznego.

Od 2,5 do 3 kW. godzina na metr kwadratowy metr dziennie

Wzdłuż zachodniego łuku - Niżny Nowogród, Moskwa, Petersburg, Salechard, wschodnia część Czukotki i Kamczatki.

Od 3 do 4 kW. godzina na 1 mkw. metr dziennie

Reszta kraju.

Długość nasłonecznienia w roku

Największy przepływ energii następuje w maju, czerwcu i lipcu. W tym okresie w centralnej Rosji na 1 mkw. metr powierzchni wynosi 5 kW. godzinę dziennie. Najmniejsze natężenie występuje w okresie grudzień-styczeń, kiedy to 1 mkw. metr powierzchni odpowiada 0,7 kW. godzinę dziennie.

Funkcje instalacji

Instalując kolektor słoneczny pod kątem 30 stopni do powierzchni, można zapewnić pobór energii w trybie maksymalnym i minimalnym odpowiednio 4,5 i 1,5 kWh na 1 m2. metr. w dzień.

Rozkład natężenia promieniowania słonecznego w centralnej Rosji według miesięcy

Na podstawie podanych danych można obliczyć powierzchnię płaskich kolektorów słonecznych niezbędną do zapewnienia ciepłej wody użytkowej dla 4-osobowej rodziny w domu jednorodzinnym. Ogrzanie 300 litrów wody od 5 stopni do 55 stopni w czerwcu mogą zapewnić kolektory o powierzchni 5,4 m2, w grudniu 18 m2. metrów. W przypadku zastosowania bardziej wydajnych kolektorów próżniowych wymagana powierzchnia kolektorów zmniejsza się o około połowę.

Pokrycie zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową energią słoneczną

W praktyce zaleca się stosowanie kolektorów słonecznych nie jako głównego źródła ciepłej wody, ale jako urządzenia do podgrzewania wody wpływającej do instalacji grzewczej. W takim przypadku zużycie paliwa jest znacznie zmniejszone. Zapewnia to nieprzerwane dostawy ciepłej wody oraz oszczędności na zaopatrzeniu w ciepłą wodę i ogrzewanie domu, jeśli jest to dom do stałego zamieszkania. Latem na daczach do pozyskiwania ciepłej wody wykorzystuje się różnego rodzaju kolektory słoneczne. Od kolektorów fabrycznych po domowe urządzenia wykonane ze złomu. Różnią się przede wszystkim wydajnością. Fabryczny jest wydajniejszy, ale droższy. Prawie bezpłatnie możesz wykonać kolektor z wymiennikiem ciepła ze starej lodówki.

W Rosji instalację kolektorów słonecznych reguluje RD 34.20.115-89 „Wytyczne metodologiczne dotyczące obliczania i projektowania słonecznych systemów grzewczych”, VSN 52-86 (w formacie RTF, 11 Mb) „Instalacja słonecznego zaopatrzenia w ciepłą wodę . Standardy projektowe.” Istnieją zalecenia dotyczące wykorzystania nietradycyjnych źródeł energii w hodowli zwierząt, produkcji pasz, gospodarstwach chłopskich i budownictwie wiejskim, opracowane na zlecenie Ministerstwa Rolnictwa w 2002 roku. Obowiązują GOST R 51595 „Kolektory słoneczne. Wymagania techniczne”, GOST R 51594 „Energia słoneczna. Terminy i definicje”.

Dokumenty te szczegółowo opisują konstrukcje stosowanych kolektorów słonecznych oraz najskuteczniejsze sposoby ich wykorzystania w różnych warunkach klimatycznych.

Kolektory słoneczne w Niemczech

W Niemczech państwo dotuje koszty montażu kolektorów słonecznych, dlatego ich wykorzystanie stale rośnie. W 2006 roku zainstalowano 1 milion 300 tysięcy metrów kwadratowych kolektorów. Z tej kwoty około 10% stanowią droższe i wydajniejsze kolektory próżniowe. Całkowita powierzchnia zainstalowanych dotychczas kolektorów słonecznych wynosi około 12 milionów metrów kwadratowych.

Materiały i grafiki zapewniła firma Viessmann

Energia słoneczna

Parametry promieniowania słonecznego

Przede wszystkim należy ocenić potencjalne możliwości energetyczne promieniowania słonecznego. Tutaj największe znaczenie ma jego całkowita moc właściwa na powierzchni Ziemi i rozkład tej mocy na różne zakresy promieniowania.

Moc promieniowania słonecznego

Moc promieniowania Słońca znajdującego się w zenicie przy powierzchni Ziemi szacowana jest na około 1350 W/m2. Z prostego obliczenia wynika, że ​​aby uzyskać moc 10 kW, należy zebrać promieniowanie słoneczne z powierzchni zaledwie 7,5 m2. Ale dzieje się to w pogodne popołudnie w strefie tropikalnej, wysoko w górach, gdzie atmosfera jest rzadka i krystalicznie czysta. Gdy tylko Słońce zacznie pochylać się w stronę horyzontu, droga jego promieni przez atmosferę wzrasta, a zatem zwiększają się straty na tej ścieżce. Obecność pyłu lub pary wodnej w atmosferze, nawet w ilościach niezauważalnych bez specjalnych przyrządów, dodatkowo ogranicza przepływ energii. Jednak nawet w strefie środkowej w letnie popołudnie na każdy metr kwadratowy zorientowany prostopadle do promieni słonecznych przypada przepływ energii słonecznej o mocy około 1 kW.

Oczywiście nawet lekkie zachmurzenie radykalnie zmniejsza energię docierającą do powierzchni, szczególnie w zakresie podczerwieni (termicznej). Jednak część energii nadal przenika przez chmury. W strefie środkowej, przy gęstych chmurach w południe, moc promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi szacuje się na około 100 W/m2 i tylko w nielicznych przypadkach, przy szczególnie gęstych chmurach, może spaść poniżej tej wartości. Oczywiście w takich warunkach, aby uzyskać 10 kW, należy całkowicie, bez strat i odbić, zebrać promieniowanie słoneczne nie z 7,5 m2 powierzchni ziemi, ale z całych stu metrów kwadratowych (100 m2).

Tabela pokazuje krótkie uśrednione dane dotyczące energii promieniowania słonecznego dla niektórych rosyjskich miast, biorąc pod uwagę warunki klimatyczne (częstotliwość i intensywność zachmurzenia) na jednostkę powierzchni poziomej. Szczegóły tych danych, dodatkowe dane dla orientacji paneli innej niż pozioma, a także dane dla innych regionów Rosji i krajów byłego ZSRR znajdują się na osobnej stronie.

Miasto	minimum miesięczne (Grudzień)	maksimum miesięczne (czerwiec lub lipiec)	łącznie za rok
Archangielsk	4 MJ/m2 (1,1 kWh/m2)	575 MJ/m2 (159,7 kWh/m2)	3,06 GJ/m2(850 kWh/m2)
Karakuł	95,8 MJ/m2 (26,6 kWh/m2)	755,6 MJ/m2 (209,9 kWh/m2)	4,94 GJ/m2(1371 kWh/m2)
Władywostok	208,1 MJ/m2 (57,8 kWh/m2)	518,0 MJ/m2 (143,9 kWh/m2)	4,64 GJ/m2(1289,5 kWh/m2)
Jekaterynburg	46 MJ/m2 (12,8 kWh/m2)	615 MJ/m2 (170,8 kWh/m2)	3,76 GJ/m2(1045 kWh/m2)
Moskwa	42,1 MJ/m2 (11,7 kWh/m2)	600,1 MJ/m2 (166,7 kWh/m2)	3,67 GJ/m2(1020,7 kWh/m2)
Nowosybirsk		638 MJ/m2 (177,2 kWh/m2)	4,00 GJ/m2(1110 kWh/m2)
Omsk	56 MJ/m2 (15,6 kWh/m2)	640 MJ/m2 (177,8 kWh/m2)	4,01 GJ/m2(1113 kWh/m2)
Pietrozawodsk	8,6 MJ/m2 (2,4 kWh/m2)	601,6 MJ/m2 (167,1 kWh/m2)	3,10 GJ/m2(860,0 kWh/m2)
Pietropawłowsk Kamczacki	83,9 MJ/m2 (23,3 kWh/m2)	560,9 MJ/m2 (155,8 kWh/m2)	3,95 GJ/m2(1098,4 kWh/m2)
Rostów nad Donem	80 MJ/m2 (22,2 kWh/m2)	678 MJ/m2 (188,3 kWh/m2)	4,60 GJ/m2(1278 kWh/m2)
Sankt Petersburg	8 MJ/m2 (2,2 kWh/m2)	578 MJ/m2 (160,6 kWh/m2)	3,02 GJ/m2(840 kWh/m2)
Soczi	124,9 MJ/m2 (34,7 kWh/m2)	744,5 MJ/m2 (206,8 kWh/m2)	4,91 GJ/m2(1365,1 kWh/m2)
Jużno-Sachalińsk	150,1 MJ/m2 (41,7 kWh/m2)	586,1 MJ/m2 (162,8 kWh/m2)	4,56 GJ/m2(1267,5 kWh/m2)

Panel nieruchomy, ustawiony pod optymalnym kątem nachylenia, jest w stanie pochłonąć 1,2...1,4 razy więcej energii w porównaniu do panelu poziomego, a jeśli obraca się za Słońcem, wzrost ten będzie 1,4...1,8 razy. Można to zaobserwować w rozbiciu na miesiące w przypadku stałych paneli zorientowanych na południe pod różnymi kątami nachylenia oraz w przypadku systemów śledzących ruch Słońca. Funkcje rozmieszczenia paneli słonecznych omówiono bardziej szczegółowo poniżej.

Bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne

Występuje rozproszone i bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Aby skutecznie odbierać bezpośrednie promieniowanie słoneczne, panel musi być ustawiony prostopadle do strumienia światła słonecznego. Dla percepcji promieniowania rozproszonego orientacja nie jest tak krytyczna, ponieważ dociera ono dość równomiernie z prawie całego nieba - w pochmurne dni oświetlana jest powierzchnia ziemi (z tego powodu przy pochmurnej pogodzie obiekty nie mają wyraźnego określony cień, a powierzchnie pionowe, takie jak filary i ściany domów, praktycznie nie rzucają widocznego cienia).

Stosunek promieniowania bezpośredniego i rozproszonego silnie zależy od warunków pogodowych w różnych porach roku. Na przykład zima w Moskwie jest pochmurna, a w styczniu udział promieniowania rozproszonego przekracza 90% całkowitego nasłonecznienia. Ale nawet latem w Moskwie rozproszone promieniowanie stanowi prawie połowę całej energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi. Jednocześnie w słonecznym Baku zarówno zimą, jak i latem udział promieniowania rozproszonego waha się od 19 do 23% całkowitego nasłonecznienia, a odpowiednio około 4/5 promieniowania słonecznego ma charakter bezpośredni. Stosunek nasłonecznienia rozproszonego i całkowitego dla niektórych miast podano bardziej szczegółowo na osobnej stronie.

Rozkład energii w widmie słonecznym

Widmo słoneczne jest praktycznie ciągłe w niezwykle szerokim zakresie częstotliwości - od fal radiowych o niskiej częstotliwości po promieniowanie rentgenowskie o ultrawysokiej częstotliwości i promieniowanie gamma. Oczywiście trudno jest równie skutecznie wychwycić tak różne rodzaje promieniowania (być może da się to osiągnąć jedynie teoretycznie za pomocą „idealnego ciała doskonale czarnego”). Nie jest to jednak konieczne – po pierwsze, samo Słońce emituje w różnych zakresach częstotliwości z różną mocą, a po drugie, nie wszystko, co emituje, dociera do powierzchni Ziemi – pewne części widma są w dużej mierze pochłaniane przez różne składniki atmosfery – głównie warstwę ozonową, parę wodną i dwutlenek węgla.

Wystarczy więc wyznaczyć te zakresy częstotliwości, w których obserwuje się największy strumień energii słonecznej na powierzchni Ziemi i je wykorzystać. Tradycyjnie promieniowanie słoneczne i kosmiczne oddziela się nie częstotliwością, ale długością fali (jest to spowodowane zbyt dużymi wykładnikami dla częstotliwości tego promieniowania, co jest bardzo niewygodne - światło widzialne w hercach odpowiada 14-temu rzędowi). Przyjrzyjmy się zależności rozkładu energii od długości fali promieniowania słonecznego.

Za zakres światła widzialnego uważa się zakres długości fal od 380 nm (głęboki fiolet) do 760 nm (głęboka czerwień). Wszystko, co ma krótszą długość fali, ma wyższą energię fotonów i dzieli się na zakresy promieniowania ultrafioletowego, rentgenowskiego i gamma. Pomimo dużej energii fotonów, samych fotonów w tych zakresach nie jest zbyt wiele, dlatego całkowity wkład energetyczny tej części widma jest bardzo mały. Wszystko, co ma dłuższą długość fali, ma niższą energię fotonów w porównaniu ze światłem widzialnym i dzieli się na zakres podczerwieni (promieniowanie cieplne) i różne części zasięgu radiowego. Z wykresu wynika, że ​​w zakresie podczerwieni Słońce emituje prawie taką samą ilość energii jak w świetle widzialnym (poziomy są mniejsze, ale zasięg jest szerszy), natomiast w zakresie częstotliwości radiowych energia promieniowania jest bardzo mała.

Zatem z energetycznego punktu widzenia wystarczy, że ograniczymy się do zakresu częstotliwości widzialnych i podczerwonych, a także bliskiego ultrafioletu (gdzieś do 300 nm twarde ultrafiolet o krótszej długości fali jest prawie całkowicie pochłaniany w tzw. warstwa ozonowa, zapewniająca syntezę tego właśnie ozonu z tlenu atmosferycznego). A lwia część energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi koncentruje się w zakresie długości fal od 300 do 1800 nm.

Ograniczenia w korzystaniu z energii słonecznej

Główne ograniczenia związane z wykorzystaniem energii słonecznej wynikają z jej niespójności – instalacje fotowoltaiczne nie pracują w nocy, a przy pochmurnej pogodzie są nieefektywne. Jest to oczywiste niemal dla każdego.

Jest jednak jeszcze jedna okoliczność, która jest szczególnie istotna dla naszych raczej północnych szerokości geograficznych - sezonowe różnice w długości dnia. Jeśli dla stref tropikalnych i równikowych czas trwania dnia i nocy zależy nieco od pory roku, to już na szerokości geograficznej Moskwy najkrótszy dzień jest prawie 2,5 razy krótszy niż najdłuższy! O rejonach okołobiegunowych nawet nie mówię... Dzięki temu w pogodny letni dzień instalacja fotowoltaiczna pod Moskwą może wyprodukować nie mniej energii niż na równiku (słońce jest niżej, ale dzień jest dłuższy). Jednak zimą, kiedy zapotrzebowanie na energię jest szczególnie duże, wręcz przeciwnie, jej produkcja zmniejszy się kilkukrotnie. Rzeczywiście, oprócz krótkich godzin dziennych, promienie niskiego zimowego słońca nawet w południe muszą przejść przez znacznie grubszą warstwę atmosfery i dlatego tracą na tej drodze znacznie więcej energii niż latem, kiedy słońce jest wysoko a promienie przechodzą przez atmosferę prawie pionowo (wyrażenie „zimne zimowe słońce „ma najbardziej bezpośrednie znaczenie fizyczne). Nie oznacza to jednak, że instalacje fotowoltaiczne w strefie środkowej, a nawet na terenach znacznie bardziej północnych są całkowicie bezużyteczne – choć zimą, w okresie długich dni, co najmniej przez sześć miesięcy pomiędzy równonocą wiosenną a jesienną, są mało przydatne. , są dość skuteczne.

Szczególnie interesujące jest wykorzystanie instalacji fotowoltaicznych do zasilania coraz bardziej powszechnych, choć bardzo „żarłocznych” klimatyzatorów. W końcu im mocniej świeci słońce, tym jest goręcej i tym bardziej potrzebna jest klimatyzacja. Ale w takich warunkach instalacje fotowoltaiczne są również w stanie wygenerować więcej energii, a energia ta zostanie wykorzystana przez klimatyzator „tu i teraz”; nie trzeba jej kumulować i magazynować! Ponadto nie jest wcale konieczne przekształcanie energii w postać elektryczną – absorpcyjne silniki cieplne wykorzystują ciepło bezpośrednio, co oznacza, że ​​zamiast baterii fotowoltaicznych można zastosować kolektory słoneczne, które najskuteczniej sprawdzają się przy bezchmurnej, upalnej pogodzie. To prawda, że ​​​​klimatyzatory są niezbędne tylko w gorących, pozbawionych wody regionach i wilgotnym klimacie tropikalnym, a także we współczesnych miastach, niezależnie od ich lokalizacji. Właściwie zaprojektowany i zbudowany dom wiejski, nie tylko w środkowej strefie, ale także na większości południowej Rosji, nie potrzebuje tak energochłonnego, nieporęcznego, hałaśliwego i kapryśnego urządzenia.

Niestety, na obszarach miejskich indywidualne zastosowanie instalacji fotowoltaicznych o większej lub mniejszej mocy, dających zauważalne korzyści praktyczne, jest możliwe jedynie w nielicznych i szczególnie pomyślnych okolicznościach. Nie uważam jednak mieszkania miejskiego za pełnoprawne mieszkanie, gdyż jego normalne funkcjonowanie uzależnione jest od zbyt wielu czynników, na które mieszkańcy ze względów czysto technicznych nie mają bezpośredniej kontroli, a zatem w przypadku awarii co najmniej jeden z systemów podtrzymywania życia na mniej więcej długi czas. W nowoczesnym apartamentowcu panujące w nim warunki będą nie do przyjęcia (raczej mieszkanie w wieżowcu należy traktować jako rodzaj pokoju hotelowego, w którym mieszkańcy kupili na czas nieokreślony lub wynajęli od gminy). Ale poza miastem szczególna dbałość o energię słoneczną może być więcej niż uzasadniona nawet na małej działce o powierzchni 6 akrów.

Cechy rozmieszczenia paneli słonecznych

Wybór optymalnej orientacji paneli fotowoltaicznych jest jednym z najważniejszych zagadnień w praktycznym zastosowaniu instalacji fotowoltaicznych każdego typu. Niestety, ten aspekt jest bardzo mało omawiany na różnych stronach poświęconych energii słonecznej, chociaż zaniedbanie go może obniżyć wydajność paneli do niedopuszczalnego poziomu.

