- Що таке сонячна енергія?
- Види сонячного випромінювання
- Як розподіляється енергія в сонячному спектрі?
- Що необхідно враховувати при розрахунку сонячного генератора?
- Розміщення панелей
- Вибір фотоелектричної системи для побудови сонячного генератора
На землі існує велика кількість альтернативних джерел енергії, кожен з яких має свої особливості при використанні. І одним з найбільш екологічних є енергія сонячного світла. Насправді нею людство користується з найдавніших часів і в різній формі:
- Влітку використовується тепло сонячних променів для нагріву теплиць і створення оптимальних умов для їх розвитку.
- Під променями сонця людина сушив морепродукти, гриби, цілющі трави та інше.
- При конструюванні сонячних печей можна закип'ятити воду з використанням системи дзеркал.
Все це не постійно, нагріті сонцем за день предмети вночі швидко остигають. Людство довго думало про те, як би зберегти цю енергію і тільки в XXI-му столітті стало використовувати її для накопичення у вигляді тепла і електрики. Отримання електричної потужності з сонячного випромінювання - це досить дієвий спосіб, який сьогодні використовується для забезпечення енергією від одиночних будинків до невеликих поселень або комплексів. І навіть враховуючи вкрай невеликий час якісного сонячного випромінювання, популярність використання панелей не вщухає. Але щоб визначити доцільність цього генератора, необхідно порахувати потужність сонячних батарей. Про це мова піде нижче в статті, перш необхідно ознайомитися з поняттям «сонячне випромінювання».
Що таке сонячна енергія?
Сонячна енергія - насправді це величезна сила, але щоб її отримати, необхідно докласти чимало зусиль. Вся справа в тому, що технології виготовлення сонячних генераторних панелей мають високу ціну і часом при розрахунку вигоди може виявитися так, що установка таких у себе вдома буде окупатися протягом десятків років, за умови постійно ясних днів. А насправді ця цифра збільшиться як мінімум в 5 разів, і вигода буде помітна тільки вашим онукам або правнукам. І то, якщо конструкція панелей буде надійна і зможе стільки прослужити. В ідеальному розрахунку сучасні сонячні батареї можуть видавати до 1,35 кВт / м кв. і для отримання 10 кВт буде потрібно всього 7,5 кв. м панелей. Але це в ідеальних умовах. В реальності - площі сонячних батарей буде потрібно в 5-6 разів більше для отримання тієї ж потужності.
Сучасні сонячні панелі володіють не так вже й великим ККД. Фотоелемент, площею 1 кв. м видає в ідеальних умовах 1 кВт електричної енергії. Але ця умова справедливо, якщо відстань від поверхні панелі мінімально, сонце перебувати над нею, промені - строго перпендикулярно до площини і прозорість атмосфери становить не менше 100%. Таким умовам відповідає лише вершина гори в тропічній зоні і ясну погоду. У нашій кліматичній зоні можна домогтися максимум 20%, отже, з 1 кв. м можна отримати від 150 до 600 Вт електричної енергії. Вся справа в тому, що інтенсивність сонця в наших широтах дуже мала. Наприклад, розглядаючи російські міста від Архангельська до Південно-Сахалінська, за місяць експлуатації сонячної батареї можна отримати максимум 209,9 кВтг / м кв. І то, ця цифра справедлива лише в Сочі. При установці сонячної панелі в Архангельську, місячний максимум вийде не більше 159.7 кВтг / м кв.
У середніх широтах, в яких власне ми з вами і проживаємо, показник потужності сонячної енергії відповідає рівню 100 Вт / кв. м. Але і ці дані дуже неточні, при підвищеній хмарності ця цифра буде зменшуватися до 2 і більше разів.
Види сонячного випромінювання
Залежно від потоку випромінювання поділяється на 2 види: розсіяне і пряме. Залежно від виду освітлення вибирається кут нахилу панелі, тим самим підвищуючи ККД установки. При прямому випромінюванні кут повинен бути строго визначений, при розсіяному цей показник не важливий, тому що інтенсивність освітлення в усіх точках простору приблизно дорівнює. Але між двома цими різновидами є суттєва відмінність, що полягає в потужності сонячного випромінювання на квадратний метр. У першому випадку вона багаторазово разів перевищує другий, забезпечуючи панель потужним потоком фотонів. Але таких ясних днів у наших широтах, та й по всій планеті, не так вже й багато, тому виробникам панелей доводиться використовувати весь науково-технічний потенціал, щоб отримати максимум енергії з того випромінювання. Такі технології стануть багатьом не по кишені, не кажучи вже про термін окупності, який може стати незбагненним на нашому віку.
Як розподіляється енергія в сонячному спектрі?
Сонце являє собою універсальний генератор, який виробляє потоки світлової енергії не тільки різної потужності, але і різної частоти, що говорить про можливість розкладання сонячного світла в спектр. Весь його охопити не вдасться, тому що приймає тіло повинно бути ідеально чорного кольору. Тим більше, що не всі види випромінювань доходять до поверхні землі. Найактивніші та енергонесущіх потоки поглинаються іншими тілами в космосі і атмосфері. Завданням людства стало визначення діапазону частот, в якому потік світлової енергії максимальний. Традиційно спектр розкладається не по частотам, а по довжинах хвиль. І його грубо можна розділити на 3 зони:
- Ультрафіолетова, їй відповідають довжини хвиль від 0 до 380 мкм.
- Видиме світло, перебувати в діапазоні від 380 до 760 мкм.
- Інфрачервоний, відповідає ділянці з довжинами хвиль від 760 до 3300 мкм.
