4.1.1. Оценка валового энергетического ресурса (потенциала) солнечной энергии

Анализ факторов, влияющих на величину валового энергетического ресурса солнечной энергии. Энергия солнечной радиации, падающая на Землю, в 10000 раз превышает количество энергии, вырабатываемой человечеством. На мировом коммерческом рынке покупается и продается около 85∙10 3 млрд. кВт·ч энергии в год. Крайне сложно оценить, сколько некоммерческой энергии потребляет человечество. Некоторые эксперты считают, что некоммерческая составляющая близка к 20% от всей используемой энергии.

Потребление электроэнергии по России в целом в 2015 году составило 1,036∙10 3 млрд. кВт ч. Российская Федерация обладает огромным валовым ресурсом использования солнечной энергии. Энергия суммарного годового солнечного излучения, попадающего на горизонтальную поверхность территории нашей страны составляет около 20,743∙10 6 млрд. кВт∙час/год, что превышает потребность в энергии примерно в 20000 раз.

Облучение земной поверхности солнечной радиацией, оказывающей световое, тепловое и бактерицидное воздействие, называют инсоляцией .

Инсоляция измеряется количеством энергии солнечного излучения, падающей на единицу горизонтальной поверхности в единицу времени.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м 2 - солнечная постоянная.

Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря - 1020 Вт/м 2 . Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики. Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Суммарное солнечное излучение в атмосфере Земли складывается из прямого и рассеянного излучений . Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от:

– географической широты местности,

– местного климата и времени года,

– плотности, влажности и степени загрязнения атмосферного воздуха,

– годового и суточного движения Земли,

– характера земной поверхности,

– от угла наклона поверхности, на которую попадает излучение, по отношению к Солнцу.

Атмосфера поглощает часть солнечной энергии. Чем больше длина пути солнечных лучей в атмосфере, тем меньше прямой солнечной энергии доходит до поверхности земли. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади. На Земле это происходит в районе экватора в зоне тропиков. По мере удаления от этой зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей растет и уменьшается угол их падения на земную поверхность. В результате:

увеличиваются потери энергии в атмосферном воздухе,

солнечное излучение распределяется на большую территорию,

уменьшая количество прямой энергии, попадающей на единицу площади, и

увеличивая долю рассеянного излучения.

Кроме того, от широты местности зависит и продолжительность дня в разные времена года, что также определяет величину солнечной радиации, поступающей на поверхность земли. Важным фактором, определяющим потенциала солнечной энергии, является продолжительность солнечного излучения в течение года (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Продолжительность солнечного сияния на территории России, час/год

Для высокоширотных территорий, где значительная часть зимнего времени приходится на полярную ночь, различие в поступлении радиации летом и зимой может быть достаточно велико. Так за Полярным кругом продолжительность солнечного сияния изменяется от 0 часов в декабре до 200 – 300 часов в июне и июле при годовой продолжительности около 1200 – 1600 часов. На севере страны количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, в зимнее время отличается от среднегодового значения менее чем на 0,8 кВт·ч/(м 2 ×день), в летнее время - более чем на 4 кВт·ч /м 2 . Если в зимние месяцы уровни солнечной радиации в северных и южных регионах России сильно отличаются, то летние показатели инсоляции на этих территориях за счет длительного светового дня в северных широтах оказываются вполне соизмеримыми. Однако из-за более низкой годовой продолжительности солнечного сияния приполярные территории уступают по суммарной солнечной радиации районам средней полосы и юга соответственно в 1,3 и 1,7 раза.

Климатические условия в конкретной местности определяют продолжительность и уровень облачности в регионе, влажность и плотность воздуха. Облака - основное атмосферное явление, уменьшающее количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. На их формирование оказывает влияние такие особенностей местного рельефа, как горы, моря и океаны, а также большие озера. Поэтому количество солнечной радиации, полученной в этих областях и прилегающих к ним регионах, может отличаться.

Характер земной поверхности и рельефа местности сказывается и на ее отражательной способности. Способность поверхности отражать радиацию называетсяальбедо (от латинского - белизна). Установлено, что альбедо земной поверхности изменяется в весьма широких пределах. Так, альбедо чистого снега равно 85-90 %, песка – 30-35%, чернозема – 5-14%, листьев зеленых – 20-25%, листьев желтых – 33-39%, водной поверхности при высоте Солнца 90 0 – 2%, водной поверхности при высоте Солнца 20 0 – 78 %. Отраженная радиация увеличивает составляющую рассеянного излучения.