Faktem jest, że kąt padania promieni na powierzchnię ma ogromny wpływ na współczynnik odbicia, a co za tym idzie, na udział niereceptywnej energii słonecznej. Przykładowo dla szkła, gdy kąt padania odbiega od prostopadłej do jego powierzchni aż o 30°, współczynnik odbicia praktycznie się nie zmienia i wynosi nieco poniżej 5%, tj. ponad 95% padającego promieniowania przechodzi do wewnątrz. Dalej zauważalny staje się wzrost odbicia, a o 60° udział promieniowania odbitego podwaja się - prawie do 10%. Przy kącie padania 70° odbija się około 20% promieniowania, a przy 80° - 40%. W przypadku większości innych substancji zależność stopnia odbicia od kąta padania jest w przybliżeniu taka sama.

Jeszcze ważniejsza jest tzw. powierzchnia efektywna panelu, czyli tzw. przekrój strumienia promieniowania, który obejmuje. Jest ona równa rzeczywistej powierzchni panelu pomnożonej przez sinus kąta między jego płaszczyzną a kierunkiem przepływu (lub, co jest takie samo, przez cosinus kąta między prostopadłą do panelu a kierunkiem przepływu). Zatem jeśli panel jest prostopadły do ​​przepływu, jego powierzchnia efektywna jest równa powierzchni rzeczywistej, jeśli przepływ odbiega od prostopadłej o 60°, jest to połowa powierzchni rzeczywistej, a jeśli przepływ jest równoległy do ​​panelu, jego efektywna powierzchnia wynosi zero. Zatem znaczne odchylenie przepływu od prostopadłego do panelu nie tylko zwiększa odbicie, ale zmniejsza jego powierzchnię efektywną, co powoduje bardzo zauważalny spadek produkcji.

Oczywiście dla naszych celów najbardziej efektywna jest stała orientacja panelu prostopadle do przepływu promieni słonecznych. Będzie to jednak wymagało zmiany położenia panelu w dwóch płaszczyznach, ponieważ pozycja Słońca na niebie zależy nie tylko od pory dnia, ale także pory roku. Chociaż taki system jest z pewnością technicznie możliwy, jest on bardzo złożony, a przez to kosztowny i mało niezawodny.

Pamiętajmy jednak, że przy kątach padania do 30° współczynnik odbicia na granicy powietrze-szkło jest minimalny i praktycznie niezmienny, a w ciągu roku zmienia się kąt maksymalnego wschodu Słońca nad horyzontem od położenia średniego o nie więcej niż ±23°. Efektywna powierzchnia panelu przy odchyleniu od prostopadłości o 23° również pozostaje dość duża – co najmniej 92% jego rzeczywistej powierzchni. Można zatem skupić się na średniej rocznej wysokości maksymalnego wschodu Słońca i praktycznie bez utraty wydajności ograniczyć się do obrotu tylko w jednej płaszczyźnie – wokół osi biegunowej Ziemi z prędkością 1 obrotu dziennie . Kąt nachylenia osi takiego obrotu względem poziomu jest równy szerokości geograficznej miejsca. Przykładowo dla Moskwy, położonej na 56° szerokości geograficznej, oś takiego obrotu powinna być nachylona w kierunku północnym o 56° w stosunku do powierzchni (czyli, co to samo, odchylona od pionu o 34°). Taki obrót jest znacznie łatwiejszy do zorganizowania, jednak duży panel wymaga dużo miejsca, aby płynnie się obracać. Ponadto konieczne jest albo zorganizowanie połączenia przesuwnego, które pozwoli na usunięcie całej energii, jaką otrzymuje z stale obracającego się panelu, albo ograniczenie się do elastycznej komunikacji za pomocą stałego połączenia, ale zapewnienie automatycznego powrotu panelu z powrotem w nocy - w przeciwnym razie nie da się uniknąć skręcenia i zerwania komunikacji usuwającej energię. Obydwa rozwiązania radykalnie zwiększają złożoność i zmniejszają niezawodność systemu. Wraz ze wzrostem mocy paneli (a tym samym ich rozmiaru i wagi) problemy techniczne stają się wykładniczo bardziej złożone.

W związku z tym prawie zawsze panele poszczególnych instalacji fotowoltaicznych montowane są nieruchomo, co zapewnia względną taniość i najwyższą niezawodność instalacji. Jednak w tym przypadku szczególnie ważny staje się wybór kąta ułożenia paneli. Rozważmy ten problem na przykładzie Moskwy.

Linia pomarańczowa – podczas śledzenia położenia Słońca poprzez obrót wokół osi biegunowej (czyli równolegle do osi Ziemi); niebieski - stały panel poziomy; zielony - stały panel pionowy skierowany na południe; czerwony - panel stały nachylony w kierunku południowym pod kątem 40° do horyzontu.

Przyjrzyjmy się wykresom nasłonecznienia dla różnych kątów montażu paneli. Oczywiście panel obracający się za Słońcem nie podlega konkurencji (linia pomarańczowa). Jednak nawet w długie letnie dni jego wydajność przewyższa wydajność paneli stałych poziomych (niebieski) i pochylonych pod optymalnym kątem (czerwony) tylko o około 30%. Ale obecnie jest wystarczająco dużo ciepła i światła! Jednak w okresie największego niedoboru energii, od października do lutego, przewaga panelu obrotowego nad panelem stałym jest minimalna i prawie niezauważalna. To prawda, że ​​\u200b\u200bw tej chwili towarzystwo pochyłego panelu nie jest panelem poziomym, ale panelem pionowym (zielona linia). I nie jest to zaskakujące - niskie promienie zimowego słońca przesuwają się po poziomym panelu, ale są dobrze postrzegane przez pionowy panel, który jest do nich prawie prostopadły. Dlatego w lutym, listopadzie i grudniu panel pionowy jest skuteczniejszy niż nawet panel nachylony i prawie nie różni się od obrotowego. W marcu i październiku dni są dłuższe, a panel obrotowy już zaczyna pewnie (choć niezbyt) przewyższać wszelkie stałe opcje, ale skuteczność paneli nachylonych i pionowych jest prawie taka sama. I tylko w okresie długich dni od kwietnia do sierpnia panel poziomy wyprzedza panel pionowy pod względem odbieranej energii i zbliża się do panelu nachylonego, a w czerwcu nawet nieznacznie go przewyższa. Letnia utrata pionowego panelu jest naturalna - w końcu, powiedzmy, dzień letniej równonocy trwa w Moskwie ponad 17 godzin, a na przedniej (roboczej) półkuli pionowego panelu Słońce może pozostać nie dłużej niż 12 godzin, pozostałe ponad 5 godzin (prawie jedna trzecia godzin dziennych!) ma już za sobą. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że przy kątach padania większych niż 60° udział światła odbitego od powierzchni panelu zaczyna gwałtownie rosnąć, a jego powierzchnia efektywna zmniejsza się o połowę lub więcej, to czas efektywnej percepcji promieniowanie słoneczne dla takiego panelu nie przekracza 8 godzin – czyli mniej niż 50% całkowitego czasu trwania doby. To właśnie tłumaczy fakt, że wydajność paneli pionowych stabilizuje się przez cały okres długich dni – od marca do września. I wreszcie styczeń nieco się wyróżnia – w tym miesiącu wydajność paneli wszystkich orientacji jest prawie taka sama. Faktem jest, że w tym miesiącu w Moskwie jest bardzo pochmurno, a ponad 90% całej energii słonecznej pochodzi z promieniowania rozproszonego, a dla takiego promieniowania orientacja panelu nie jest bardzo ważna (najważniejsze jest, aby nie kierować go w stronę grunt). Jednak kilka słonecznych dni, które jeszcze zdarzają się w styczniu, zmniejsza produkcję panelu poziomego o 20% w porównaniu do pozostałych.

Jaki kąt nachylenia wybrać? Wszystko zależy od tego, kiedy dokładnie potrzebujesz energii słonecznej. Jeżeli chcemy z niego korzystać jedynie w ciepłych porach roku (powiedzmy na wsi) to powinniśmy wybrać tzw. „optymalny” kąt pochylenia, prostopadły do ​​średniego położenia Słońca w okresie pomiędzy równonocą wiosenną a jesienną . Jest to około 10° .. 15° mniej niż szerokość geograficzna, a dla Moskwy wynosi 40° .. 45°. Jeśli potrzebujesz energii przez cały rok, to powinieneś „wycisnąć” jej maksimum w deficytowych energetycznie miesiącach zimowych, co oznacza, że ​​musisz skupić się na średnim położeniu Słońca pomiędzy równonocą jesienną a wiosenną i umieścić panele bliżej pion - 5° .. 15° więcej niż szerokość geograficzna (dla Moskwy będzie to 60° .. 70°). Jeśli ze względów architektonicznych lub projektowych nie jest możliwe zachowanie takiego kąta i musisz wybrać pomiędzy kątem nachylenia 40° lub mniejszym a montażem pionowym, powinieneś preferować położenie pionowe. Jednocześnie „niedobór” energii podczas długich letnich dni nie jest aż tak krytyczny – w tym okresie naturalnego ciepła i światła jest mnóstwo, a zapotrzebowanie na produkcję energii zwykle nie jest tak duże jak zimą i poza domem. -pora roku. Naturalnie nachylenie panelu powinno być zorientowane na południe, chociaż odchylenie od tego kierunku o 10°.. 15° na wschód lub zachód niewiele zmienia i dlatego jest całkiem akceptowalne.

