Сонячна енергія (точніше - крихітна частка від всієї, що випромінює Сонцем в простір енергії) досягає Землі і забезпечує існування життя на нашій планеті в тому вигляді, в якому ми її знаємо.
Інтенсивність випромінювання Сонця «на вході» в атмосферу Землі становить 1,367 КВт / м 2.
Атмосфера планети поглинає частину потоку сонячної енергії. На різних широтах, в різні пори року, в різний час доби, на різній висоті над рівнем моря і при різній хмарності потужність сонячного вивчення, яка припадає на один квадратний метр поверхні перпендикулярної променям становить
від 0 КВт / м 2 до 1,0 КВт / м 2.
Чому сонячне випромінювання має різну інтенсивність можна зрозуміти, розглянувши малюнок нижче.
У різних умовах променям Сонця доводиться долати до поверхні Землі через атмосферу різні відстані! Чим довше шлях променів Сонця через атмосферу, тим більше поглинання, тим менше енергії дійде до поверхні, до точки А.
1,0 КВт / м 2 - це максимум інтенсивності в ясну погоду на рівні моря в істинний астрономічний полудень на екваторі в дні весняного (
Це означає, що ніяке пристрій, створене людиною для перетворення сонячної енергії в теплову або електричну, що має робочу площу 1,0 м 2 ніколи не видасть потужність більше 1,0 КВт!
У середніх широтах Росії сонячна енергія має інтенсивність потоку влітку в ясний полудень - до 0,8 КВт / м 2. взимку - всього лише до 0,3 КВт / м 2.
За довідковими таблицями (дивись посилання в кінці статті) в середньому за рік кількість сонячної енергії, що падає на горизонтальну площадку площею 1м 2:
На момент написання статті, наприклад, в Омську ціна 1 КВт * год електроенергії становила 3,32 руб. для населення. Образно висловлюючись, можна сказати, що Сонце «висипає» в рік в Омську на кожен квадратний метр 4183,20 руб. (11,46 руб. Щодня) в перекладі на вартість електроенергії.
Завдання і проблема - зібрати це багатство.
Сонячна електроенергія.
Для перетворення енергії Сонця в електроенергію на сьогоднішній день найбільш ефективними є кремнієві фотоелектричні батареї. Але їх ККД низький і по факту не перевищує 14%.
Таким чином, панель площею 1,0 м 2 здатна видати на широті Москви максимальну потужність порядку 0,11 КВт. І не вірте недобросовісним продавцям, що завищують показники потужності!
Низький ККД за великим рахунком ні про що не говорить (їздимо ж ми на автомобілях, двигуни яких мають ККД = 10%). Став панель більшої площі - і все. Однак висока вартість повного комплекту сонячної електростанції (з панелями, акумуляторами, автоматикою, перетворювачами
1100 $ / КВт) продовжує бути в Росії стримує широке поширення сонячних панелей фактором. Звичайно, в місцях, де іншим способом отримати електроенергію неможливо або дуже складно і дорого (космос, кемпінг, будинок лісника, що не електрифікований селище), сонячна електростанція є хорошим рішенням проблеми.
До 2030 року прогнозована потужність всіх сонячних фотоелектричних перетворювачів в світі перевищить 200 ГВт. При цьому вартість виробленої електричної енергії передбачається 0,10 ... 0,15 $ / КВт * год.
Сонячна теплова енергія.
Дуже популярною останні десятиліття стала тема отримання теплової енергії для гарячого водопостачання та опалення приміщень від Сонця. Сотні компаній по всьому світу пропонують свої розробки сонячних колекторів, тисячі ентузіастів виготовляють різноманітні варіанти пристроїв в домашніх майстерень.
Одними з перспективних на сьогоднішній день, можливо, бачаться вакуумовані трубчасті колектори, у яких ККД досягає 90% (за заявами виробників і продавців). Холодне повітря вентилятором забирається з приміщення і по теплоизолированной трубі надходить в колектор. Нагріте в результаті теплообміну повітря повертається за такою ж трубі назад в приміщення. Сонячна енергія по дуже простій і ефективній схемі перетвориться в теплову! Установка не боїться морозів, тому що замерзати в ній нема чому.
Розглянемо докладніше модель сонячного колектора китайської компанії ZN-ENERGY (www.pcmworld.com, подключісолнце.рф). Результати практичних випробувань люб'язно надав Олексій Пикін з міста Улан-Уде.
Олексій встановив похило з орієнтацією на південь два колектора марки ZN-20D58-1800 на даху сарайчика, приєднав до них підводить і відводить повітря труби, включив в схему вентилятор, підключив прилад, що записує температури вхідного в колектор повітря і виходить і заміряв швидкість повітряного потоку на виході з відвідної труби в приміщення.
Габаритно-масові параметри одного колектора:
Висота - 2030 мм
Ширина - 1550 мм
Товщина - 180 мм
Обидва колектора зібрані з 20 скляних вакуумних трубок довжиною 1800 мм.
Між зовнішньою трубкою Ø57 мм і першої внутрішньої трубкою Ø47 мм відкачано повітря і створений вакуум для забезпечення високого рівня теплоізоляції.
Поверхня трубки Ø47 мм має чорне покриття з дуже великим коефіцієнтом поглинання (> 0,9) сонячної енергії. Саме ця поверхню, розігріваючи під променями Сонця, віддає всю отриману енергію всередину трубки Ø47 мм, що проходить через неї повітря і акумулятора тепла - РСМ-циліндру! Передачі тепла назовні в навколишній простір перешкоджає вакуум.