Антропогенные и природные загрязнения атмосферы также могут ограничивать количество солнечной радиации, которое может попасть на земную поверхность. Городской смог, дым от лесных пожаров и переносимый по воздуху пепел, образовавшийся в результате вулканической деятельности, снижают возможность использования солнечной энергии, увеличивая рассеивание и поглощение солнечной радиации. Эти факторы в большей степени влияют на прямое солнечное излучение, чем на суммарное. При сильном загрязнении воздуха, например, при смоге, прямое излучение уменьшается на 40%, а суммарное - лишь на 15-25%. Сильное вулканическое извержение может понизить, причем на большой территории поверхности Земли, прямое солнечное излучение на 20%, а суммарное - на 10% на период от 6 месяцев до 2 лет. При уменьшении количества вулканического пепла в атмосфере эффект ослабевает, но процесс полного восстановления может занять несколько лет.

Количество солнечной энергии, падающей на принимающую ее поверхность, изменяется и при изменении положения Солнца в течение суток в разные месяцы года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения солнечных лучей через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит, больше достигает поверхности. Кроме того, отклонение угла падения солнечных лучей на принимающую поверхность от 90 о приводит к снижению количества попадающей на единицу площади энергии – эффект проекции. Влияние этого эффекта на уровень инсоляции можно увидеть на рисунке 4.2.

Рис. 4.2. Влияние изменения угла падения солнечных лучей на величину

инсоляции – эффект проекции

Один поток солнечной энергии шириной в 1 км падает на землю под углом 90 °, а другой той же ширины - под углом 30 °. Оба потока несут одинаковое количество энергии. В этом случае косой солнечный луч распространяет свою энергию на площадь в два раза большую, чем луч, перпендикулярный к принимающей поверхности, а, следовательно, на единицу площади в единицу времени будет поступать вдвое меньше энергии.

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию(поглощенная радиация), нагревается и сама излучает тепло в атмосферу(отраженная радиация). Нижние слои атмосферы в значительной мерс задерживают земное излучение. Поглощенная земной поверхностью радиация расходуется на нагрев почвы, воздуха, воды.

Та часть суммарной радиации, которая остается после отражения и теплового излучения земной поверхности, называется радиационным балансом. Радиационный баланс земной поверхности меняется в течение суток и по сезонам года.

Источники информации для оценки величины валового ресурса (потенциала) солнечной энергии. Информационной основой для оценки величины этого валового ресурса (потенциала) солнечной энергии являются данные измерений солнечной радиации в различных регионах страны с последующим делением территории региона на зоны с относительно однородным значением уровня инсоляции. Для этих целей необходимы данные, сформированные с использованием результатов актинометрических наблюдений, т.е. данные об интенсивности прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, о радиационном балансе и характере отражения излучения от земной поверхности (альбедо).

Учитывая резкое сокращение числа метеостанций, ведущих наземные актинометрические наблюдения на территории России, в 2014 году для оценки валового потенциала (ресурса) солнечной энергии использовалась информация о распределении ресурсов энергии солнца базы данных NASA Surface meteorology and Solar Energy (NASA SSE) . Эта база формировалась на основе спутниковых измерений радиационного баланса земной поверхности, проводившихся в рамках программы World Climate Research Program’s International Satellite and Cloud Climatology Program (ISCCP) с июля 1983 года по июнь 2005 года. По их результатам с учетом характера отражения излучения от земной поверхности, состояния облачности, загрязнения атмосферы аэрозолями и других факторов рассчитаны значения месячных сумм солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, для сетки 1º×1º, покрывающей весь земной шар, включая и территорию Российской Федерации.

Расчет общей радиации, падающей на наклонную поверхность, с заданным углом ориентации. При оценке потенциала необходимо иметь возможность определять величину общей радиации, попадающей в определенное время на наклонную поверхность, ориентированную по отношению к поверхности земли под интересующим нас углом .

Прежде, чем приступить к описанию методики расчета общей радиации, следует ввести основные понятия, связанные оценкой солнечной радиации.

Рассмотрение будет производиться в горизонтальной системе координат. В этой системе начало координат помещается в точке нахождения наблюдателя на поверхности земли. В качестве основной плоскости выступает горизонтальная плоскость - плоскость математического горизонта . Одной координатой в этой системе является либо высота солнца α , либо его зенитное расстояние z . Другой координатой является азимут а.

Математи́ческий горизо́нт - большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии в точке нахождения наблюдателя.

