Индивидуальные солнечные установки

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

Солнце — гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Его масса (2-1030 кг) в 333 тыс. раз пре­вышает массу Земли, а объем в 1,3 млн. раз больше объ­ема Земли. Химический состав Солнца: 81,76 % водорода, 18,14 % гелия и 0,1 % азота. Средняя плотность вещест­ва Солнца равна 1400 кг/м3, а в его центре она достигает 76000 кг/м3. Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ежесекундно

4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромаг­нитных волн различной длины. Мощность потока сол­нечного излучения составляет 4• 1023 кВт. В центре Солн­ца давление достигает огромного значения в 2-1010 МПа [(около 204 млрд. ат), а температура по разным оценкам составляет 8—40 млн. К, температура фотосферы на по­верхности Солнца приблизительно равна 5900 К.

Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Еще в 212 г. до н. э. с помощью концентрирован­ных солнечных лучей зажигали священный огонь у хра­мов. Согласно легенде приблизительно в то же время ' греческий ученый Архимед при защите родного города поджег паруса кораблей римского флота.

Солнечная радиация — это неисчерпаемый возобнов­ляемый источник экологически чистой энергии. На Зем­лю попадает незначительная доля излучаемой Солнцем энергии, причем 95 % поступающей солнечной энергии —• это коротковолновое излучение в диапазоне длин волн от 0,3 до 2,4 мкм.

Верхней границы атмосферы Земли за год достигает поток солнечной энергии в количестве 5,6-1024 Дж. Ат­мосфера Земли отражает 35 °/о этой энергии, т. е. 1,9Х XIО24 Дж, обратно в космос, а остальная энергия расхо­дуется на нагрев земной поверхности (около 2,4-1024 Дж), испарительно-осадочный цикл (около 1,3-1024 Дж) и об­разование волн в морях и океанах, воздушных и океан­ских течений и ветра (около 1,2-1022 Дж). Мощность потока солнечного излучения у верхней границы атмос­феры Земли равна 1,78-1017 Вт, а на поверхности Зем­ли 1,2 -1017 Вт.

Плотность потока солнечной энергии /о у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную пер­пендикулярно направлению солнечных лучей, составляет 1353 Вт/м2 и называется солнечной постоянной, а сред­нее количество энергии £0.н, поступающей за 1 ч на 1 м2 этой поверхности, равно 4871 кДж/(ч-м2). Вследствие вращения Земли вокруг Солнца по эллиптической орби­те расстояние между ними в течение года изменяется в пределах 150 млн. км±1,7 %, а часовое количество вне­атмосферной солнечной энергии, поступающей на 1 м2 нормальной поверхности, изменяется в течение года ме­нее чем на 7 % — от 4710 до 5036 кДж/(ч - м2).

Годовое количество поступающей на Землю солнеч­ной энергии составляет 1,05-1018 кВт-ч, причем на по­верхность суши приходится только часть этой энергии, т'е. 2-1017 кВт-ч. (Заметим, что 1 кВт-ч = 3600 кДж, а 1000 кДж=278 Вт-ч.) К этому, добавляются энергия ветра (1,58-1016 кВт-ч в год с мощностью 1,8-10!2 кВт) и другие косвенные виды солнечной энергии.

Без ущерба для экологической среды может быть ис­пользовано 1,5 % всей падающей на Землю солнечной энергии, т. е. 1,62-1016 кВт-ч в год (что эквивалентно огромном^ количеству топлива — 2-1012 т условного топ­лива), при этом мощность потока энергии составляет

1, 85-1012 кВт.

Распределение глобального потока солнечной радиа­ции на поверхности земного шара крайне неравномерно. Количество солнечной энергии, поступающей за год на 1 м2 поверхности Земли, изменяется приблизительно от 3000 МДж/м2 на севере до 8000 МДж/м2 в наиболее жар­ких пустынных местах (рис. 1).

Среднегодовое количество солнечной энергии, посту­пающей за 1 день на 1 м2 поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м2 на севере до 21,4 МДж/м2 в пустынях и

Тропиках. Среднегодовая плотность потока солнечного излучения составляет 210—250 Вт/м2 в субтропических областях и пустынях, 130—210 Вт/м2 в центральной час­ти СССР и 80—130 Вт/м2 на севере СССР. Пиковая. плотность потока солнечной энергии достигает 1 кВт/м2.

Солнечное излучение у верхней границы земной ат­мосферы приблизительно соответствует излучению абсо­лютно черного тела с температурой 5900 К и включает ^ультрафиолетовое излучение (длина волн К от 0,2 до 0,4 мкм), видимый свет (Я от 0,4 до 0,78 мкм) и инфра­красное. излучение с более длинными волнами. Макси­мум интенсивности солнечного излучения приходится на длину волны 0,5 мкм.

При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается и поглощается мо­лекулами озона, воздуха и водяного пара, а также час­тицами пыли — это приводит к ослаблению прямого солнечного излучения и появлению диффузного., (рас­сеянного) излучения. Часть энергии, поглощенной и рас­сеянной газовыми частицами, возвращается обратно в космическое пространство, а основной ее поток достигает поверхности Земли в виде рассеянного (диффузного) излучения. Доля рассеянного (диффузного) излучения в

Общем потоке поступающей солнечной радиации зависит от географических и климатологических факторов и из­меняется в течение года. Так, в Киеве она изменяется от 0,39 в июле до 0,75 в декабре, в Москве — соответственно от 0,54 до 0,8, в Ташкенте — от 0,19 до 0,5, а в Ашхаба­де _1 от 0,3 до 0,5. В табл. 1 показано распределение среднемесячного дневного поступления солнечной энео - гии на 1 м2 горизонтальной поверхности на всех широ­тах — от экватора до северного полюса.

