Солнечная энергетика (лекция № 6)

1. Лекция № 6

«Солнечная энергетика»
1

2. Содержание

Солнечная энергетика(СЭ). Основные понятия и
определения.
География СЭ и ее ресурсы.
Основные энергетические характеристики СЭ.
2

3. Основные понятия и определения

СЭ – отрасль науки и техники, которая
разрабатывает технические основы, методы и
средства использования солнечной радиации
(излучения) для получения других видов
энергии.
Солнечная радиации (излучение) - процесс
переноса энергии при распространении
электромагнитных волн в пространстве (в
прозрачной среде).
3

4. Солнечное излучение

Солнечное
излучение (СИ)
или солнечная
радиация (СР) –
основной источник
энергии во всей
Солнечной системе
Солнечное излучение
Энергия
ветра
Энергия
океана
Гидравлическая
энергия
Энергия
биомассы
4

5. Солнечная постоянная

Солнце в современном
виде просуществует ещё
порядка 4÷5 млрд. лет, т.е.
оно – почти вечный
источник энергии
Ежесекундно Солнце
излучает в космос 4·1023кВт,
на Земли попадает около
1014 кВт. Эта величина в
тысячи раз больше общего
потребления человечества
Солнечная постоянная e0 –
количество энергии,
проходящей через
площадку единичной
площади,
перпендикулярную
солнечным лучам
На орбите Земли эта
величина составляет
~1370 Вт/м2
Расстояние от Земли до Солнца не постоянно – из-за
этого изменения в интенсивности прихода СИ могут
достигать ±4%

6. Смена времён года

Ось вращения Земли
наклонена к плоскости
её орбиты на ~23,5° из-за этого на планете
происходит смена
времён года и
изменяется приход СИ

7. Суточный приход СИ

Rh
Вт/кв.м
Rh
max
th, ч
a
1
0,5Tc
12
0,5Tc
24
t', ч
Суточные изменения в приходе СИ обусловлены
вращением Земли вокруг своей оси

8. Потери солнечного излучения

Возможные потери
энергии СИ
при прохождении
атмосферы Земли:
а - отражение от
поверхности Земли;
б - отражение в
пределах атмосферы;
в – рассеяние в
пределах атмосферы;
г - рассеяние у
поверхности Земли;
д - излучение,
достигающее
поверхности Земли
На приход СИ на поверхность Земли существенное влияние
оказывают облачность, аэрозоли и пыль, содержащиеся в
атмосфере и рассеивающие солнечные лучи.

9. Спектр солнечного излучения

е ( Вт/м2 нм)
Кривые спектрального излучения:
1 – спектр внеземного СИ (причем ео= ∫ е ( )dx = const= 1370 Вт/м2); 2 –
прямая солнечная радиация в атмосфере.

10. Составляющие солнечного излучения

Где
1- Солнце,
2 –поверхность Земли,
3 – приемная площадка,
4 – облака, аэрозоли,
пыль
Суммарный поток СИ на приемную площадку R (t) на
поверхности Земли будет в каждый момент времени t
складываться как:
R (t) = Rпр(t) + Rд(t) + Rот(t)
Rпр(t) – прямое СИ, реализуемое в виде направленного потока СИ вдоль прямой
линии, связывающей собой Солнце и приемную площадку СИ на земле; Rд(t) –
диффузное СИ, реализуемое за счет направленного СИ, рассеянного в атмосфере
земли облаками, а аэрозолями, пылью и т.д.; Rот(t) – отраженная от поверхности
земли часть направленного СИ.

11. Расчет прихода солнечного излучения на произвольно ориентированную приемную площадку

Исходными данными для пересчета прихода СИ с горизонтальной
на произвольно ориентированную приемную площадку являются:
– широта местности в расчетной точке, [град];
– долгота местности в расчетной точке, [град];
Э Г – приход удельного суммарного СИ на горизонтальную
приемную площадку, [кВтч/м2] (по климатическим справочникам
или специализированным БД);
Э ДГ – приход удельного диффузного СИ на горизонтальную
приемную площадку, [кВтч/м2] (по климатическим справочникам
или специализированным БД);
– альбедо – отражательная способность поверхности
земли, [ед.].
– угол наклона приемной площадки к горизонту, [град];
– азимут – угол отклонения приемной площадки от
южного направления, [град] (восточное направление с минусом).