Математический горизонт не совпадает с видимым горизонтом вследствие неровности поверхности Земли, различной высотой точек наблюдения, а также искривления лучей света в атмосфере.

Зенитный угол Солнца z - это угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной плоскости в точке наблюдения А.

Угол высоты Солнца α - это угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Сумма α+z равна 90°.

Азимут Солнца а - это угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг.

Азимут поверхности а п измеряется как угол между нормалью к рассматриваемой поверхности и направлением на юг.

Угол склонение Солнца - это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение Солнца в течение года непрерывно изменяется - от -23°27" в день зимнего солнцестояния 22 декабря до +23°27" в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября).

Местное истинное солнечное время – это время, определяемое в месте нахождения наблюдателя видимым положением Солнца на небесной сфере. 12 часов по местному солнечному времени соответствует времени, когда Солнце находится в зените (выше всего на небе).

Местное время обычно отличается от местного солнечного времени из-за наличия эксцентриситета земной орбиты, использования людьми временных зон и искусственных временных смещений для экономии энергии.

Небесный экватор – это большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира (ось вращения земли) и совпадает с плоскостью земного экватора.

Небесный экватор делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное полушарие, с вершиной в северном полюсе мира, и южное полушарие, с вершиной в южном полюсе мира.

Небесный меридиан - большой круг небесной сферы, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира (ось вращения земли).

Часовой угол - угловое расстояние, измеренное вдоль небесного экватора на запад от небесного меридиана (той его части, которую солнце пересекает в момент верхней кульминации) до часового круга, проходящего через избранную точку на небесной сфере.

Часовой угол является результатом перевода местного солнечного времени в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Так как Земля поворачивается на 15 0 за один час (360 о /24 часа), то за каждый час после полудня Солнце проходит 15 0 . Утром угол солнца отрицательный, вечером - положительный.

В качестве исходной информации для расчета общей радиации используется значения следующих показателей, полученных путем статистической обработки данных наблюдений:

– среднемесячное количество общей солнечной радиации, падающей на горизонтальную площадку в течение суток, ;

– среднемесячное количество рассеянной (диффузной) солнечной радиации, падающей на горизонтальную площадку в течение суток, ;

– альбедо поверхности земли - среднемесячное отношение количества солнечной радиации, отраженной поверхностью земли, к количеству общей солнечной радиации, падающей на поверхность земли (т.е. доля радиации отраженной поверхностью земли), доля.

Все дальнейшие расчеты проводятся для «среднего дня месяца», т.е. дня, у которого угол склонения Солнца наиболее близок к среднемесячному углу .

Солнечная радиация на горизонтальную поверхность . С использованием этой информации производится расчет значений общей ( и рассеянной () солнечных радиаций, падающих на горизонтальную поверхность за t -й час наблюдения:

И – коэффициенты перехода от суточных радиаций к часовым - определяются следующим образом:

– часовой угол в t -й расчетный час суток, град.;

– часовой угол захода солнца (заката), град.

Часовой угол солнца рассчитывается с использованием соотношения

– время солнечного полдня, информацию о котором можно найти в Базе Данных NASA, час.

Часовой угол захода солнца оценивается как

– широта, град.;

– угол склонения солнца, град.

Угол склонения Солнца определяют по следующей формуле

– день года (от 1 до 365).

Солнечная радиация на произвольно-ориентированную наклонную поверхность. Расчет часовых значений общей солнечной радиации , падающей на ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность, производится следующим образом

– угол падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность в t -й час, град.;

– зенитный угол Солнца в t -й час, град.;

– угол наклона поверхности к горизонту, град.;

Зенитный угол Солнца

Угол падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность:

– азимутальный угол Солнца в t -й час суток, град.;

– азимут наклонной поверхности, град.

Расчет угла падения прямой солнечной радиации на произвольно-ориентированную под углом к горизонту наклонную поверхность можно произвести и с использованием следующих соотношений:

Рассмотренные выше соотношения могут быть использованы для оценки энергетического потенциала солнца с дифференциацией на часовые (или трехчасовые) интервалы суток.

Валовый электроэнергетический ресурс (потенциал) солнечной энергии. Для оценки валового электроэнергетического ресурса энергии солнца на территории нашей страны использовались среднемесячные дневные значения суммарной солнечной радиации, падающей на 1 м 2 горизонтальной плоскости (кВт·ч/(м 2 ∙день)). На основе этой информации с дифференциацией по субъектам федерации оценено среднее количество солнечной радиации в млн. кВт∙ч, попадающей на 1 квадратный километр территории в течение года (или в кВт∙ч /(м 2 ∙год)) рис. 4.3.