РСМ-циліндр - це ще одна внутрішня трубка з речовиною, що накопичує і потім віддають тепло за рахунок фазового переходу з одного агрегатного стану в інше. По-простому - це «високоефективні камені в печі в лазні».
Теоретична потужність установки.
1. Ефективна площа поверхні двох колекторів марки ZN-20D58-1800
Ті, хто вважають площа інакше, як поверхню напівциліндра, або лукавлять, або помиляються. На підтвердження своєї правоти крім здорового глузду в розумінні процесу можу додати, що відома компанія Viessmann (Німеччина) площа своїх колекторів на трубках вважає за вищенаведеною формулою.
2. Максимальний заявляється розробниками коефіцієнт корисної дії колекторів
4. Максимальна потужність, яку можуть розвинути два колектора, встановлені площинами перпендикулярно променям Сонця
5. Максимальна потужність, яку може розвинути одна трубка
Практична потужність установки.
Виконаємо розрахунок в Excel потужності установки за вихідними даними, надісланим Олексієм.
Розрахунок в Excel виконується за такими формулами:
Розрахована через кількість нагрітого повітря потужність, що досягається в цей момент часу - 2,307 КВт. Це 95% від розрахованої теоретичної потужності.
У нижній частині таблиці можна визначити кількість теплової енергії, яка виробить установка за заданий час, працюючи з обчисленої потужністю.
У самому низу таблиці я привів для довідки розрахунок маси дров, яку необхідно спалити для отримання такої ж кількості енергії.
Для розрахунку добового виробництва теплової енергії слід проинтегрировать функцію потужності за часом.
Про те, як це робити розказано в попередній статті на блозі.
У цій невеликій оглядової статті не ставили за мету детально розписати всі можливі варіанти перетворення сонячної енергії в інші види. Тим більше не хотілося заглиблюватися в різноманітність теплофізичних аспектів і конструктивних рішень конкретних моделей сонячних панелей і колекторів. Зовсім не було порушено питання кутів установки панелей і колекторів ...
Головне, що хотілося донести:
1. Більш 1,0 КВт потужності з панелі або колектора з робочою площею 1,0 м 2 цієї статті не «зняти»!
2. Більш 0,14 КВт сучасна фотоелектрична батарея площею 1,0 м 2 поки не виробляє!
3. Більш 0,9 КВт сонячний колектор з робочою площею 1,0 м 2 видати сьогодні не може і не зможе, напевно, ніколи, якщо на Сонце що-небудь не трапитися! А якщо трапиться, то нам вже ця енергія не знадобиться ...
4. РСМ-циліндри накопичують тепло, яке не зміг забрати продувається повітря і віддають його повітрю в моменти закриття Сонця хмарами і перед заходом сонця. Збільшити потужність РСМ-циліндри не можуть. Вони, як ресивери в системах стисненого повітря, згладжують коливання вихідної потужності і не більше того.
5. Якщо (з поправкою на оптимальний кут установки колекторів) за рік в м.Києві надходить від Сонця
1500 кВт * год / м 2. то установка з двох колекторів, розглянута в прикладі, зможе видати теплової енергії близько 4 300 КВт * год.
У перекладі на вартість дров (1,50 грн. / Кг або 1000 руб. / М 3) ми отримаємо в рік теплової енергії на
3000 руб. (Якщо прийняти ККД печі рівним 50%). Термін окупності - 40 років!
І це ще без урахування витрат електроенергії на вентилятор!
Не знаю, скільки прослужать колектора, але життєвий досвід підказує, що град розміром з куряче яйце буває у нас кожні 3 ... 5 років ...
Однак, варто зазначити, що сонячна енергія - екологічно чистий вид енергії. Розширюючи її застосування, ми зберігаємо наше середовище проживання. І варто пам'ятати, що витрачаючи всього 1 КВт * год енергії, можна спекти 100 булок хліба або виткати 10 м 2 тканини!
У висновку наведу кілька посилань на якісні і просто цікаві матеріали з порушеної тематики:
Як цікаво! Дякую Вам.
Дякуємо! Мені той же було цікаво! Вам би зайнятися викладацькою діяльністю. Студенти б вас любили!
Дякую Вам за статті! Ваша робота допомагає заповнити прогалини в моїх знаннях. Дуже цікаві статті.
Спасибі, Олександр, велике. Але ж я вже подумував про сонячних батареях.
Я зараз розробляю проект сонячного колектора для скорочення витрат мерії на опалення шкіл і дитячих садів.
Запрошую Вас взяти участь в цьому проекті.
З повагою Юрій.
Дякую за відгук і запрошення, Юрій. Звертайтеся.
З повагою, Микола.
Привіт, Миколо! Пишіть через сторінку «Зворотній зв'язок». Відповім на питання, які в моїй компетенції.
толково, зрозуміло, без води, спасибі.
Правильно зрозумів, що Ви ВЛІТКУ квартиру опалювали ?!
Де Ви таке прочитали. Я про квартиру взагалі нічого не писав. А наведені експериментальні дані знімалися дійсно влітку. Хоча є і зимові дані, які мало відрізняються від літніх опівдні при відповідному куті установки колектора.
А взагалі-то, звичайно. чого її (квартиру) взимку гріти? Ось влітку - це так. Зовсім інша справа. -)