12. Расчет прихода солнечного излучения на произвольно ориентированную приемную площадку

(Продолжение)
Характерные углы приемной площадки и Солнца
Угол склонения Солнца - угол между прямым направлением к Солнцу и
плоскостью экватора Земли (или экваториальной плоскостью), [град]:
360
n- порядковый номер дня года,
23,45 sin
284 n где
365
отсчитанный от 1 января
Часовой угол Солнца - угол, на который поворачивается Земля с момента
солнечного полдня в рассматриваемой точке , [град]:
tГ arccos tg tg
- для горизонтальной приемной площадки;
t arccos tg( ) tg - для наклонной приемной площадки;

13. Расчет прихода солнечного излучения на произвольно ориентированную приемную площадку

(Продолжение)
СИ, приходящее на приемную произвольно ориентированную
площадку, расположенную на поверхности земли, для любого
расчетного интервала времени определяется по формуле:
Э ЭПР Э Д Эотр
где ЭПР
– прямое СИ – поток излучения, поступающего
непосредственно от Солнца; Э Д – диффузное СИ – излучение
поступающее от остальной части небосвода, т.е. это СИ
отраженное от облаков и частиц воды и пыли взвешенных в
атмосфере Земли;Эотр
– отраженное СИ – излучение поступающее
от поверхности земли.

14. Расчет прихода солнечного излучения на произвольно ориентированную приемную площадку

(Продолжение)
Прямое СИ пересчитывается с горизонтальной поверхности на
наклонную для расчетного интервала времени по формуле:
ЭПРt
Э Гt ЭДtГ К ПРt ,
Г
где Э , Э ДГ - определяются по климатическим справочникам или
специализированным БД;
К ПРt - коэффициент, характеризующий отношение приходов
прямого СИ на произвольно ориентированную и горизонтальную
площадки:
К ПРt f ( , , , )

15. Расчет прихода солнечного излучения на произвольно ориентированную приемную площадку

(Продолжение)
В общем виде коэффициент К ПРt определяется по формуле:
sin sin B 180
A cos cos C
,
sin sin cos cos 180 sin sin
К
час
ПР
t 1
t
Г
t
t
t 1
Г
t 1
где
A sin cos cos sin cos sin
B cos cos sin sin cos cos
C sin sin cos
t
Г
t
Г
t 1
t 1

16. Расчет прихода солнечного излучения на произвольно ориентированную приемную площадку

(Продолжение)
Диффузное СИ с горизонтальной поверхности на наклонную, для
любого интервала времени определяется по формуле:
Э Д Э (1
Г
Д
180
)
Г
Диффузную составляющую Э Д можно определить на базе Э Гt
по формуле:
ЭДtГ К Дt Э Гt ,
где коэффициент диффузности К Дt зависит от коэффициента
облачности равный отношению суммарных приходов СИ на земле
и в космосе:
Г
Г
К Дt f ( KOt ) f (Э t / ЭOt )

17. Расчет прихода солнечного излучения на произвольно ориентированную приемную площадку

(Продолжение)
Отраженное СИ на произвольно ориентированной площадке
определяется по формуле:
Эотр
1
Э sin
2
Г
где (отражательная способность Земли (альбедо)), изменяется
от 0,2 до 0,7 в зависимости от наличия снежного покрова
Суммарное СИ, приходящее на произвольно ориентированную
приемную площадку, расположенную на поверхности земли, для
любого интервала времени, определяется по формуле:
Э Э Э
Г
Г
Д
К
ПР
1
Э (1
) Э sin
180
2
Г
Д
Г

18. Влияние различных переменных на приход СИ на горизонтальную площадку

Приход СИ на горизонтальную площадку в момент времени t на
Земле является сложной функцией нескольких переменных :
г
0
0
0
0
0
(
t
),
(
t
),
a
(t ))
R г ( t) = R ( (t ), (t ), (t ),
, …)
z
0
Из которой: 0 , 0 , 0 - считаются основными, а остальные
вспомогательными по степени их влияния на R г ( t) .
1. Влияние широты местности:
На рисунке показано, как меняется угол
падения СИ на горизонтальную приемную
площадку на поверхности земли и длина хода
СИ в атмосфере Земли в зависимости от
широты местности.
Очевидно, что для 4-х представленных на
рисунке
точек
имеем
следующие
0
соотношения:L0<L1<L2<L7; z1< 0z2< 0z3<
0z4
и,
следовательно
для
ясного
г
г
г
неба: R 1 > R 2 >… > R 4 .