Рис. 4.3. Распределение годовых ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации с детализацией по субъектам федерации

На карте каждому субъекту федерации поставлен в соответствие его код.

Список субъектов федерации с указанием их кодов с дифференциацией по федеральным округам России представлен ниже. С учетом специфики оценки энергетического потенциала ВИЭ города Москва и Санкт-Петербург объедены с Московской и Ленинградской областями соответственно с присвоением объединенной территории кода области. Субъекты федерации с большой протяженности с Севера на Юг могут быть разделены на части: Север, Центр, Юг.

1. Центральный ФО : (31) Белгородская область, (32) Брянская область, (33) Владимирская область, (36) Воронежская область, (37) Ивановская область, (40) Калужская область, (44) Костромская область, (46) Курская область, (48) Липецкая область, (50) Московская область и Москва, (57) Орловская область, (62) Рязанская область, (67) Смоленская область, (68) Тамбовская область, (69) Тверская область, (71) Тульская область, (76) Ярославская область.

2. Северо-Западный ФО: ( 10) Республика Карелия, (11) Республика Коми, (29) Архангельская область, (35) Вологодская область, (39) Калининградская область, (47) Ленинградская область и Санкт-Петербург, (51) Мурманская область, (53) Новгородская область, (60) Псковская область, (83) Ненецкий АОк.

3. Южный ФО: ( 1) Республика Адыгея, (8) Республика Калмыкия, (23) Краснодарский край, (30) Астраханская область, (34) Волгоградская область, (61) Ростовская область, (91) Республика Крым и Севастополь.

4. Северо-Кавказский ФО: ( 5) Республика Дагестан, (6) Республики Ингушетия, (7) Республика Кабардино-Балкария, (9) Республика Карачаево-Черкесия, (15) Республика Северная Осетия-Алания, (20) Чеченская республика, (26) Ставропольский край.

5. Приволжский ФО: ( 2) Республика Башкортостан, (12) Республика Марий Эл, (13) Республика Мордовия, (16) Республика Татарстан, (18) Республика Удмуртия, (21) Республика Чувашия, (43) Кировская область, (52) Нижегородская область, (56) Оренбургская область, (58) Пензенская область, (59) Пермский край, (63) Самарская область, (64) Саратовская область, (73) Ульяновская область.

6. Уральский ФО: ( 45) Курганская область, (66) Свердловская область, (72) Тюменская область, (74) Челябинская область, (86) Ханты-Мансийский Аок-Югра, (89) Ямало-Ненецкий АОк.

7. Сибирский ФО : (3) Республика Бурятия, (4) Республика Алтай, (17) Республика Тыва, (19) Республика Хакасия, (22) Алтайский край, (24) Красноярский край (24-1. Север, 24-2. Центр, 24-3. Юг), (38) Иркутская область (38-1. Север, 38-2. Юг), (42) Кемеровская область, (54) Новосибирская область, (55) Омская область, (70) Томская область, (75) Забайкальский край.

8. Дальневосточный ФО: ( 14) Республика Саха (Якутия) (14-1. Север, 14-2. Центр, 14-3. Юг), (25) Приморский край, (27) Хабаровский край, (27-1. Север, 27-2. Юг), (28) Амурская область, (41) Камчатский край, (49) Магаданская область, (65) Сахалинская область, (79) Еврейская АО, (87) Чукотский АОк.

Бытующее мнение о том, что Россия, расположенная преимущественно в средних и высоких широтах, не располагает значительными ресурсами солнечной энергии для ее эффективного энергетического использования, не соответствует действительности. На изображенной ниже карте (рис.4.4) приведено среднегодовое распределение ресурсов энергии солнечной радиации по территории России, поступающей в среднем за день на 1 площадки южной ориентации с оптимальным углом наклона к горизонту (для каждой географической точки это свой угол, при котором суммарное за год поступление энергии солнечной радиации на единичную площадку максимально).