Poziome rozmieszczenie paneli słonecznych w całej Rosji jest nieskuteczne i całkowicie nieuzasadnione. Oprócz zbyt dużego spadku produkcji energii w okresie jesienno-zimowym, na panelach poziomych intensywnie gromadzi się kurz, a zimą także śnieg, z którego można je usunąć jedynie za pomocą specjalnie zorganizowanego czyszczenia (najczęściej ręcznego). Jeżeli nachylenie panelu przekracza 60°, to śnieg na jego powierzchni nie zalega zbyt długo i zwykle szybko sam się kruszy, a cienka warstwa kurzu jest łatwo zmywana przez deszcz.

Ponieważ ceny urządzeń fotowoltaicznych ostatnio spadają, korzystne może być zamiast jednego pola paneli słonecznych zorientowanych na południe zastosowanie dwóch o większej mocy całkowitej, zorientowanych na sąsiadujące (południowy wschód i południowy zachód) lub nawet przeciwne (wschód) i zachód) w kierunkach kardynalnych. Zapewni to bardziej równomierną produkcję w dni słoneczne i zwiększoną produkcję w dni pochmurne, natomiast reszta sprzętu pozostanie zaprojektowana na tę samą, stosunkowo niską moc, a co za tym idzie, będzie bardziej kompaktowa i tańsza.

I ostatnia rzecz. Szkło, którego powierzchnia nie jest gładka, ale ma specjalny relief, jest w stanie znacznie efektywniej odbierać światło boczne i przekazywać je do elementów roboczych panelu słonecznego. Najbardziej optymalny wydaje się falisty relief z orientacją występów i wgłębień z północy na południe (w przypadku paneli pionowych - od góry do dołu) - rodzaj soczewki liniowej. Szkło faliste może zwiększyć produkcję stałego panelu o 5% lub więcej.

Tradycyjne typy instalacji fotowoltaicznych

Co jakiś czas pojawiają się doniesienia o budowie kolejnej elektrowni słonecznej (SPP) lub zakładu odsalania. Termiczne kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne stosowane są na całym świecie, od Afryki po Skandynawię. Te metody wykorzystania energii słonecznej rozwijają się od dziesięcioleci; poświęconych im jest wiele stron w Internecie. Dlatego tutaj rozważę je bardzo ogólnie. Jednak jeden ważny punkt praktycznie nie jest poruszany w Internecie - jest to dobór konkretnych parametrów przy tworzeniu indywidualnego systemu zasilania energią słoneczną. Tymczasem to pytanie nie jest tak proste, jak się wydaje na pierwszy rzut oka. Przykład doboru parametrów dla układu zasilanego energią słoneczną podano na osobnej stronie.

Panele słoneczne

Najogólniej przez „baterię słoneczną” można rozumieć dowolny zestaw identycznych modułów odbierających promieniowanie słoneczne i połączonych w jedno urządzenie, także te czysto termiczne, choć tradycyjnie termin ten był przypisywany specjalnie panelom konwerterów fotoelektrycznych. Dlatego termin „bateria słoneczna” prawie zawsze odnosi się do urządzenia fotowoltaicznego, które bezpośrednio przekształca promieniowanie słoneczne w prąd elektryczny. Technologia ta aktywnie rozwija się od połowy XX wieku. Ogromną zachętą do jej rozwoju była eksploracja kosmosu, gdzie baterie słoneczne mogą obecnie konkurować jedynie z małogabarytowymi źródłami energii jądrowej pod względem wytwarzanej mocy i czasu pracy. W tym czasie sprawność konwersji baterii słonecznych wzrosła z jednego lub dwóch procent do 17% lub więcej w produkowanych masowo, stosunkowo tanich modelach i ponad 42% w prototypach. Znacząco wzrosła żywotność i niezawodność działania.

Zalety paneli słonecznych

Główną zaletą paneli słonecznych jest ich wyjątkowa prostota konstrukcji i całkowity brak ruchomych części. Efektem jest niski ciężar właściwy i bezpretensjonalność połączona z dużą niezawodnością, a także najprostszym możliwym montażem i minimalnymi wymaganiami konserwacyjnymi podczas pracy (zwykle wystarczy po prostu usunąć gromadzący się brud z powierzchni roboczej). Reprezentując płaskie elementy o małej grubości, z powodzeniem można je umieścić na połaci dachu skierowanej w stronę słońca lub na ścianie domu, praktycznie bez konieczności stosowania dodatkowej przestrzeni lub budowy oddzielnych, nieporęcznych konstrukcji. Warunek jest tylko taki, aby nic nie zasłaniało ich jak najdłużej.

Kolejną ważną zaletą jest to, że energia jest generowana natychmiastowo w postaci prądu elektrycznego – w najbardziej uniwersalnej i wygodnej dotychczas formie.

Niestety nic nie trwa wiecznie – sprawność konwerterów fotowoltaicznych maleje wraz z ich żywotnością. Płytki półprzewodnikowe, z których zwykle powstają panele fotowoltaiczne, z biegiem czasu ulegają degradacji i tracą swoje właściwości, przez co i tak już niezbyt wysoka wydajność paneli fotowoltaicznych staje się jeszcze niższa. Długotrwała ekspozycja na wysokie temperatury przyspiesza ten proces. Początkowo uznałem to za wadę akumulatorów fotowoltaicznych, zwłaszcza że „martwych” ogniw fotowoltaicznych nie można przywrócić. Jest jednak mało prawdopodobne, aby jakikolwiek mechaniczny generator elektryczny był w stanie wykazać się sprawnością na poziomie co najmniej 1% już po 10 latach ciągłej pracy - najprawdopodobniej będzie wymagał poważnych napraw znacznie wcześniej ze względu na zużycie mechaniczne, jeśli nie łożysk, to szczotek - a nowoczesne fotokonwertery są w stanie zachować swoją wydajność przez dziesięciolecia. Według optymistycznych szacunków w ciągu 25 lat wydajność baterii słonecznej spada zaledwie o 10%, co oznacza, że ​​jeśli nie zaczną działać inne czynniki, to nawet po 100 latach pozostanie prawie 2/3 pierwotnej wydajności. Jednak w przypadku masowych komercyjnych ogniw fotowoltaicznych na bazie krzemu poli- i monokrystalicznego uczciwi producenci i sprzedawcy podają nieco inne wskaźniki starzenia - po 20 latach należy spodziewać się utraty sprawności nawet do 20% (wtedy teoretycznie po 40 latach sprawność będzie wynosić 2/3 pierwotnej wydajności, zmniejszonej o połowę w ciągu 60 lat, a po 100 latach pozostanie nieco mniej niż 1/3 pierwotnej wydajności). Ogólnie rzecz biorąc, normalna żywotność nowoczesnych fotokonwerterów wynosi co najmniej 25...30 lat, więc degradacja nie jest tak krytyczna, a o wiele ważniejsze jest, aby w odpowiednim czasie wytrzeć z nich kurz...

Jeśli akumulatory zostaną zamontowane w taki sposób, aby naturalny pył był praktycznie nieobecny lub był szybko zmywany przez naturalne deszcze, wówczas będą mogły pracować bez żadnej konserwacji przez wiele lat. Kolejną zaletą jest możliwość tak długiego czasu pracy w trybie bezobsługowym.

Wreszcie panele słoneczne są w stanie wytwarzać energię od świtu do zmierzchu, nawet przy pochmurnej pogodzie, gdy temperatura kolektorów słonecznych różni się tylko nieznacznie od temperatury otoczenia. Oczywiście w porównaniu do pogodnego, słonecznego dnia ich produktywność spada wielokrotnie, ale lepsze to niż nic! Pod tym względem szczególnie interesujący jest rozwój akumulatorów o maksymalnej konwersji energii w tych zakresach, w których chmury absorbują najmniej promieniowania słonecznego. Dodatkowo przy wyborze fotokonwerterów słonecznych należy zwrócić uwagę na zależność wytwarzanego przez nie napięcia od oświetlenia - powinno być ono jak najmniejsze (w przypadku spadku oświetlenia najpierw powinien spaść prąd, a nie napięcie, bo w przeciwnym razie do uzyskać chociaż jakiś pożyteczny efekt W pochmurne dni trzeba będzie zastosować kosztowny sprzęt dodatkowy, który na siłę podnosi napięcie do minimum wystarczającego do ładowania akumulatorów i obsługi falowników).

Wady paneli słonecznych

Oczywiście panele słoneczne mają wiele wad. Oprócz zależności od pogody i pory dnia, można zauważyć następujące kwestie.

