СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Виссарионов В. И., Дерюгина Г. В., Кузнецова В. А., Малинин Н. К.,
Солнечная энергетика
Я, | Вт-- интенсивность потока солнечной радиации (СР) или солнечного
V м 0
2
Излучения (СИ) или мощность СР или СИ на 1 м приемной площадки (ПП);
Э, ^кВл в4 0] - поток СР или СИ за интервал времени Д! или энергия СР или СИ, приходящаяся на 1 м приемной площадки (ПП);
Яг, Эг - мощность и энергия СИ, приходящая на горизонтальную к поверхности земли ПП;
Я?, Э - мощность и энергия СИ, приходящая на наклоненную ПП (НПП) под углом в к горизонту;
Яе, Япр, Яд, Яотр - суммарная, прямая, диффузная (рассеянная) и отраженная от поверхности земли мощность СИ;
Эе, Эпр, Эд, Эотр - суммарная, прямая, диффузная (рассеянная) и отраженная от поверхности земли энергия СИ;
Р, о. е.; 0 < р < 1 - альбедо поверхности или отражательная способность поверхности или среды на земле;
Тсс(Л0 - продолжительность солнечного сияния на земле за заданный интервал времени М (часы или время от восхода до захода солнца в течение суток; суммарное время солнечного сияния за интервал времени
ДО;
Я0, Эо - мощность и энергия СИ в космосе за пределами земной атмосферы (на ее границе);
АМт - оптическая масса атмосферы - т (о. е.);
Т°сс, Т*Т - теоретическая и фактическая продолжительность солнечного сияния на земле в заданной точке ее поверхности;
(Ра°,Щ°, (град) - широта и долгота заданной точки А на поверхности земли;
Кт, Эт - мощность и энергия прямого СИ у земной поверхности
На перпендикулярную к лучам поверхность при оптической массе
Атмосферы - ш;
Д°, (град) - склонение Солнца;
А°, (град) - часовой угол Солнца;
6°, (град) - угол падения СИ или Солнца;
6г°, (град) - зенитный угол СИ или Солнца; а°, (град) - высота солнца над горизонтом; а°, (град) - азимут солнца; у°, (град) - азимут ПП;
Ко, о. е. - коэффициент прозрачности атмосферы;
СЭ - солнечный элемент;
СМ - солнечный модуль;
СБ - солнечная батарея;
СЭУ - солнечные энергетические установки;
СФЭУ, СФЭС - солнечные фотоэлектрические установки и станции;
СБЭУ, СБЭС - солнечные башенные энергетические установки и станции; СПР - солнечный пруд;
СК - солнечный коллектор;
СТЭУ, СТЭС - солнечная тепловая энергетическая установка и станция; КСИ - концентраторы солнечного излучения;
ЭК, ЭТК - энергетические и энерготехнологические комплексы;
ЭУ - энергетическая установка;
ПП - приемная площадка солнечного излучения;
СИ (СР) - солнечное излучение или солнечная радиация;
ТЭС, ГЭС, АЭС - тепловые, гидравлические и атомные электростанции; ДЭУ, ДЭС - дизельные электроустановки и электростанции;
БЗЭУ - бензиновые энергоустановки;
ГТУ, ПГТУ - газотурбинные и парогазотурбинные энергоустановки;
Рс (кВт, МВт) - нагрузка потребителей большой энергосистемы;
РЛЭС (кВт, МВт) - нагрузка потребителей локальной энергосистемы;
Рп (кВт) - нагрузка автономного потребителя;
^гэа Nтэс> Nаэс> Nгту> ^пгту> Nдэу> ^дэс> ^сэу> Nсэс (кBт, ^МВт) развиваемая
Полезная мощность различных видов энергоустановок и электростанций, отдаваемая на клеммах генератора;
АН, АЭ (кВт, МВт и кВт. ч, МВт. ч) - потери моЩнОсти и энергии в тех или иных элементах ЭУ или электростанций или электрических сетях;
Т (%, о. е) - К. П.Д. - отдельного элемента ЭУ или электростанции;
2 2
^ ( м, км ) - площадь рассматриваемого объекта или земельной территории;
ВИЭ, НВИЭ - возобновляемые и нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
В учебном пособии впервые в России изложены основные положения по энергетическому использованию солнечного излучения (СИ) на Земле, включая преобразование СИ в тепловую и электрическую энергию. В работе не рассматриваются детально на фундаментальном уровне теоретические положения по теплопереносу (термопередаче) и фотоэлектрическому эффекту (или генерации), а также оптики. Предполагается, что основные положения указанных разделов физики студенты должны изучать в разделе естественно-научных базовых дисциплин на первых курсах обучения в вузе. В связи с этим основные теоретические положения указанных разделов физики излагаются в пособии без детальных последовательных выводов тех или иных теоретических положений. То же самое касается и основных теоретических положений, касающихся геометрических расчетов по пространственному расположению Земли и Солнца, являющихся предметом изучения в астрофизике и актинометрии.
