Изучение солнечных фотоэлектрических элементов

Солнечное излучение

Количество энергии, попадающей на земную поверхность от Солнца, огромно. Так, например, мощность потока солнечной радиации, поступающей на площадь 10 км², в безоблачный день достигает 7-9 миллионов кВт. Эта величина превышает мощность Красноярской ГЭС [1].

Солнечные энергетические технологии превращают электро­магнитное излучение Солнца в формы тепла и электроэнергии. Существуют три основных технологии использования солнечной энергии:

• Солнечные коллекторы для нагрева жидкого или газообраз­ного теплоносителя.
• Технология концентрированной солнечной энергии, в кото­рой солнечное тепло используется для получения пара, с помощью которого турбины вырабатывают электроэнергию (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Установка концентрированной солнечной энергии

• Фотоэлектрические технологии, позволяющие напрямую преобразовывать солнечное излучение в электричество.

Сегодня солнечное электричество широко используется в уда­ленных районах, где нет централизованного электроснабжения, или для электроснабжения домов, офисов и других зданий в ме­стах, где есть централизованная сеть электроснабжения. В по­следние годы именно это применение обеспечивает около 90% рынка солнечных панелей. В подавляющем большинстве случаев солнечные панели работают параллельно с сетью и генерируют экологически чистое электричество для сетей централизованного электроснабжения. Во многих странах существуют специальные механизмы поддержки солнечной энергетики, например, специ­альные повышенные тарифы для поставки электроэнергии от солнечных панелей в сеть, налоговые льготы, льготы при получе­нии кредитов на покупку оборудования и т.п. На этапе становле­ния фотоэнергетики такие механизмы действовали в Европе, США, Японии, Китае, Индии и других странах. К сожалению, Россия в этом отношении отстала, и реально действующих меха­низмов поддержки возобновляемой энергетики нет. В настоящее время солнечная энергетика обеспечивает немногим более 1% ге­нерации электричества в мире. Однако, в ряде европейских стран эта доля существенно выше. Так, например, в Германии эта циф­ра составляет около 6% .

Интенсивность солнечного света, которая достигает Земли, меняется в зависимости от времени суток, года, местоположения и погодных условий. Общее количество энергии, подсчитанное за день или за год, называется иррадиацией (или «приход солнечной радиации») и показывает, насколько мощным было солнечное из­лучение. Иррадиация измеряется в [Вт ч/м²] в день или за другой период.

Интенсивность солнечного излучения в свободном простран­стве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина 1353 Вт/м². При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном, из-за поглощения инфракрасного излу­чения парами воды, ультрафиолетового - озоном, и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показа­тель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излуче­ния, доходящего до земной поверхности, называется «воздушной массой» (AM).

На рисунке 1.2 показано спектральное распределение интен­сивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМО) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), то есть при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется рас­пределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спек­тральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените, и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излуче­ния составляет порядка 925 и 691 Вт/м². Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излу­чения при АМ1.5 (Солнце находится под углом 45° к горизонту) [3].

Около поверхности Земли можно принять среднюю величину интенсивности солнечной радиации 635 Вт/м², в очень ясный солнечный день эта величина колеблется от 950 Вт/м² до 1220 Вт/м², а среднее значение составляет примерно 1000 Вт/м² [3].

Пример 1.1. Интенсивность полного излучения в Цюрихе (47°30' с. ш., 400 м над уровнем моря) на поверхности, перпенди­кулярной излучению: 1 мая 12 ч. 00 мин. - 1080 Вт/м²; 21 декабря 12 ч. 00 мин. - 930 Вт/м² [4].

Для упрощения вычисления по приходу солнечной энергии его обычно выражают в часах солнечного сияния с интенсивно­стью 1000 Вт/м². То есть 1 час соответствует приходу солнечной радиации в 1000 Вт ч/м². Это примерно соответствует периоду, когда солнце светит летом в середине солнечного безоблачного дня на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам.

Иррадиация меняется в течение дня и от места к месту, осо­бенно в горных районах. Она меняется в среднем от 1000 кВт ч/м² в год для северо-европейских стран до 2000-2500 кВт ч/м² в год для пустынь. Погодные условия и склонение солн­ца (которое зависит от широты местности) также приводят к раз­личиям в приходе солнечной радиации.

Пример 1.2. Яркое солнце светит с интенсивностью 1000 Вт/м² на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. За 1 час на 1 м² падает 1 кВт ч энергии. Аналогично, средний приход солнечной радиации в 5 кВт ч/м² в течение дня соответствует 5 пиковым часам солнечного сияния в день. Не путайте пиковые часы с реальной длительностью светового дня. За свето­вой день солнце светит с разной интенсивностью, но в сумме дает такое же количество энергии, как если бы оно светило 5 часов с максимальной интенсивностью. Именно пиковые часы солнечно­го сияния используются в расчетах солнечных энергетических установок.

В России, вопреки распространенному мнению, очень много мест, где выгодно преобразовывать солнечную энергию в элек­троэнергию при помощи солнечных батарей. На рисунке 1.3 при­ведена карта ресурсов солнечной энергии в России [4,5].

На большей части России можно успешно использовать сол­нечные панели в сезонном режиме, а в районах с числом часов солнечного сияния более 2000 ч/год - круглый год. Естественно, в зимний период выработка энергии солнечными панелями суще­ственно снижается, но все равно стоимость электроэнергии от солнечной электростанции остается намного ниже, чем от ди­зельного или бензинового генератора.

Потенциал солнечной энергии наиболее велик на юго-западе (Северный Кавказ, район Черного и Каспийского морей, Крым) и на Дальнем Востоке. Значительными ресурсами обладают Калмы­кия, Ставропольский край, Ростовская область, Краснодарский край, Волгоградская область, Астраханская область и другие ре­гионы на юго-западе, а также Алтай, Приморье, Читинская об­ласть, Бурятия и другие регионы на юго-востоке. В некоторых районах Западной и Восточной Сибири и Дальнего Востока годо­вая солнечная иррадиация составляет 1300 кВтч/м², превосходя значения южных регионов России. Например, в Иркутске (52° с.ш.) количество солнечной энергии достигает 1340 кВтч/м² в год, а в Республике Якутия-Саха(62° с.ш.) -1290 кВт-ч/м² [5].

Продолжительность солнечного сияния: I | менее 1700 часов в год I 1 от 1700 до 2000 часов в год | более 2000 часов в год

Особенно выгодно применение солнечных батарей там, где нет централизованных электрических сетей, и энергообеспечение про­исходит за счет дизель-генераторов. А таких районов в России очень много. Более того, даже там, где сети есть, использование работающих параллельно с сетью солнечных панелей позволяет значительно снизить расходы на электроэнергию.