На рис. 2. показано спектральное распределение ин­тенсивности прямого солнечного излучения / у верхней границы атмосферы и на уровне моря в сравнении с из­лучением абсолютно черного тела при температуре 5900 К. На рис. 3 приведено изменение суточного прихо­да суммарного солнечного излучения на вертикальные поверхности с южной (а) и восточной или западной (б) ориентацией, расположенные на различных широтах — на экваторе (3), северном полюсе (СП), у полярного круга (ПК) и на широте 30, 42, 50 и 60°с. ш.

Дата Б)

Рис. 3. Количество суммарной солнечной энергии, поступающей на вертикальную поверхность с южной (о) и восточной (6) ориента­цией:

' ^ ~~ экватор; СП — северный полюс; ПК — полярный круг, широта 30, 42, 60,

60° с. ш.

В весенне-летний период (с 21.03 до 22.09) поступле­ние солнечной энергии на вертикальную поверхность в районе северного полюса максимальное, и с продвиже­нием на юг оно уменьшается и на экваторе достигает минимального значения — нуля — для поверхностей южной ориентации. В то же время в период с 22.09 до

21.3 Поток солнечной радиации на вертикальную поверх­ность у северного полюса равен нулю, для поверхностей с восточной или западной ориентацией он максимален на экваторе и уменьшается при удалении от экватора, а за­висимость поступления солнечной радиации на южные вертикальные поверхности от широты местности более сложная.

Потенциал солнечной энергии можно охарактеризо­вать среднегодовым значением прихода солнечной ради­ации на 1 м2 горизонтальной поверхности. Годовое по­ступление солнечной энергии на территории стран СЭВ характеризуется следующими данными (в кВт-ч/м2): СССР — от 800 (68° с. ш.) до 2000 (39° с. ш.); ГДР, ЧСФР и Польша — 950—1050; Венгрия — 1200; МНР — 1750; Куба — 1900; Болгария — 2000.

Годовой поток солнечного излучения на территории СССР изменяется в широких пределах. Так, на 1 м2 го­ризонтальной поверхности на северных островах и севе­ро-восточной оконечности Сибири за год поступает всего 550—830 кВт-ч, на большей части европейской территории и Сибири — 830—1100 кВт-ч, в южных рай­онах Украины, Молдавии, Поволжья, Сибири и Дальнего Востока — 1100—1380 кВт-ч, в Закавказье и Средней Азии — 1400—1600 кВт-ч, в пустынных районах Турк­мении — 2000 кВт-ч и более.

Годовое число часов солнечного сияния равно: в Тур­кмении — 3100, Узбекистане и Таджикистане — 2815— 2880, Казахстане и Киргизии —2575—2695, Армении, Грузии и Азербайджане — 2125—2520, Украине и Мол­давии — 2005—2080.

Условия для использования солнечной энергии в СССР наиболее благоприятны в республиках Средней Азии, Казахстане, Нижнем Поволжье, Северном Кавка­зе и республиках Закавказья, на юге Украины и Сибири, в Молдавии. В Средней Азии продолжительность све­тового дня в июне достигает 16 ч, в декабре — 8—10 ч. Здесь в году 300 солнечных дней, продолжительность солнечного сияния 2500—3100 ч в год, а летом — 320—

И

400 ч в месяц. В районах, благоприятных для использо­вания солнечной энергии, проживает около 130 млн. че­ловек, в том числе более 60 млн. в сельской местности.

В центральной части СССР за летнее полугодие, ког­да теплопотребление минимально, на Землю поступает около 2/з всего годового количества солнечной энергии, а в июле приход солнечной энергии в 5—10 раз больше, чем в декабре.

В табл. П1 приведены данные по дневным потокам суммарной и рассеянной (диффузной) солнечной энер­гии, поступающим на горизонтальную поверхность в течение года в наиболее крупных городах Советского Со­юза. Там же указаны среднемесячные значения темпера­туры наружного воздуха в этих городах. Эти данные не­обходимы для выполнения расчетов солнечных устано­вок.

К солнечной энергии добавляются другие возобнов­ляемые источники энергии, среди которых наибольшим потенциалом для практического использования облада­ет энергия ветра и биомассы. Потенциальные ресурсы ветровой энергии в СССР составляют 8* 1012кВт-ч/год, а технически реализуемая мощность — 2-1010кВт. В СССР разработаны ветроэнергетические установки (ВЭ^) мощностью 30 и 100 кВт. За рубежом, например, в США, ФРГ, Швеции, Дании и др., эксплуатируется большое количество больших и малых ВЭУ. В США в 1986 г, суммарная мощность 30 тыс. ВЭУ составляла 1500 МВт, в том числе 7 ВЭУ имели мощность 25— 72 МВт, а'себестоимость электроэнергии от ВЭУ состав­ляет 0,03—0,06 долл/(кВт-ч).

Годовая продукция фотосинтеза, в результате кото­рого образуется биомасса, составляет 57-1012 кг угле­рода, при этом накопленная энергия биомассы в десятки раз превосходит годовую потребность человечества в энергии.