Все эти положения в пособии принимаются как исходные для проведения гелиоэнергетических (солнечных) расчетов различного назначения.
В пособии последовательно излагаются все основные положения, касающиеся энергетического использования СИ на Земле - от основных понятий солнечной энергетики до конкретных расчетов параметров и режимов СЭУ и СЭС (теплового и электрического назначения). В том числе основные понятия и определения солнечной энергетики; особенности информационного обеспечения гелиоэнергетических расчетов при работе солнечных энергетических установок в большой и локальной энергосистемах, а также на автономного потребителя; методы расчета прихода солнечного излучения на произвольно ориентированную приемную площадку в космосе и на земле в произвольно заданной точке и
На территории; основные технические схемы и энергетические характеристики современных типов солнечных энергетических установок, включая и наиболее перспективные сегодня типы - солнечные коллекторы и солнечные фотоэнергетические установки (СФЭУ); экологические и социально-экологические характеристики солнечной энергетики;
Особенности расчетов технических и экономических ресурсов солнечной энергетики; далее оценка всем категориям ресурсов солнечной энергетики в мире и в России; представлена техническая база для развития солнечной энергетики в России.
Рассчитываются три основных направления энергетического использования СИ на Земле с учетом того, что гарантированная мощность любой СЭУ или СЭС (взятой в отдельности) равна нулю с учетом особенностей временной цикличности прихода СИ на Землю (день-ночь):
1. Работа СЭУ или СЭС в большой энергосистеме (системные СЭУ или СЭС), совместно с ТЭС, АЭС, ГЭС и другими традИциОнными видами электростанций. Для этого случая доля всех СЭУ или СЭС очень мала по сравнению с общей установленной мощностью всех традиционных электростанций. В этом случае СЭУ и СЭС участвуют лишь в экономии дорогого ископаемого невозобновляемого топлива и участвуют тем самым в балансе энергии энергии большой энергосистемы за расчетные интервалы времени не менее суток-декады-месяца в целом. Максимум нагрузки подобных энергосистем может достигать тысяч и даже десятков тысяч МВт.
2. Работа или СЭС в локальной энергосистеме (ЛЭЭС) совместно с другими традиционными энергоустановками (как правило ДЭУ или ДЭС) по балансу электроэнергии. В этом случае доля СЭУ или СЭС по мощности может достигать десятков процентов от общего установленного максимума ЛЭЭ. В этом случае СЭУ или СЭС участвуют в балансе мощностей или энергии ЛЭЭС в качестве дублирующей мощности. Расчетные интервалы времени - часовые или суточные. В этом случае СЭУ или СЭС, в основном, предназначены для экономии ископаемого невозобновляемого топлива, а также участвуют в балансе мощностей ЛЭЭС. Мощность ЛЭЭС может составлять несколько МВт или десятков МВт.
3. Работа СЭУ на автономного потребителя, мощность которого может составлять от нескольких кВт до сотен кВт. СЭУ в этом случае являются дублирующей мощностью, сопоставимой с максимумом нагрузки потребителя. Для повышения эффективности работы СЭУ в этом случае должны создаваться энергокомплексы (ЭК) на базе сочетания СЭУ с системами аккумуляции энергии и традиционными видами энергоустановок (например, ДЭУ или БЗЭУ). В качестве расчетных интервалов здесь должны использоваться часовые, а иногда и меньшие интервалы, в зависимости от вида потребителя, вида, состава и параметров ЭК.
Особенности расчета параметров и режимов, указанных выше систем энергоснабжения, накладывают особые требования на информационное обеспечение гелиоэнергетических расчетов, которые существенно отличаются от аналогичного обеспечения общепринятых сегодня климатологических расчетов. Особенно это касается третьего расчетного случая, для которого, как правило, отсутствует полностью или частично требующаяся исходная информация для гелиоэнергетических расчетов. Следует отметить, что сегодня отсутствуют в России и научно обоснованные руководящие материалы по информационному обеспечению гелиоэнергетических расчетов.
Представленные в учебном пособии материалы, в основном, предназначены для студентов специальности 140202 "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Они будут полезны идля студентов направления 140200 "Электроэнергетика", а также других направлений, связанных в той или иной мере с решением проблем энергоресурсосбережения в целом и охраны окружающей среды.
Авторы приносят благодарность за большую помощь в подготовке рукописи учебного пособия к печати инженеру А. А.Бурмистрову и аспиранту А. Н.Якушову.
Авторский коллектив благодарит рецензентов - доктора технических наук, профессора В. В.Волшаника и кандидата технических наук, доцента
Н. И. Матвиенко за ценные замечания и рекомендации.
Материалы учебного пособия могут быть использованы в организациях и ведомствах, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией систем энергоснабжения на базе НВИЭ.