Słaba efektywność. Ten sam kolektor słoneczny, przy odpowiednim doborze kształtu i materiału powierzchni, jest w stanie pochłonąć niemal całe docierające do niego promieniowanie słoneczne w niemal całym spektrum częstotliwości niosących zauważalną energię – od dalekiej podczerwieni po ultrafiolet. Baterie słoneczne przetwarzają energię selektywnie - do roboczego wzbudzenia atomów potrzebne są określone energie fotonów (częstotliwości promieniowania), dlatego w niektórych pasmach częstotliwości konwersja jest bardzo efektywna, podczas gdy w innych zakresach częstotliwości są dla nich bezużyteczne. Dodatkowo energia wychwytywanych przez nie fotonów jest wykorzystywana kwantowo – jej „nadmiar”, przekraczający wymagany poziom, ulega nagrzaniu materiału fotokonwertera, co w tym przypadku jest szkodliwe. To w dużej mierze wyjaśnia ich niską skuteczność.
Nawiasem mówiąc, jeśli wybierzesz niewłaściwy materiał powłoki ochronnej, możesz znacznie zmniejszyć wydajność baterii. Sprawę pogarsza fakt, że zwykłe szkło dość dobrze absorbuje wysokoenergetyczną część ultrafioletu, a dla niektórych typów fotokomórek ten konkretny zakres jest bardzo istotny – energia fotonów podczerwieni jest dla nich zbyt mała.

Wrażliwość na wysoką temperaturę. Wraz ze wzrostem temperatury spada wydajność ogniw słonecznych, podobnie jak prawie wszystkich innych urządzeń półprzewodnikowych. W temperaturach powyżej 100..125°C mogą chwilowo utracić swoją funkcjonalność, a jeszcze większe nagrzanie grozi ich nieodwracalnym uszkodzeniem. Dodatkowo podwyższone temperatury przyspieszają degradację fotokomórek. Dlatego konieczne jest podjęcie wszelkich środków, aby zmniejszyć ogrzewanie, które jest nieuniknione pod palącymi bezpośrednimi promieniami słońca. Zazwyczaj producenci ograniczają nominalny zakres temperatur pracy fotokomórek do +70°..+90°C (oznacza to nagrzewanie się samych elementów, a temperatura otoczenia powinna być oczywiście znacznie niższa).
Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że wrażliwa powierzchnia raczej delikatnych fotokomórek jest często pokryta szkłem ochronnym lub przezroczystym tworzywem sztucznym. Jeśli pomiędzy osłoną ochronną a powierzchnią fotokomórki pozostanie szczelina powietrzna, powstaje rodzaj „szklarni”, pogłębiając przegrzanie. To prawda, że ​​​​zwiększając odległość między szkłem ochronnym a powierzchnią fotokomórki i łącząc tę ​​wnękę z atmosferą powyżej i poniżej, można zorganizować konwekcyjny przepływ powietrza, który w naturalny sposób chłodzi fotokomórki. Jednak przy dużym nasłonecznieniu i przy wysokich temperaturach zewnętrznych może to nie wystarczyć, ponadto metoda ta przyczynia się do przyspieszonego pylenia powierzchni roboczej fotokomórek. Dlatego nawet niezbyt duża bateria słoneczna może wymagać specjalnego układu chłodzenia. Gwoli ścisłości trzeba powiedzieć, że takie systemy zazwyczaj łatwo zautomatyzować, a napęd wentylatora czy pompy zużywa jedynie niewielką część wytworzonej energii. W przypadku braku silnego słońca ogrzewanie nie jest zbyt duże i w ogóle nie jest potrzebne chłodzenie, więc energię zaoszczędzoną na napędzaniu układu chłodzenia można wykorzystać do innych celów. Należy zaznaczyć, że w nowoczesnych panelach produkowanych fabrycznie powłoka ochronna z reguły ściśle przylega do powierzchni fotokomórek i odprowadza ciepło na zewnątrz, jednak w konstrukcjach domowych mechaniczny kontakt z szybą ochronną może spowodować uszkodzenie fotokomórki.

Wrażliwość na nierównomierność oświetlenia. Z reguły, aby uzyskać mniej lub bardziej wygodne w użyciu napięcie na wyjściu akumulatora (12, 24 lub więcej woltów), fotokomórki łączy się w obwody szeregowe. O prądzie w każdym takim łańcuchu, a co za tym idzie o jego mocy, decyduje najsłabsze ogniwo – fotokomórka o najgorszych parametrach lub o najmniejszym oświetleniu. Zatem jeśli choć jeden element łańcucha znajdzie się w cieniu, znacznie zmniejsza to wydajność całego łańcucha – straty są nieproporcjonalne do zacienienia (co więcej, w przypadku braku diod ochronnych taki element zacznie rozpraszać energię moc generowana przez pozostałe elementy!). Nieproporcjonalnego zmniejszenia mocy można uniknąć jedynie łącząc wszystkie fotokomórki równolegle, ale wtedy na wyjściu akumulatora przy zbyt niskim napięciu będzie płynął zbyt duży prąd - zwykle dla pojedynczych fotokomórek jest to tylko 0,5..0,7 V, w zależności od ich typu i wielkość ładunku.

Wrażliwość na zanieczyszczenia. Nawet ledwo zauważalna warstwa brudu na powierzchni ogniw słonecznych lub szkła ochronnego może pochłonąć znaczną część światła słonecznego i znacznie zmniejszyć produkcję energii. W zapylonym mieście będzie to wymagało częstego czyszczenia powierzchni paneli fotowoltaicznych, szczególnie tych zainstalowanych poziomo lub pod niewielkim kątem. Oczywiście ta sama procedura jest konieczna po każdym opadzie śniegu i po burzy piaskowej... Jednak z dala od miast, stref przemysłowych, ruchliwych dróg i innych silnych źródeł pyłu pod kątem 45° lub większym, deszcz jest w stanie całkiem nieźle spowodować zmywając naturalny pył z powierzchni paneli, „automatycznie” utrzymując je w w miarę czystym stanie. A śnieg na takim zboczu, również skierowanym na południe, zwykle nie utrzymuje się długo nawet w bardzo mroźne dni. Tak więc, z dala od źródeł zanieczyszczeń atmosferycznych, panele fotowoltaiczne mogą z powodzeniem działać latami bez żadnej konserwacji, jeśli tylko na niebie będzie słońce!

Wreszcie ostatnią, ale najważniejszą przeszkodą w powszechnym zastosowaniu fotowoltaicznych paneli słonecznych jest ich dość wysoka cena. Koszt elementów baterii słonecznych wynosi obecnie co najmniej 1 $/W (1 kW - 1000 $) i dotyczy to modyfikacji o niskiej wydajności bez uwzględnienia kosztów montażu i instalacji paneli, a także bez uwzględnienia cena akumulatorów, sterowników ładowania i inwerterów (przetwornic generowanego prądu stałego niskiego napięcia na standard domowy lub przemysłowy). W większości przypadków, aby uzyskać minimalny szacunek rzeczywistych kosztów, liczby te należy pomnożyć 3-5 razy przy samodzielnym montażu z pojedynczych ogniw słonecznych i 6-10 razy przy zakupie gotowych zestawów sprzętu (plus koszty instalacji).

Ze wszystkich elementów układu zasilania wykorzystującego baterie fotowoltaiczne, baterie mają najkrótszą żywotność, jednak producenci nowoczesnych baterii bezobsługowych twierdzą, że w tzw. trybie buforowym będą one działać przez około 10 lat (lub wypracują tradycyjne 1000 cykli mocnego ładowania i rozładowywania – jeśli liczyć jeden cykl dziennie, to w tym trybie wystarczą 3 lata). Zwracam uwagę, że koszt akumulatorów wynosi zwykle tylko 10-20% całkowitego kosztu całego systemu, a koszt falowników i kontrolerów ładowania (oba są złożonymi produktami elektronicznymi i dlatego istnieje pewne prawdopodobieństwo ich awarii) jest równy mniej. Zatem biorąc pod uwagę długą żywotność i zdolność do długotrwałej pracy bez konserwacji, fotokonwertery mogą zwrócić się wielokrotnie w ciągu swojego życia i to nie tylko w odległych obszarach, ale także na obszarach zaludnionych - jeśli prąd cła będą rosły w obecnym tempie!

Kolektory słoneczne

Nazwą „kolektory słoneczne” określa się urządzenia wykorzystujące bezpośrednie ogrzewanie ciepłem słonecznym, zarówno pojedyncze, jak i sztaplowane (modułowe). Najprostszym przykładem termicznego kolektora słonecznego jest zbiornik czarnej wody na dachu wspomnianego wiejskiego prysznica (swoją drogą, efektywność podgrzewania wody podczas letniego prysznica można znacznie zwiększyć budując wokół zbiornika mini szklarnię , przynajmniej z folii z tworzywa sztucznego; pożądane jest, aby między folią a ścianami zbiornika na górze i po bokach znajdowała się szczelina 4-5 cm).