Рис.4.4. Распределение годовых среднедневных поступлений солнечной

радиации по территории России, кВт×час/(м 2 ×день) (оптимально

ориентированная поверхность южной ориентации)

Рассмотрение представленной карты показывает, что в сегодняшних границах России наиболее "солнечными" являются не районы Северного Кавказа, как предполагают многие, а регионы Приморья и юга Сибири (4,5-5 кВт×час/(м 2 ×день) и выше). Интересно, что известные черноморские курорты (Сочи и др.), по среднегодовому поступлению солнечной радиации (с точки зрения природного потенциала и ресурса солнечной инсоляции) относятся к той же зоне, что и большая часть Сибири, включая Якутию (4,0-4,5 кВт×час/(м 2 ×день)).

Для энергетически плохо обеспеченных районов с децентрализованным энергоснабжением важным является тот факт, что более 60 % территории страны, в том числе и многие северные регионы, характеризуются среднегодовым дневным поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт×час/(м 2 ×день), что не отличается от юга Германии, широко использующего солнечные установки.

Анализ карты свидетельствует, что в Российской Федерации наибольшая интенсивность инсоляции от 4,5 до 5,0 кВт×час/м 2 и более в день наблюдается в Приморье, на юге Сибири, на юге Республики Тыва и Республики Бурятия, и даже за Полярным Кругом в восточной части Северной Земли, а не в южных районах страны. По солнечному потенциалу, 4,0 - 4,5 кВт×час/(м 2 ×день), Краснодарский край, Ростовская область, южная часть Поволжья, большая часть Сибири (включая Якутию), южные районы Новосибирской, Иркутской областей, Бурятия, Тыва, Хакассия, Приморский и Хабаровский край, Амурская область, остров Сахалин, обширные территории от Красноярского края до Магадана, Северная Земля, северо-восток Ямало-Ненецкого АО относятся к той же зоне, что и Северный Кавказ с известными российскими черноморскими курортами. Для Нижнего Новгорода, Москвы, Санкт-Петербурга, Салехарда, восточной части Чукотки и Камчатки характерна средняя солнечная радиация от 2,5 до 3 кВт×час/м 2 в день. На остальной территории страны преобладает интенсивность инсоляции от 3 до 4 кВт×час/м 2 в день.

Наибольшую интенсивность поток энергии имеет в мае, июне и июле. В этот период в средней полосе России на 1 кв. метр поверхности приходится 5 кВт×час в день. Наименьшая интенсивность в декабре-январе, когда 1 кв. метр поверхности приходится 0,7 кВт×час в день.

Учитывая сложившуюся ситуацию, на карте Украины (рис. 4.3) можно проанализировать уровень солнечной радиации на территории Крыма.

Рис. 4.3. Распределение годовых поступлений солнечной радиации по

территории Украины, кВт×час/(м 2 ×год) (оптимально ориентированная

поверхность южной ориентации)

Валовый теплоэнергетический ресурс солнечной энергии. Валовой теплоэнергетический ресурс (потенциал) задает максимальное количество тепловой энергии, соответствующее энергии поступающего на территорию России солнечного излучения.

Информацией для оценки этого ресурса может служить инсоляция в мега- или килокалориях на единицу площади принимающей излучение поверхности в единицу времени.

Рисунок 4.4 дает представление о распределении суммарная солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории Российской Федерации в килокалориях на 1 см 2 в год.

Рис.4.4. Распределение годовых поступлений солнечной радиации по

территории России, ккал/(см 2 ×год)

Комплексное районирование территории России по потенциалу солнечной радиации можно увидеть на рисунке 4.6. Выделено 10 зон по приоритету потенциала использования. Очевидно, что наиболее благоприятными условиями для практического использования энергии солнца обладают южные районы европейской части, юг Забайкалья и Дальнего Востока.

Рис. 19. Районирование территории России по потенциалу солнечной

радиации (цифра в кружке – номер по приоритету потенциала)

Значения валовых энергетических потенциалов солнечной энергии с дифференциацией по федеральным округам Российской Федерации .

При оценке технического потенциала солнечной электроэнергетики были использованы показатели наиболее распространенных (90%) в то время фотоэлектрических элементов на кремниевой основе с КПД 15%. Рабочая площадь солнечных установок с учетом плотности размещения фотоэлементов в фотоэлектрических модулях принималась равной 0,1 % от площади однородной по уровню радиации территории рассматриваемого региона. Технический потенциал рассчитывался в тоннах условного топлива как произведение валового солнечного потенциала территории на долю площади, занимаемой фотоэлементами, и их КПД.

