Основи сонячної енергетики

Галузі сонячної енергетики

Основні терміни і визначення

Теплові колектори

Лекція № 6. Сонячна енергетика.

Сонячний колектор – це пристрій для збирання теплової енергії Сонця у інфрачервоному і видимому спектрі.

Сонце є головним первинним джерелом енергії. Потужність сонячної енергії, яка потрапляє на земну поверхню складає 1.7·10¹⁴ кВт. Сонячної енергії, яка отримується Землею за годину, вистачить для забезпечення потреб людства протягом 1 року.

Величиною, що характеризує потужність сонячної енергії, є щільність потоку випромінювання, яка падає на перпендикулярну до нього ділянку над атмосферою. Цей показник дорівнює 1353 Вт/м². В атмосфері потужність сонячного випромінювання зменшується. На рівні Землі його потужність не перевищує 1000 Вт/м². Сонячна енергія має широкий спектр: на частку ультрафіолетового спектру припадає 7 % випромінювання, видимого – 47 %, інфрачервоного – 46 %.

Сонячну енергію використовують для отримання теплової і електричної енергії. Майже вся енергія сонячного випромінювання зосереджена у видимій і інфрачервоній області, тому теплову енергію з нього можна отримати безпосередньо шляхом нагрівання теплоносія чи спеціальної поверхні – абсорбера. ККД таких геліоустановок знаходиться в межах 30-80 %. Для цього використовують сонячні колектори, в тропічних і екваторіальних широтах можуть використовуватись сонячні ставки.

Перетворення сонячної енергії на електричну має менший ККД і може бути безпосереднім або багатоступеневим. Безпосереднє перетворення сонячної енергії на електричну базується на фотоелектричному ефекті, який виникає у фотоелементах – напівпровідниках з неоднорідною структурою. ККД фотоелементів складає 10-20 %.

Багатоступеневе перетворення сонячної енергії на електричну базується на використанні парових машин або двигунів Стірлінга, для нагрівання робочого тіла яких до необхідних температур використовують сонячні концентратори. На цьому принципі працюють сонячні станції з концентраторами баштового, параболічного і параболоциліндричного типів. ККД таких станцій становить 10-20 %. В деяких випадках для отримання електричної енергії використовують сонячні ставки.

Щільність випромінювання в різних точках земної поверхні відрізняється між собою і змінюється в часі. Цей показник залежить від широти, пори року, часу доби, наявності хмар і нахилу поверхні. Тому важливою задачею при проектуванні геліоустановок є їх правильна орієнтація відносно Сонця.

Вплив широти місцевості і пори року пояснюється траекторією руху Землі навколо Сонця, що представляє собою еліпс з Сонцем в одному з його фокусів. Відстань між Сонцем і Землею змінюється протягом року. Земля найближче до Сонця 22 грудня (1.445·10¹¹ м), максимальна відстань спостерігається 22 червня (1.543·10¹¹ м). Ця відносно невелика зміна відстані призводить до відчутної різниці у сонячному випромінюванні, яке обернено пропорційне квадрату відстані (для грудня – 1430 Вт/м², для червня – 1330 Вт/м² над атмосферою).

Для точного розрахунку потужності, що виділяється на певній ділянці в конкретний час, необхідно розглянути її положення відносно напрямку руху сонячних променів на прикладі, що показаний на рис. 1. На цьому рисунку точкою А позначено точку земної поверхні, положення якої визначається широтою φ, кутовим сонячним часом ω і схиленням Сонця δ.

Рис. 1. Схема руху Сонця на небосхилі

Широта – це кут між лінією, яка з’єднує її з центром Землі О, і її проекцією на площину екватора. Кутовий сонячний час ω – це кут виміряний в екваторіальній площині між проекцією лінії ОА і проекцією лінії, яка з’єднує центри Землі і Сонця. Перерахунок добового часу t у сонячний час ω здійснюється за формулою:

рад. (1)

Схилення Сонця δ – це кут між лінією, що з’єднує центри Землі і Сонця, і її проекцією на площину екватора. Схилення Сонця впродовж року неперервно змінюється від -23°5^/ в день зимового сонцестояння 22 грудня до 23°5^/ в день літнього сонцестояння 22 червня і дорівнює нулю в дні весняного (21 березня) і осіннього (23 вересня) рівнодення. Кут схилення Сонця δ в день n після 1 січня визначається за формулою:

. (2)

Числові значення сонячного схилення для середини кожного місяця наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Числові значення сонячного схилення δ

Місяць
град, °	-20.9	-13	-2.4	9.4	18.8	23.1	21.2	13.5	2.2	-9.6	-18.9	-23

В розрахунках потужності сонячного випромінювання також використовується зенітний кут Сонця θ_Z, кут висоти α і азимут α_S, рис. 2, а також азимут поверхні α_Н, рис. 3.