Jednak współczesne kolektory w niewielkim stopniu przypominają taki zbiornik. Są to zazwyczaj płaskie konstrukcje wykonane z cienkich, poczerniałych rurek ułożonych w kratkę lub wzór węża. Rury można montować na poczerniałej, przewodzącej ciepło płycie podłoża, która zatrzymuje ciepło słoneczne przedostające się do przestrzeni pomiędzy nimi - pozwala to na zmniejszenie całkowitej długości rur bez utraty wydajności. Aby ograniczyć straty ciepła i zwiększyć nagrzewanie, górną część kolektora można przykryć taflą szkła lub przezroczystego poliwęglanu komórkowego, a na odwrotnej stronie blachy rozprowadzającej ciepło zapobiega się niepotrzebnej utracie ciepła warstwą termoizolacji - uzyskuje się rodzaj „szklarni”. Przez rurę przepływa podgrzana woda lub inny czynnik chłodzący, który można zebrać w izolowanym termicznie zbiorniku. Płyn chłodzący przemieszcza się pod działaniem pompy lub pod wpływem grawitacji na skutek różnicy gęstości chłodziwa przed i za kolektorem termicznym. W tym drugim przypadku mniej lub bardziej wydajna cyrkulacja wymaga starannego doboru spadków i odcinków rur oraz umieszczenia samego kolektora jak najniżej. Zwykle jednak kolektor umieszcza się w tych samych miejscach, co baterię słoneczną – na nasłonecznionej ścianie lub na nasłonecznionej połaci dachu, chociaż gdzieś trzeba umieścić dodatkowy zbiornik. Bez takiego zbiornika, podczas intensywnego odzysku ciepła (powiedzmy, jeśli trzeba napełnić wannę lub wziąć prysznic), pojemność kolektora może nie wystarczyć, a po krótkim czasie z kranu zacznie wypływać lekko podgrzana woda.

Szkło ochronne oczywiście nieco zmniejsza wydajność kolektora, pochłaniając i odbijając kilka procent energii słonecznej, nawet jeśli promienie padają prostopadle. Gdy promienie padają na szkło pod niewielkim kątem do powierzchni, współczynnik odbicia może dochodzić do 100%. Dlatego przy braku wiatru i konieczności jedynie nieznacznego ogrzania w stosunku do otaczającego powietrza (np. o 5-10 stopni do podlewania ogrodu) konstrukcje „otwarte” mogą być bardziej efektywne niż „przeszklone”. Ale gdy tylko wymagana jest różnica temperatur rzędu kilkudziesięciu stopni lub wzmaga się nawet niezbyt silny wiatr, straty ciepła w konstrukcjach otwartych gwałtownie rosną, a szkło ochronne, ze wszystkimi jego wadami, staje się koniecznością.

Ważna uwaga - należy wziąć pod uwagę, że w upalny słoneczny dzień, jeśli nie zostanie poddana analizie, woda może się przegrzać powyżej temperatury wrzenia, dlatego należy zachować odpowiednie środki ostrożności przy projektowaniu kolektora (zapewnić zabezpieczenie zawór). W otwartych kolektorach bez szkła ochronnego takie przegrzanie zwykle nie stanowi problemu.

W ostatnim czasie popularne są kolektory słoneczne oparte na tzw. rurkach cieplnych (nie mylić z „rurkami cieplnymi” służącymi do odprowadzania ciepła z układów chłodzenia komputerów!). W przeciwieństwie do omówionej powyżej konstrukcji, tutaj każda podgrzewana metalowa rurka, przez którą przepływa płyn chłodzący, jest wlutowana wewnątrz szklanej rurki, a powietrze jest wypompowywane z przestrzeni pomiędzy nimi. Okazuje się, że jest to analog termosu, w którym dzięki próżniowej izolacji termicznej straty ciepła zmniejszają się 20-krotnie lub więcej. W rezultacie, według producentów, gdy na zewnątrz szyby panuje mróz do -35°C, woda w wewnętrznej metalowej rurce ze specjalną powłoką pochłaniającą najszersze możliwe spektrum promieniowania słonecznego nagrzewa się do +50.. +70°C (różnica ponad 100°C). Wydajna absorpcja w połączeniu z doskonałą izolacją termiczną pozwala na podgrzanie płynu chłodzącego nawet przy pochmurnej pogodzie, choć moc grzewcza jest oczywiście kilkukrotnie mniejsza niż w pełnym słońcu. Kluczowe jest tutaj zapewnienie zachowania próżni w szczelinie pomiędzy rurkami, czyli szczelności próżniowej złącza szkła i metalu, w bardzo szerokim zakresie temperatur, sięgającym 150°C, przez cały okres użytkowania wielu lat. Z tego powodu przy produkcji takich kolektorów nie da się obejść bez starannego skoordynowania współczynników rozszerzalności cieplnej szkła i metalu oraz zaawansowanych technologicznie procesów produkcyjnych, co powoduje, że w warunkach rzemieślniczych raczej nie uda się wykonać pełnoprawna próżniowa rura cieplna. Ale prostsze projekty kolektorów można wykonać samodzielnie bez żadnych problemów, choć oczywiście ich wydajność jest nieco mniejsza, szczególnie zimą.

Oprócz opisanych powyżej płynnych kolektorów słonecznych istnieją inne ciekawe typy konstrukcji: powietrze (chłodziwem jest powietrze i nie boi się zamarznięcia), „stawy słoneczne” itp. Niestety większość prac badawczo-rozwojowych nad kolektorami słonecznymi poświęcony jest konkretnie modelom płynnym, dlatego alternatywne typy praktycznie nie są produkowane masowo i nie ma o nich zbyt wielu informacji.

Zalety kolektorów słonecznych

Najważniejszą zaletą kolektorów słonecznych jest prostota i stosunkowo niski koszt produkcji ich dość efektywnych opcji, w połączeniu z bezpretensjonalnością w działaniu. Minimum potrzebne do wykonania kolektora własnymi rękami to kilka metrów cienkiej rurki (najlepiej cienkościennej miedzi - można ją wyginać z minimalnym promieniem) i odrobina czarnej farby, przynajmniej lakieru bitumicznego. Zginamy rurkę jak wąż, malujemy ją czarną farbą, ustawiamy w nasłonecznionym miejscu, podłączamy do sieci wodociągowej i najprostszy kolektor słoneczny gotowy! Jednocześnie wężownicę można łatwo nadać niemal dowolnej konfiguracji i maksymalnie wykorzystać całą przestrzeń przeznaczoną na kolektor. Najbardziej skutecznym domowym czernieniem, które jest jednocześnie bardzo odporne na wysokie temperatury i bezpośrednie działanie promieni słonecznych, jest cienka warstwa sadzy. Jednak sadzę można łatwo usunąć i zmyć, więc takie zaczernienie z pewnością będzie wymagało szkła ochronnego i specjalnych środków, aby zapobiec przedostawaniu się ewentualnej kondensacji na pokrytą sadzą powierzchnię.

Kolejną ważną zaletą kolektorów jest to, że w przeciwieństwie do paneli fotowoltaicznych są one w stanie wychwycić i przekształcić aż 90% docierającego do nich promieniowania słonecznego na ciepło, a w najskuteczniejszych przypadkach nawet więcej. Dlatego nie tylko przy dobrej pogodzie, ale także przy lekkim zachmurzeniu wydajność kolektorów przewyższa wydajność baterii fotowoltaicznych. Wreszcie, w przeciwieństwie do baterii fotowoltaicznych, nierównomierne oświetlenie powierzchni nie powoduje nieproporcjonalnego zmniejszenia wydajności kolektora - ważny jest jedynie całkowity (zintegrowany) strumień promieniowania.

Wady kolektorów słonecznych

Kolektory słoneczne są jednak bardziej wrażliwe na warunki atmosferyczne niż panele słoneczne. Nawet przy dużym nasłonecznieniu świeży wiatr może wielokrotnie zmniejszyć wydajność grzewczą otwartego wymiennika ciepła. Szyby ochronne oczywiście znacznie ograniczają utratę ciepła przez wiatr, ale w przypadku gęstych chmur też są bezsilne. Przy pochmurnej, wietrznej pogodzie z kolektora praktycznie nie ma pożytku, ale bateria słoneczna wyprodukuje chociaż część energii.

Wśród innych wad kolektorów słonecznych zwrócę uwagę przede wszystkim na ich sezonowość. Wystarczą krótkie wiosenne lub jesienne przymrozki nocne, aby lód powstający w rurach nagrzewnicy stworzył niebezpieczeństwo ich pęknięcia. Można to oczywiście wyeliminować, ogrzewając „szklarnię” wężownicą zewnętrznym źródłem ciepła w zimne noce, ale w tym przypadku ogólna efektywność energetyczna kolektora może łatwo stać się ujemna! Inna opcja - rozdzielacz dwuprzewodowy z płynem niezamarzającym w obwodzie zewnętrznym - nie będzie wymagał zużycia energii do ogrzewania, ale będzie znacznie bardziej skomplikowany niż opcje jednoprzewodowe z bezpośrednim podgrzewaniem wody, zarówno podczas produkcji, jak i podczas pracy. Zasadniczo struktury powietrzne nie mogą zamarznąć, ale istnieje inny problem - niska pojemność cieplna właściwa powietrza.

A jednak być może główną wadą kolektora słonecznego jest to, że jest to właśnie urządzenie grzewcze i chociaż próbki produkowane przemysłowo, w przypadku braku analizy cieplnej, mogą podgrzać płyn chłodzący do 190..200 ° C, zwykle osiąganej temperatury rzadko przekracza 60..80°C. Dlatego bardzo trudno jest wykorzystać odebrane ciepło do uzyskania znacznych ilości pracy mechanicznej lub energii elektrycznej. Przecież nawet do pracy najniższej temperatury turbiny parowo-wodnej (np. tej, którą opisał kiedyś V.A. Zysin) konieczne jest przegrzanie wody do co najmniej 110°C! A energia bezpośrednio w postaci ciepła, jak wiadomo, nie jest magazynowana przez długi czas i nawet w temperaturze poniżej 100°C może być zwykle wykorzystywana jedynie do zaopatrzenia w ciepłą wodę i ogrzewania domu. Biorąc jednak pod uwagę niski koszt i łatwość produkcji, może to być wystarczający powód do zakupu własnego kolektora słonecznego.