Определение технического теплоэнергетического потенциала региона ориентировано на технические возможности преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию на наиболее эффективных установках солнечного горячего водоснабжения. Оценка технического потенциала проводилась на основе данных о теплопроизводительности таких установок на каждом из участков с однородным уровнем инсоляции и принятых допущениях: о занимаемой солнечными коллекторами площади, равной 1 % от площади рассматриваемой территории, соотношении между площадями тепловых и электрических установок – 0,8 и 0,2 соответственно и КПД топливного устройства - 0,7. Перевод в тонны условного топлива осуществлялся с помощью коэффициента 0,34 т.у.т./ кВт×час.

Наиболее объективным из известных показателей, характеризующих возможность практического использования ресурсов солнечной энергетики, принято считать показатель ее экономического потенциала. Экономическая целесообразность и масштабы применения электрических и тепловых солнечных установок должны определяться исходя из их конкурентоспособности с традиционными источниками энергии. Отсутствие нужного количества необходимой и достоверной информации явилось причиной использования для оценки величины экономического потенциала упрощенных методов, ориентированных на мнения квалифицированных экспертов.

В соответствии с экспертными оценками, экономический потенциал солнечной электроэнергетики был принят равным 0,05% от годового потребления электрической энергии в рассматриваемом регионе (по данным Росстата) с переводом его в тонны условного топлива.

При известной интенсивности солнечной радиации общий энергетический потенциал солнечной радиации может быть исчислен в тоннах условного топлива, киловатт-часах, гигакалориях. Учитывая использование в солнечной энергетике фотоэлектрических элементов для получения электрической энергии и солнечных коллекторов для выработки тепла, общий технический и экономический потенциал в соответствии с рассмотренной выше методикой делят на электроэнергетический и теплоэнергетический (табл. 9).

Солнечная инсоляция – это величина, определяющая количество облучения поверхности пучком солнечных лучей (даже отраженных или рассеянных облаками). Поверхностью может быть что угодно, в том числе и солнечная батарея, которая преобразует энергию солнца в электрическую энергию. И вот насколько эффективна будет ваша природная электростанция и определяет параметр солнечной инсоляции. Измеряется инсоляция в кВт*ч/м2, то есть количество энергии солнца, полученное одним квадратным метром поверхности в течении одного часа. Естественно полученные метрики рассчитаны для идеальных условий: полное отсутствие облачности и падение солнечных лучей на поверхность под прямым углом (перпендикулярно).

Простыми словами, солнечная инсоляция – это среднее количество часов в сутки, которое солнце в ясную погоду светит на расчетную поверхность под прямым углом.

Довольно часто люди полагают, что если солнце встает в 6 утра и садится в 7 вечера, то дневную выработку солнечной панели нужно считать как произведение ее мощности на 13 часов пока светило солнце. Это в корне неправильно, ведь существует облачность, но главное солнце двигается по небосклону отбрасывая лучи на поверхность земли под разными углами. Да, безусловно, вы можете использовать специальные трекеры, которые будут поворачивать вашу солнечную батарею в сторону солнца, но это дорого и редко экономически оправдано. Трекеры применяются, когда необходимо увеличить мощность на единицу площади.

Откуда берутся данные солнечной активности

Изучением солнечной активности во всех регионах нашей планеты занимается Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA). Круглосуточно спутники следят за деятельностью солнца и заносят полученную информацию в таблицы. В расчетах учитываются данные последних 25 лет. Пример такой таблицы для Санкт-Петербурга (59.944, 30.323) вы можете увидеть по ссылке https://eosweb.larc.nasa.gov/ . Данная организация относится к федеральному правительству США и, к сожалению, сайт их доступен только на английском языке.

Нет необходимости расшифровывать все значения и коэффициенты в таблице, ведь нас интересуют всего два – это собственно само значение солнечной инсоляции в определенные месяцы (OPT) и значение оптимального угла наклона солнечной панели (OPT ANG).

Расчет выработки солнечной электростанции на основе значений инсоляции

Допустим имеем в Санкт-Петербурге сетевую солнечную электростанцию мощностью 5 кВт и хотим посчитать ее выработку в июне. Солнечные модули установлены на оптимальный угол.

5 кВт * 5,76 кВт*ч/м 2 * 30 дней = 864 кВт*ч

* Формула упрощенная, поэтому расчетные единицы измерения в формуле не совпадут с ответом. Это исправляется введением в формулу параметров солнечной электростанции и перевода дней в часы.

Но в январе эта же электростанция сгенерирует всего 5*1,13*30=169,5 кВт*ч, поэтому Питере солнечные батареи активно используются только в летние периоды.