19. Влияние различных переменных на приход СИ на горизонтальную площадку

(Продолжение)
2. Влияние часовых углов Солнца - 0 (t) и склонения Солнца - 0 (t):
Если Солнце находится в зените, то
солнечный проходит в это время самый
короткий путь. В этом случае масса
атмосферы, преодолеваемая солнечным
лучом минимальная за 1 сутки и
принимается равным 1, обозначаемой, как
m0=1. Этот период при безоблачном небе
наиболее благоприятен для пропускания
ультрафиолетового сектора СИ (голубое
небо). Ближе к закату или на восходе
Солнца длина пути солнечного луча в
атмосфере увеличивается. При этом
увеличивается и масса воздуха,
преодолеваемая солнечным лучом,
которая в общем случае пропорциональна
длине хода солнечного луча в атмосфере.

20. Влияние различных переменных на приход СИ на горизонтальную площадку

(Продолжение)
3. Влияние ориентации приемной площадки (ПП) на величину
годового прихода СИ (случай, когда Э год = Эпргод):
Ориентация ПП
0 = 0 – горизонтальная ПП
0 = – ПП наклоненная строго к югу
Непрерывное во времени слежение за
солнцем по меридиональной оси ПП,
ориентированной строго на юг
Непрерывное во времени слежение за
солнцем по горизонтальной оси ПП,
ориентированной строго на юг
Непрерывное слежение за солнцем по
двум осям ПП
% к Эгодг
100
115,9
139,1
152,4
154,3

21.

22.

Основные актинометрические станции
России и ближайшего зарубежья

23. Потенциал солнечной энергетики

Валовой
потенциал
Технический
потенциал
Экономический
потенциал
180 млрд. кВтч/год
80 млн. кВтч/год
24,5 тыс. кВтч/год
Установленная мощность солнечных станций в мире
на 2016г. составляет около 50ГВт

24. Особенности солнечной энергетики

Из-за относительно небольшой величины e0 для солнечной
энергетики требуется использование больших площадей
земли под электростанции
Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно
зависит от широты и климата
Солнечная электростанция не работает ночью и
недостаточно эффективно – в утренних и вечерних сумерках
Дороговизна и недостаточный КПД солнечных элементов
Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии,
сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества,
например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их
производство потребляет массу других опасных веществ

25. Выводы

1. Солнечное излучение подвержено существенным изменениям во
времени
2. Россия обладает огромным потенциалом использования энергии
Солнца, применение этих технологий эффективно почти по всей
территории страны
3. При наличии государственной поддержки развития солнечной
энергетики она быстро становится рентабельной и экономически
выгодной.
4. Рост мирового рынка способствуют снижению стоимости
электроэнергии, выработанной на солнечных электростанциях
5. Существуют очень амбициозные проекты по использованию
солнечной энергии и нет сомнений, что они будут реализованы

26. Перспективные проекты

Орбитальная солнечная космическая станция

27. Тенденции развития

- Активное использование вакуумных солнечных
коллекторов
- Разработка новых типов солнечных фотоэлементов, уже
существуют образцы с КПД выше 45%
- Создание двухслойных и трёхслойных солнечных
фотоэлектрических элементов, способных преобразовывать
энергию света во всех частях его спектра
- Гибкие солнечные фотоэлектрические элементы с
невысоким КПД, но очень низкой стоимостью
- Активное развитие нанотехнологий
27

28. СОЛНЕЧНАЯ УСТАНОВКА С КОНЦЕНТРАТОРАМИ И ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

СОХРАНЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ
СООТВЕТСТВУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА
СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА
ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ ЗА СЧЕТ ЕГО
ОХЛАЖДЕНИЯ, ДЛЯ ЧЕГО
ФОТОЭЛЕМЕНТ РАЗМЕЩАЮТ
ОТДЕЛЬНО ОТ КОНЦЕНТРАТОРА В
ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЕ
ПОСТУПЛЕНИЕ
КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ СОЛНЕЧНОЙ
ЭНЕРГИИ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПО
СВЕТОВОДАМ.
(ПАТЕНТ НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ
№ 37576)