Aby być uczciwym, należy zauważyć, że „normalny” cykl pracy silnika cieplnego można zorganizować w temperaturach poniżej 100 ° C - albo jeśli obniży się temperaturę wrzenia poprzez zmniejszenie ciśnienia w części parującej poprzez wypompowanie stamtąd pary lub poprzez zastosowanie cieczy, której temperatura wrzenia mieści się pomiędzy temperaturą nagrzewania kolektora słonecznego a temperaturą powietrza otoczenia (optymalnie - 50..60°C). Co prawda pamiętam tylko jeden nieegzotyczny i stosunkowo bezpieczny płyn, który mniej więcej spełnia te warunki - alkohol etylowy, który w normalnych warunkach wrze w temperaturze 78°C. Oczywiście w tym przypadku konieczne będzie zorganizowanie cyklu zamkniętego, rozwiązującego wiele powiązanych problemów. W niektórych sytuacjach obiecujące może być zastosowanie silników ogrzewanych zewnętrznie (silników Stirlinga). Ciekawostką pod tym względem może być także zastosowanie stopów z efektem pamięci kształtu, które zostały opisane na tej stronie w artykule I.V. Nigela - do działania potrzebują jedynie różnicy temperatur 25-30°C.

Stężenie energii słonecznej

Zwiększanie sprawności kolektora słonecznego polega przede wszystkim na stałym podnoszeniu temperatury podgrzewanej wody powyżej temperatury wrzenia. Odbywa się to zwykle poprzez koncentrację energii słonecznej na kolektorze za pomocą luster. Jest to zasada leżąca u podstaw większości elektrowni słonecznych; różnice polegają jedynie na liczbie, konfiguracji i rozmieszczeniu zwierciadeł i kolektora, a także sposobach sterowania zwierciadłami. W rezultacie w punkcie ogniskowania całkiem możliwe jest osiągnięcie temperatury nawet nie setek, ale tysięcy stopni - w takiej temperaturze może już nastąpić bezpośredni rozkład termiczny wody na wodór i tlen (powstały wodór można spalić w nocy i w pochmurne dni)!

Niestety, efektywne działanie takiej instalacji nie jest możliwe bez skomplikowanego systemu sterowania skupianiem zwierciadeł, które muszą śledzić stale zmieniającą się pozycję Słońca na niebie. W przeciwnym razie w ciągu kilku minut punkt ogniskowania opuści kolektor, który w takich układach jest często bardzo mały, a nagrzewanie płynu roboczego ustanie. Nawet zastosowanie zwierciadeł paraboloidalnych tylko częściowo rozwiązuje problem – jeśli nie będą one okresowo obracane za Słońcem, to po kilku godzinach nie będzie ono już wpadać do ich czaszy lub będzie oświetlać jedynie jego krawędź – na niewiele się to zda.

Najprostszym sposobem na skupienie energii słonecznej w domu jest umieszczenie lustra poziomo w pobliżu kolektora, tak aby słońce padało na kolektor przez większą część dnia. Ciekawą opcją jest wykorzystanie powierzchni specjalnie utworzonego zbiornika w pobliżu domu jako takiego lustra, szczególnie jeśli nie jest to zwykły zbiornik, ale „staw słoneczny” (choć nie jest to łatwe do zrobienia, a skuteczność odbicia będzie być znacznie mniejsza niż w przypadku zwykłego lustra). Dobry efekt można osiągnąć tworząc system pionowych luster skupiających (przedsięwzięcie to jest zwykle znacznie bardziej kłopotliwe, ale w niektórych przypadkach uzasadnione może być po prostu zamontowanie dużego lustra na sąsiedniej ścianie, jeżeli tworzy ono kąt wewnętrzny z kolektorem). - wszystko zależy od konfiguracji i lokalizacji budynku oraz kolektora).

Przekierowanie promieniowania słonecznego za pomocą luster może również zwiększyć moc baterii fotowoltaicznej. Ale jednocześnie wzrasta jego nagrzewanie, co może spowodować uszkodzenie akumulatora. Dlatego w tym przypadku trzeba ograniczyć się do stosunkowo niewielkiego wzmocnienia (kilkudziesięcioprocentowego, ale nie kilkukrotnego) i uważnie monitorować temperaturę akumulatora, zwłaszcza w gorące, pogodne dni! Właśnie ze względu na niebezpieczeństwo przegrzania niektórzy producenci baterii fotowoltaicznych bezpośrednio zabraniają pracy swoich produktów przy zwiększonym oświetleniu wytworzonym za pomocą dodatkowych reflektorów.

Zamiana energii słonecznej na energię mechaniczną

Tradycyjne typy instalacji fotowoltaicznych nie wytwarzają bezpośrednio pracy mechanicznej. W tym celu należy podłączyć silnik elektryczny do baterii słonecznej na fotokonwerterach, a w przypadku zastosowania termicznego kolektora słonecznego na wejście pary należy doprowadzić parę przegrzaną (a w przypadku przegrzania jest to mało prawdopodobne bez skupiających lusterek) turbiny lub cylindrów silnika parowego. Kolektory wytwarzające stosunkowo mało ciepła mogą przekształcać ciepło w ruch mechaniczny w bardziej egzotyczny sposób, na przykład za pomocą siłowników ze stopu z pamięcią kształtu.

Istnieją jednak również instalacje polegające na zamianie ciepła słonecznego na pracę mechaniczną, co jest bezpośrednio uwzględnione w ich konstrukcji. Co więcej, ich rozmiary i moc są bardzo różne - to projekt ogromnej wieży solarnej o wysokości kilkuset metrów i skromnej pompy solarnej, która pasowałaby do domku letniskowego.

Obliczając energię słoneczną, podobnie jak energię wiatru, warto wziąć pod uwagę zmienność jej produkcji. Dlatego całkowita moc zostanie podana również dla obciążenia 2 kW. Słońce świeci również nierówno, a mgła czy poranne zamglenie, a nawet miejski smog stwarzają ogromne przeszkody, aby promienie słoneczne mogły dotrzeć do naszych paneli. Różne pory roku powodują różną intensywność światła słonecznego. Pora nocna nie wymaga komentarza.

Najpierw określmy kąt nachylenia panelu. Standardowe nasłonecznienie oblicza się dla powierzchni 1 metra kwadratowego. Nie znamy jednak dokładnej powierzchni elementów paneli słonecznych. Znana jest jednak jego moc znamionowa, którą określa się w temperaturze 25°C przy standardowym strumieniu światła słonecznego wynoszącym 1 kW/m2. To wystarczy. Przyjmując taką samą moc promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi (maksymalne nasłonecznienie), stwierdzamy, że moc panelu odnosi się do nasłonecznienia na metr kwadratowy w taki sam sposób, w jaki moc panelu odnosi się do mocy promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi przy dobrej pogodzie na 1 metr kwadratowy, czyli do 1000 W. Zatem wzór obliczeniowy wygląda następująco:

Tutaj E1 to produkcja energii przez panel słoneczny; E2 - miesięczne nasłonecznienie na metr kwadratowy (z tabeli nasłonecznienia); P1 – moc znamionowa panelu słonecznego; ? - ogólną wydajność przesyłania prądu elektrycznego przez przewody, sterownik panelu fotowoltaicznego i falownik przy przetwarzaniu napięcia stałego niskiego napięcia na napięcie standardowe (jeśli ma być bezpośrednio wykorzystywane napięcie niskiego napięcia, to przy użyciu odpowiednio grubych i krótkich przewodów? można przyrównać do 1, tj. nie brać pod uwagę) ; P2 - maksymalna moc nasłonecznienia na metr kwadratowy powierzchni ziemi (1000 W). Nasłonecznienie i żądana moc muszą być wyrażone w tych samych jednostkach (kilowatogodzinach lub dżulach).

Wzory (3.2) i (3.3) najczęściej nie dają praktycznych wyników, gdyż konieczne jest uwzględnienie wielu opisanych powyżej czynników środowiskowych. Poza tym ogromną rolę odgrywa także strona techniczna. Np. dobór falowników, przewodów, pojemności akumulatorów, paneli fotokomórkowych.

Na podstawie wyników badań można stwierdzić, że instalacja AES jest zadaniem bardzo pracochłonnym. Tutaj nie można obejść się wyłącznie dokładnymi obliczeniami i standardowymi formułami. Wymaga to uwzględnienia warunków środowiskowych, które stale się zmieniają. Ważną rolę odgrywają urządzenia, projekty i materiały do ​​​​wytwarzania produktów.

Dlatego wielu woli bardziej niezawodną stronę w zakresie energii elektrycznej, która co roku stwarza wiele palących problemów, których ludzkość nie dotykała od kilkudziesięciu lat, z zastrzeżeniem aktywnego zużycia zasobów planety.

Obliczanie baterii

Baterie, jako integralna część paneli słonecznych, są przetwornikami energii słonecznej na energię elektryczną pochodzącą z paneli słonecznych.