За год же, подобная солнечная электростанция сможет получить 5*3,4*365=6205 кВт или 6,2 МВт чистой электроэнергии. Выгодно? Решать вам, ведь срок жизни сетевой электростанции более 50 лет, а тарифы на промышленное электричество растут каждый год не менее чем на 10%.

Солнечная батарея – это ряд солнечных модулей, которые преобразуют солнечную энергию в электричество и при помощи электродов передают его дальше, в другие преобразовательные устройства. Последние нужны для того, чтобы сделать из постоянного тока переменный, который способны воспринимать бытовые электроприборы. Постоянный ток получается, когда солнечную энергию воспринимают фотоэлементы и энергию фотонов преобразуют в электрический ток.

От того, сколько фотонов попадет на фотоэлемент, зависит, сколько энергии дает солнечная батарея. По этой причине, на производительность батареи влияет не только материал фотоэлемента, но и количество солнечных дней в году, угол падения солнечных лучей на батарею и другие факторы, не зависящие от человека.

Аспекты, влияющие на то, сколько энергии вырабатывает солнечная батарея

Прежде всего, производительность солнечных панелей зависит от материала изготовления и технологии производства. Из тех, что представлены на рынке, Вы можете найти батареи с производительностью от 5 до 22%. Все солнечные батареи разделяют на кремниевые и пленочные.

Производительность модулей на основе кремния:

• Монокристаллические кремниевые панели – до 22%.
• Поликристаллические панели – до 18%.
• Аморфные (гибкие) – до 5%.

Производительность пленочных модулей:

• На основе кадмий теллурида – до 12%.
• На основе селенида мели-индия-галлия – до 20%.
• На полимерной основе – до 5%.

Существуют так же смешанные типы панелей, которые преимуществами одного вида позволяют перекрыть недостатки другого, благодаря чему повышается КПД модуля.

Так же на то, сколько энергии дает солнечная батарея влияет количество ясных дней в году. Известно, что если солнце в Вашем регионе появляется на целый день меньше чем в 200 днях в году, то установка и использование солнечных батарей едва ли будет выгодной.

Кроме того, на КПД панелей влияет так же и температура нагрева батареи. Так, при нагревании на 1̊С производительность падает на 0,5%, соответственно, при нагреве на 10̊ С мы имеем в половину уменьшенный КПД. Чтобы предотвратить такие неприятности устанавливают системы охлаждения, так же требующие расход энергии.

Для сохранения высоких показателей производительности в течение дня устанавливают системы слежения за движением солнца, которые помогают сохранять прямой угол падения лучей на солнечные панели. Но эти системы стоят достаточно дорого, не говоря о самих батареях, поэтому не всем по карману устанавливать их для обеспечения энергией своего дома.

Сколько энергии вырабатывает солнечная батарея, зависит так же от суммарной площади установленных модулей, потому что каждый фотоэлемент может принять ограниченное количество .

Как рассчитать, сколько энергии дает солнечная батарея для Вашего дома?

Опираясь на вышеизложенные моменты, которые стоит учесть при покупке солнечных панелей, мы можем вывести простую формулу, по которой можем высчитать, какое количество энергии будет выдавать один модуль.

Допустим, Вы выбрали один из самых производительных модулей площадью в 2 м2. Количество солнечной энергии в обычный солнечный день равно примерно 1000 Ватт на м2. В итоге мы получаем такую формулу: солнечная энергия (1000 Вт/м2) × производительность (20%) × площадь модуля (2 м2) = мощность (400 Вт).

Если Вы хотите высчитать, сколько воспринимается батареей солнечной энергии в вечернее время суток и в облачный день, Вы можете воспользоваться следующей формулой: количество солнечной энергии в ясный день × синус угла солнечных лучей и поверхности панели × процент преобразуемой энергии в пасмурный день = сколько солнечной энергии в итоге преобразует батарея. Для примера допустим, что вечером угол падения лучей равен 30̊. Получаем следующий расчет: 1000 Вт/м2 × sin30̊ × 60% = 300 Вт/м2, и последнее число используем как основу расчета мощности.

Почти вся энергия на Землю, приходит от Солнца. Если бы не оно, Земля была бы холодной и безжизненной. Растения растут, потому что получают необходимую энергию. Солнце ответственно за ветер, и даже ископаемое топливо это энергия нашей звезды, запасенная миллионы лет назад. Но сколько энергии на самом деле, приходит от него?

Как вы, наверное, знаете, в его ядре, температура и давление настолько высоки, что атомы водорода сливаются в атомы гелия.