Зенітний кут Сонця θ_Z – кут між напрямом на Сонце і вертикаллю до горизонтальної площини. θ_Z розраховується за формулою:

. (3)

Висота Сонця α над горизонтом – кут у вертикальній площині між напрямом сонячного випромінювання і його проекцією на горизонтальну площину. З рис. 2 очевидно, що

, (4)

тому

. (5)

Зі збільшенням висоти Сонця α зменшується відстань через атмосферу, яку проходить сонячне випромінювання і збільшується час протягом якого сонячна енергія потрапляє на поверхню.

Рис. 2. Кути, які визначають положення точки земної поверхні

відносно напрямку сонячних променів

Азимут Сонця α_S – це кут в горизонтальній площині між проекцією напрямку сонячного випромінювання і напрямом на південь. Значення азимуту α_S розраховуються за формулою:

. (6)

Рис. 3. Кути, які характеризують положення точки на похилій поверхні

відносно напряму сонячних променів

Азимут поверхні α_Н – це кут між нормаллю до поверхні і напрямом на південь. Якщо поверхня зорієнтована перпендикулярно сонячним променям, потужність сонячного випромінювання на ній є максимальною. Кут падіння сонячних променів на довільно орієнтовану поверхню з азимутом α_Н і кутом нахилу до горизонту β визначається за формулою:

(7)

Зрозуміло, що для геліоустановок необхідно, щоб потужність сонячного випромінювання була максимальною. Для цього кут між поверхнею і напрямком сонячного випромінювання повинен бути близьким до нуля і = 0. Для цього її необхідно орієнтувати на південь (α_Н = 0) під певним кутом β відносно горизонтальної поверхні. Величина кута β знаходиться за допомогою формули (7) з урахуванням широти місцевості φ і пори року, від якої залежить схилення Сонця δ. При підрахунку чисельних значень кута β береться середнє значення кутового часу за добу ω = 0. При цьому з формули (7) отримується наступна функція:

. (8)

Для отримання максимальної потужності від Сонця необхідно знайти максимум функції (8). В табл. 2 наведені значення кута β при яких отримується максимум сонячної енергії на широтах України.

Таблиця 2. Оптимальних кут нахилу поверхні на різних широтах

Широта φ Місяць	45°	46°	47°	48°	49°	50°	51°	52°
	66°	67°	68°	69°	70°	71°	72°	73°
	58°	59°	60°	61°	62°	63°	64°	65°
	47°	48°	49°	50°	51°	52°	53°	54°
	36°	37°	38°	39°	40°	41°	42°	43°
	26°	27°	28°	29°	30°	31°	32°	33°
	22°	23°	24°	25°	26°	27°	28°	29°
	24°	25°	26°	27°	28°	29°	30°	31°
	32°	33°	34°	35°	36°	37°	38°	39°
	43°	44°	45°	46°	47°	48°	49°	50°
	55°	56°	57°	58°	59°	60°	61°	62°
	64°	65°	66°	67°	68°	69°	70°	71°
	68°	69°	70°	71°	72°	73°	74°	75°

З даних табл. 2 видно, що для отримання максимальної потужності сонячної енергії кут нахилу фотоприймаючої поверхні геліоустановки необхідно змінювати в широких межах протягом року. При відхиленні ±10° від оптимального кута на поверхні розсіюється до 90 % від максимальної потужності. В переважній більшості випадків геліоустановки мають нерухому фотоприймаючу поверхню. В цьому випадку їх необхідно орієнтувати у південному напрямі під кутом 30-45°. Якщо геліоустановку неможливо орієнтувати строго на південь, то при орієнтації на південний схід або південний захід кут її нахилу необхідно зменшити до 25-35°. Якщо геліоустановка використовується для системи опалення кут її нахилу необхідно збільшувати, в цьому випадку отримана енергія розподіляється рівномірніше протягом року. Залежність величини виділеної потужності геліоустановки від її орієнтації для широт України показна на рис. 4.

Рис. 4. Вплив орієнтації геліоустановки на кількість отриманої енергії

Середня потужність сонячного випромінювання залежить також від погодних умов. Потенціал сонячної енергетики за регіонами України показаний на рис. 5.

Рис. 5. Потенціал сонячної енергетики за регіонами України

Дата добавления: 2014-01-04