Na zajęciach zaproponowano metodę obliczania paneli słonecznych i akumulatorów. Zaproponowana metodologia jest przykładem obliczeń, w których pominięto pewne nieistotne parametry. Załóżmy, że obliczenia opierają się na warunku średniego miesięcznego zużycia i marginesie bezpieczeństwa bez intensywnego wpływu słońca.

Urządzenia gospodarstwa domowego o normalnym zużyciu mogą być zasilane mocą 3000 watów. Normalne oświetlenie panelu słonecznego: T = 5,5 godziny/dzień. Sprawność falownika: 0,91. Jeden akumulator ma pojemność C = 225 Ah, napięcie U = 12 V. Stopień rozładowania akumulatora: 0,7.

Przy łącznej mocy urządzeń 3000 W średnie dzienne zużycie energii wyniesie W = 125 000 kWh na tydzień lub Wс = 17 857 kW na dzień. Do dokładnych obliczeń należy wziąć pod uwagę prawdopodobieństwo jednoczesnego korzystania z urządzeń, obciążenia szczytowe i bierne, czy rozkład obciążenia w ciągu doby.

Przy całkowitej mocy odbiornika 3 kW wybieramy falownik o mocy W = 6 kW (z perspektywą wzrostu i kompensacji nieuwzględnionych obciążeń). Napięcie wejściowe falownika Ui = 24 V.

Całkowite dzienne obciążenie prądowe falownika w Ah, z uwzględnieniem sprawności falownika:

Wyniki obliczeń (3.4) są niezbędne do określenia liczby akumulatorów i prądu ładowania z punktu widzenia niezawodności systemu.

Obciążenie prądowe zostaje podwojone, aby zapewnić zasilanie na dwa dni.

Dopuszczalna głębokość rozładowania akumulatora wynosi 0,7.

Podzielmy parametry jednego akumulatora:

Wartość otrzymana ze wzoru (3.5) reprezentuje liczbę bloków panelu. Zaokrąglamy do 5. Aby uzyskać 12 V na panel łączymy szeregowo dwa panele w jednym bloku. Łącznie 5 bloków lub 10 baterii dla wszystkich paneli.

Do obciążenia od odbiorców doliczymy obciążenie z doładowań paneli. Stanowi to 10% całkowitej mocy modułu akumulatorowego:

W rezultacie całkowite średnie dzienne zużycie wynosi S=17857+270 = 18127 Wh.

Aby dostarczyć energię, panel słoneczny musi wygenerować dzienną ilość energii 18127 Wh podczas świecenia przez około 6 godzin. Dlatego blok modułów fotowoltaicznych powinien składać się z 15 modułów:

W sumie otrzymujemy ilość akumulatorów i paneli fotowoltaicznych niezbędnych do normalnej produkcji i dystrybucji energii zgodnie z obliczonym obciążeniem.

Wstęp

Jak wiemy, słońce jest podstawowym i głównym źródłem energii dla naszej planety. Ogrzewa całą Ziemię, wprawia w ruch rzeki i dodaje siły wiatrowi. Pod jego promieniami rośnie 1 biliard ton roślin, które z kolei stanowią paszę dla 10 bilionów ton zwierząt i bakterii. Dzięki temu samemu Słońcu na Ziemi zgromadziły się rezerwy węglowodorów, czyli ropy, węgla, torfu itp., Które teraz aktywnie spalamy. Aby dzisiejsza ludzkość była w stanie zaspokoić swoje zapotrzebowanie na zasoby energetyczne, potrzeba około 10 miliardów ton standardowego paliwa rocznie. (Ciepło spalania paliwa równoważnego - 7000 kcal/kg).

Zadania:

· rozważyć podstawowe zasady i zjawiska fizyczne;

· rozwinięcie wiedzy i umiejętności pozwalających na teoretyczne obliczenia głównych parametrów;

· rozważ zalety i wady wykorzystania energii słonecznej

· rozważenie sposobów pozyskiwania energii elektrycznej i ciepła z promieniowania słonecznego

Energia słoneczna- wykorzystanie promieniowania słonecznego do uzyskania energii w dowolnej postaci. Energia słoneczna wykorzystuje odnawialne źródło energii i w przyszłości może stać się przyjazna dla środowiska, czyli nie wytwarzać szkodliwych odpadów.

Promieniowanie słoneczne jest praktycznie niewyczerpanym źródłem energii, dociera do wszystkich zakątków Ziemi, jest „na wyciągnięcie ręki” dla każdego konsumenta i jest przyjaznym dla środowiska, dostępnym źródłem energii.

Korzystanie ze światła słonecznego i ciepła to czysty, prosty i naturalny sposób na uzyskanie wszelkich form energii, których potrzebujemy. Za pomocą kolektorów słonecznych można ogrzewać budynki mieszkalne i komercyjne lub zapewniać im ciepłą wodę użytkową. Światło słoneczne skupione w zwierciadłach parabolicznych (reflektorach) wykorzystywane jest do wytwarzania ciepła (o temperaturze dochodzącej do kilku tysięcy stopni Celsjusza). Można go wykorzystać do ogrzewania lub wytwarzania energii elektrycznej. Ponadto istnieje inny sposób wytwarzania energii za pomocą słońca - technologia fotowoltaiczna. Ogniwa fotowoltaiczne to urządzenia, które przekształcają promieniowanie słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną.

ENERGIA SŁONECZNA

Energia Słońca jest źródłem życia na naszej planecie. Słońce ogrzewa atmosferę i powierzchnię Ziemi. Dzięki energii słonecznej wieją wiatry, w przyrodzie zachodzi obieg wody, morza i oceany nagrzewają się, rozwijają się rośliny, a zwierzęta mają pożywienie. To dzięki promieniowaniu słonecznemu na Ziemi istnieją paliwa kopalne. Energię słoneczną można przekształcić w ciepło lub chłód, siłę napędową i energię elektryczną.

Promieniowania słonecznego

Promieniowanie słoneczne to promieniowanie elektromagnetyczne, skupione głównie w zakresie długości fal 0,28...3,0 mikrona. Widmo słoneczne składa się z:

Fale ultrafioletowe o długości 0,28...0,38 mikrona, niewidoczne dla naszych oczu i stanowiące około 2% widma słonecznego;

Fale świetlne w zakresie 0,38...0,78 mikrona, stanowiące około 49% widma;

Fale podczerwone o długości 0,78...3,0 mikrona, które stanowią większość z pozostałych 49% widma słonecznego. Pozostałe części widma odgrywają niewielką rolę w bilansie cieplnym Ziemi.

Ile energii słonecznej dociera do Ziemi?

Słońce emituje ogromną ilość energii – około 1,1 x 10 20 kWh na sekundę. Kilowatogodzina to ilość energii potrzebna do działania 100-watowej żarówki przez 10 godzin. Zewnętrzna atmosfera Ziemi przechwytuje około jednej milionowej energii emitowanej przez Słońce, czyli około 1500 biliardów (1,5 x 10 18) kWh rocznie. Jednak w wyniku odbicia, rozproszenia i absorpcji przez gazy atmosferyczne i aerozole tylko 47% całkowitej energii, czyli około 700 biliardów (7 x 10 17) kWh, dociera do powierzchni Ziemi.

Promieniowanie słoneczne w atmosferze ziemskiej dzieli się na tzw. promieniowanie bezpośrednie i promieniowanie rozproszone, na cząstki powietrza, pyłu, wody itp. zawarte w atmosferze. Ich suma tworzy całkowite promieniowanie słoneczne.

Ilość energii spadającej na jednostkę powierzchni w jednostce czasu zależy od wielu czynników: szerokości geograficznej lokalnego klimatu, pory roku i kąta nachylenia powierzchni względem Słońca.

Czas i miejsce

Ilość energii słonecznej padającej na powierzchnię Ziemi zmienia się w wyniku ruchu Słońca. Zmiany te zależą od pory dnia i pory roku. Zazwyczaj Ziemia otrzymuje więcej promieniowania słonecznego w południe niż wczesnym rankiem lub późnym wieczorem. W południe Słońce znajduje się wysoko nad horyzontem, a długość drogi promieni słonecznych przez atmosferę ziemską jest zmniejszona. W rezultacie mniej promieniowania słonecznego jest rozpraszane i pochłaniane, co oznacza, że ​​więcej dociera do powierzchni.

Ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi odbiega od średniej rocznej: zimą – w Europie Północnej o niecałe 0,8 kWh/m2 dziennie i latem w tym samym regionie o ponad 4 kWh/m2 dziennie. Różnica maleje w miarę zbliżania się do równika.

Ilość energii słonecznej zależy również od położenia geograficznego miejsca: im bliżej równika, tym jest ona większa. Przykładowo średnie roczne całkowite padanie promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą wynosi: w Europie Środkowej, Azji Środkowej i Kanadzie – około 1000 kWh/m2; na Morzu Śródziemnym - około 1700 kWh / m 2; w większości pustynnych regionów Afryki, Bliskiego Wschodu i Australii – około 2200 kWh/m2.

Zatem ilość promieniowania słonecznego różni się znacznie w zależności od pory roku i położenia geograficznego. Czynnik ten należy wziąć pod uwagę przy korzystaniu z energii słonecznej.