Излучение Солнца

В результате этой реакции синтеза, звезда производит 386 миллиардов мегаватт. Большая часть излучается в пространство. Вот почему мы видим звезды, которые удалены на десятки и сотни световых лет от Земли. Мощность излучения Солнца равна 1,366 киловатт на квадратный метр. Около 89000 тераватт проходит через атмосферу и достигает поверхности Земли. Получается его энергия на Земле составляет около 89000 тераватт! Просто для сравнения, общее потребление каждого человека составляет 15 тераватт.

Так что Солнце дает в 5900 раз больше энергии, чем люди в настоящее время производят. Нам просто нужно научится использовать ее.

Наиболее эффективный способ использовать излучение нашей звезды это фотоэлементы. Как таковое, это преобразование фотонов в электричество. Но энергия создает ветер, который заставляет работать генераторы. Солнце помогает расти культурам, которые мы используем для производства биотоплива. И, как мы уже говорили, ископаемые виды топлива, такие как нефть и уголь это концентрированное солнечное излучение, собранное растениями в течение миллионов лет.

Интенсивность солнечного света, которая достигает земли меняется в зависимости от времени суток, года, местоположения и погодных условий. Общее количество энергии, подсчитанное за день или за год, называется иррадиацией (или еще по-другому «приход солнечной радиации») и показывает, насколько мощным было солнечное излучение. Иррадиация измеряется в Вт*ч/м² в день, или другой период.

Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина — 1353 Вт/м². При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения — озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется «воздушной массой» (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.

На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излучения — соответственно порядка 925 и 691 Вт/м². Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце — под углом 45° к горизонту) .

Около поверхности Земли можно принять среднюю величину интенсивности солнечной радиации 635 Вт/м². В очень ясный солнечный день эта величина колеблется от 950 Вт/м² до 1220 Вт/м². Среднее значение - примерно 1000 Вт/м² . Пример: Интенсивность полного излучения в Цюрихе (47°30′ с. ш., 400 м над уровнем моря) на поверхности, перпендикулярной излучению:1 мая 12 ч 00 мин 1080 Вт/м²;21 декабря 12 ч 00 мин 930 Вт/м².

Для упрощения вычисления по приходу солнечной энергии, его обычно выражают в часах солнечного сияния с интенсивностью 1000 Вт/м². Т.е. 1 час соответствует приходу солнечной радиации в 1000 Вт*ч/м². Это примерно соответствует периоду, когда солнце светит летом в середине солнечного безоблачного дня на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам.

Пример
Яркое солнце светит с интенсивностью 1000 Вт/м² на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. За 1 час на 1 м² падает 1 кВт*ч энергии (энергия равна произведению мощности на время). Аналогично, средний приход солнечной радиации в 5 кВт*ч/м² в течение дня соответствует 5 пиковым часам солнечного сияния в день. Не путайте пиковые часы с реальной длительностью светового дня. За световой день солнце светит с разной интенсивностью, но в сумме она дает такое же количество энергии, как если бы оно светило 5 часов с максимальной интенсивностью. Именно пиковые часы солнечного сияния используются в расчетах солнечных энергетических установок.

Приход солнечной радиации меняется в течение дня и от места к месту, особенно в горных районах. Иррадиация меняется в среднем от 1000 кВт*ч/м² в год для северо-европейских стран, до 2000-2500 кВт*ч/м² в год для пустынь. Погодные условия и склонение солнца (которое зависит от широты местности), также приводит к различиям в приходе солнечной радиации.

В России, вопреки распространённому мнению, очень много мест, где выгодно преобразовывать солнечную энергию в электроэнергию при помощи . Ниже приведена карта ресурсов солнечной энергии в России. Как видим, на большей части России можно успешно использовать в сезонном режиме, а в районах с числом часов солнечного сияния более 2000 часов/год — круглый год. Естественно, в зимний период выработка энергии солнечными панелями существенно снижается, но все равно стоимость электроэнергии от солнечной электростанции остается существенно ниже, чем от дизельного или бензинового генератора.

Особенно выгодно применение там, где нет централизованных электрических сетей и энергообеспечение обеспечивается за счет дизель-генераторов. А таких районов в России очень много.

Более того, даже там, где сети есть, использование работающих параллельно с сетью солнечных батарей позволяет значительно снизить расходы на электроэнергию. При существующей тенденции на повышении тарифов естественных энергетических монополий России, установки солнечных батарей становится умным вложением денег.