 |
2.4. Солнечная энергия. 2.4.1. Солнечная радиация
|
|
|
|
2. 4. Солнечная энергия
Солнечная энергия занимает лидирующее положение среди ВИЭ. Суммарный поток энергии солнечного излучения на поверхность Земли во много раз превышает мощность действующих в мире энергоустановок, а располагаемые ресурсы солнечной энергии на территориях всех стран, в том числе расположенных в высоких широтах, существенно превышает их энергетические потребности на обозримую перспективу. Многие другие возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра, энергия растительной биомассы, энергия водных потоков и волн имеют солнечное происхождение: возникновение потоков воздушных масс и кругооборот атмосферной влаги обусловлены неравномерностью нагрева поверхности Земли солнечным излучением, фотосинтез является основой роста растений.
Солнечная энергия повсеместно доступна. Солнечное излучение, вследствие того, что оно исходит от источника с яркостной температурой около 6000оС, с термодинамической точки зрения является высококачественным первичным источником энергии, допускающим принципиальную возможность ее преобразования в другие виды энергии (электроэнергия, тепло, холод и др. ) с высоким КПД. Однако существенными ее недостатками с технической точки зрения являются нестабильность (суточная, сезонная, погодная) и относительно малая плотность энергетического потока: за пределами атмосферы около 1, 4 кВт/м2, на земной поверхности в ясный полдень около 1 кВт/м2, а в среднем за год (с учетом ночей и облачности) от 150 до 250 Вт/м2, что тем не менее соответствует ежегодному поступлению на 1 м2 земной поверхности энергии эквивалентной 150…250 кг у. т. (1 кг у. т. = 7 Мкал). Для самого солнечного района Европы – юга Испании – характерно среднегодовое дневное поступление солнечной радиации 4, 7 кВтч/м2 день, а на юге Германии, где сегодня идет активное внедрение солнечных установок, – 3, 3 кВтч/м2 день.
|
|
|
Эти особенности солнечного излучения как источника энергии затрудняют создание эффективных энергетических устройств, поскольку обусловливают необходимость сооружения приемников солнечного излучения повышенной площади и создания аккумуляторов энергии. В результате, несмотря на «бесплатность» самого солнечного излучения, стоимость солнечных установок оказывается значительной, что снижает их конкурентоспособность по отношению к традиционным энергоустановкам, особенно если последние используют дешевое органическое топливо.
2. 4. 1. Солнечная радиация
Солнечная радиация - это электромагнитное излучение, сосредоточенное в основном в диапазоне волн длиной 0, 28…3, 0 мкм. Солнечный спектр состоит из:
- ультрафиолетовых волн длиной 0, 28…0, 38 мкм, невидимых для наших глаз и составляющих приблизительно 2 % солнечного спектра;
- световых волн в диапазоне 0, 38 … 0, 78 мкм, составляющих приблизительно 49 % спектра;
- инфракрасных волн длиной 0, 78…3, 0 мкм, на долю которых приходится большая часть оставшихся 49 % солнечного спектра.
Остальные части спектра играют незначительную роль в тепловом балансе Земли.
Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1, 1x1020 кВт·ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1, 5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли. [10]
|
|
|
Рис 2. 4. 1. 1. Солнечный спектр в тепловом балансе Земли[11]
Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное на частицах воздуха, пыли, воды, и т. п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение.
Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов:
- широты,
- местного климата,
- сезона года,
- угла наклона поверхности по отношению к Солнцу.
Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени 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 лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит, больше достигает поверхности.
Рис. 2. 4. 1. 2. Распределение солнечной радиации на поверхности Земли[12]
Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0, 8 кВт·ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт·ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору.
Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе, Средней Азии и Канаде - приблизительно 1000 кВт·ч/м2; в Средиземноморье - приблизительно 1700 кВт·ч /м2; в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт·ч/м2. [13]
Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости от времени года и географического положения. Этот фактор необходимо учитывать при использовании солнечной энергии.
|
|
|