Зоною, де енергія фотонів найвища, є саме перший діапазон, але в ньому частинок мізерно мало, порівняно з видимим діапазоном світла. Тому для отримання електричної енергії стали використовувати саме видимий і інфрачервоний діапазони з довжинами хвиль від 380 до 1800 мкм. Все, що вище відноситься до радіочастотного діапазону і енергія тут також мала, через практично повну відсутність енергії фотонів, незважаючи на їх велику кількість.
Головною проблемою встановлення сонячних батарей в наших кліматичних умовах є велика різниця в тривалості світлового дня в залежності від пори року. Найкоротший день майже в 2,5 рази менше найдовшого, що позначається і на енергії випромінювання, якому взимку ще доводиться долати і більш товсті шари атмосфери. Отже, використання сонячних батарей в зимовий період не дасть ніякої вигоди, а в літній період спекотного дня видасть не менш енергії, ніж на екваторі.
Що необхідно враховувати при розрахунку сонячного генератора?
Сонячне світло, як і будь-яка інша фізична величина, має ряд параметрів, які повинні використовуватися при розрахунку генератора. До них відносяться:
- Рівень освітленості або потужність сонячного випромінювання на квадратний метр. Під ним мається на увазі усереднене значення сонячного випромінювання, що вимірюється в верхніх шарах атмосфери Землі і розташованого перпендикулярно світловим потокам. На прикладі Сочі ця величина дорівнює 1365 Вт.
- Максимальна потужність випромінювання сонця. Це корисна світлова енергія, яка досягає поверхні Землі на рівні моря на екваторі і в безхмарний день. В середньому вона дорівнює 1 кВт / м кв.
- Інсоляція - це усереднене час, протягом якого сонце освітлює поверхню з максимальною інтенсивністю. Зазвичай воно знаходиться в межах від 3 до 5 годин по російській території.
- Загальна енергія випромінювання - величина, яка вимірюється за день опромінення поверхні. Вона визначається як добуток 1 кВтг і кількості Інсоляціонний годин.
- Сонячна потужність - величина енергії, розрахована за добу (24 години). Цей показник розраховується як співвідношення загальної енергії за день до 24 годин.
Розміщення панелей
У наших кліматичних умовах, коли інтенсивність сонячної енергії змінюється з плином дня, дуже важливо передбачити систему автоматичної корекції положення панелей. Необхідно, щоб промені падали на приймальні елементи перпендикулярно, тим самим вибиваючи з них більше заряджених електронів. Але щоб це забезпечити доведеться організувати поворот або нахил сонячних батарей з ходом сонця. При куті падіння променів в 30 градусів коефіцієнт відображення променів становить не менше 5%, а 95% світлової енергії виявляються корисними. При збільшенні кута відбиття до 60 градусів втрати зростають удвічі, а при куті відображення 80 градусів коефіцієнт втрат перебувати на позначці 40%. Але крім кута відображення важливе значення має ефективна площа перекриття панелі сонячних потоком. Ця величина розрахункова і перебувати з відносини реальної площі до синусу кута між площиною і напрямком сонячних променів. У підсумку виходить, що для отримання постійно якісного потоку панелі необхідно час від часу повертати до сонця. А це відповідно вимагатиме певних технологій, що виявляється досить дорогим задоволенням.
Можна піти і простим шляхом, орієнтувати сонячну батарею в одній площині під певним кутом. Наприклад, для Москви, яка розташована на 56 градусах широти, кут нахилу до горизонту складе, відповідно, 56 градусів або відхилення від вертикалі на 34 градуси. Тоді буде потрібно лише забезпечити панелі обертанням в одній площині і повернення її в вихідну точку. Все це здорожує систему і робить її менш надійною.
При конструюванні системи повороту панелей велике значення має вагу рами, на якій будуть розташовуватися фотоелементи. І як наслідок виходить, що на обертання потрібно багато енергії, що знижує кількість корисної енергії.
Вибір фотоелектричної системи для побудови сонячного генератора
Для побудови дійсно якісного сонячного генератора необхідно врахувати наступні дані:
- Середнє значення коефіцієнта корисної дії наявних у продажу сонячних панелей. У кремнієвих батарей він лежить в межах від 12 до 17% за умови використання кристалічного матеріалу, ККД тонкоплівкових батарей лежить в межах від 8 до 12%.
- Потужність сонячної панелі, що виробляється одним квадратним метром панелі. Для її визначення необхідно сонячну енергію помножити на ККД однієї панелі з перетворенням в ціле число.
- Пікова потужність - вимірюється в безхмарний сонячний день і дорівнює добутку ККД і величиною «Стандартного сонця» (1 кВт).
- Сумарна усереднена енергія. Розраховується як добуток пікової потужності та кількості годин інсоляції.
- Вироблена енергія - це величина потужності, яку панель віддала в навантаження в фактичних умовах за 24 годину. Визначається як співвідношення сумарної усередненої енергії до 24 години. Для панелей з кристалічного кремнію ця величина дорівнює 0.6-0.85 кВт / м кв. для плівкового кремнію - 0.4-0.6 кВт / м кв.
- Загальна енергія - кількість потужності, виробленої панеллю за рік експлуатації, і розраховується як твір як повна енергія і кількість днів в році. Для кристалічних панелей (CSi) - 219-310 кВт год, для плівкових (TF) - 146-219 кВт ч. Але при розрахунку остаточних показників необхідно врахувати втрати в імпульсному перетворювачі, які складають зазвичай 5%.
- Ціна електричної енергії. Мабуть, найголовніший показник, який часто зумовлює доцільність придбання сонячного генератора. На сьогоднішній день такий генератор поки ще недоцільний, так як без поломок більше 10 років практично ніщо не прослужить. Але технології не стоять на місці, і в недалекому майбутньому вартість світлових генераторних панелей стане набагато менше, зробивши їх доступними для всіх.