СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Земля и солнце. Источники СИ и его особенности. Основные понятия и определения

Солнечная энергетика - это отрасль науки и техники, разрабатывающая научные основы, методы и технические средства использования энергии солнечного излучения на Земле и в космосе для получения электрической, тепловой или других видов энергии и определяющая области и масштабы эффективного использования энергии Солнца в экономике страны.

Источник СИ - Солнце, которое имеет примерный радиус в 695300 км и массы около 2 • 1030 кг. Температура поверхности Солнца - около 6000°

С, внутри Солнца - около 400000000 С. В течение года Солнце излучает в космическое пространство около 1,3 • 1024 Кал. Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите с эксцентриситетом. При этом ее ось вращения постоянно наклонена к плоскости ее вращения вокруг Солнца на 66033' или 66055 Расстояние от Земли до Солнца меняется в пределах от 147 до 152 млн. км (в среднем - 149, 6 млн. км). При этом когда Земля находится на участке эллипса, расположенном ближе к Солнцу, то она движется быстрее (около 30,3 км/с). В противоположном случае - медленнее (около 29, 3 км/с). Из-за этого продолжительность истинных солнечных суток на Земле постоянно меняется. Самые длинные дни - 23 декабря, когда они, например на 51 секунду длиннее, чем 16 сентября, когда они самые короткие. При этом принято называть истинными солнечными сутками промежуток времени между двумя верхними положениями центра солнечного диска в смежные земные сутки. Это означает, что если бы на Земле учитывали указанные особенности движения Земли относительно Солнца, то пришлось бы ежедневно менять настройку часов, которые должны идти то медленнее, то быстрее.

Поэтому на Земле сегодня понятие так называемых средних солнечных суток, продолжительность их всегда одинакова и равна 24 часам. Время, измеряемое по так называемому среднему Солнцу, называется средним солнечным временем, а - по истинному Солнцу - истинным солнечным временем. Разность между ними называется уравнением времени. Значение последнего на каждый день дается в астрономических календарях и ежегодниках. Приближенный график изменения уравнения времени представлен на рисунке 1.1. Представленная на нем кривая показывает среднее время в истинный полдень (максимум высоты центра Солнца над горизонтом).

Истинное и среднее время равны между собой 15.04, 14.06, 1.06 24.12 каждого года. Максимум уравнения времени имеет место 11.02 (+14'22"), минимум - 2.11 (-16'24"). Угловой размер Земли по отношению к Солнцу - 32'. Радиус Земли составляет около 6378 км. Масса Солнца примерно в 333000 раз превышает массу Земли, а его объем в 1,3- 106 раз превышает объем Земли. Солнце излучает в каждый момент времени в космосе около

23 9

4 10 кВт, из которых на Землю приходит всего около 0,25 10 всего

Объема излучения Солнца. Продолжительность жизни Солнца - несколько миллиардов лет, что позволяет сегодня считать его вечным самым мощным источником энергии на Земле.

На всю поверхность Земли приходится около (0,85 - 1,2) -1014 кВт или

17

(7,5 - 10) -10 кВт - ч/год при среднем удельном поступлении СИ 200 - 250 Вт/м2 или 1752-2190 кВт - ч/м2 - год. При этом диапазон удельного прихода СИ на Землю меняется весьма значительно, как во времени, так и по ее территории: (170-1000) Вт/м2 или (17 - 100) -104 кВт-ч/км2. Приход всех прочих видов энергии составляет всего 19 кВт/км, что говорит об огромных возможностях СИ на Землю.

Если принять, что мощность всех видов энергоустановок на Земле составляет сегодня около 10 ТВт или 10 -109 кВт, то мощность СИ превышает современные потребности человечества в тысячи раз.

Внутри Солнца постоянно происходят реакции ядерного синтеза. В активном ядре Солнца температура достигает до 10 градусов Кельвина. Спектральное излучение потока излучения из ядра - неравномерно. Указанное излучение ядра Солнца поглощается внешними относительно неактивными слоями, нагретыми до 58000 К. В результате этого спектральное распределение излучения Солнца становится относительно непрерывным. Каждую секунду Солнце выбрасывает в среднем 4 - 109 кг материи, которая превращается в энергию, излучаемую в космосе в виде электромагнитных волн. Таким образом, физической основой СИ на Земле является процесс переноса энергии при распространении электромагнитных волн в прозрачной среде. По квантовой теории электромагнитые волны - это поток фотонов или элементарных частиц с нулевой массой покоя и распространяющихся со скоростью света в вакууме.

1 21 В космосе через 1 м за 1 с проходит 4 • 10 фотонов, энергия которых

(Эф) можно определить по формуле

Эф = h-X, (1.1)

Где h=6,626176 -10"34 Дж • с - постоянная Планка, а X - частота электромагнитных волн, обратно пропорциональная их длине в микрометрах.

На рис. 1.2 представлен спектр СИ за пределами атмосферы в космосе, приходящееся на 1 м2 приемной площадки, перпендикулярной СИ, а в таблице 1.1 числовые значения указанной кривой. Там же представлено и аналогичное указанной кривой спектральное распределение энергии или теоретическое распределение излучения черного тела при температуре 5630,70К и в 60000К, которые почти полностью соответствуют там же представленному спектральному распределению СИ - ех(Х).

Площадь всей фигуры под графиком ех(Х) называется солнечной

Постоянной ео (Вт/ м ) и определяется по формуле

¥

Ео=J ex(1)dx = const (1.2)

O

По международному соглашению 1981 г в качестве ео в расчетах

22 рекомендовалось принимать ео =1370 Вт/м =1,96 кал/мин • см. В России в

Различных источниках рекомендуется принимать ео в диапазоне от 1350 до

1360 Вт/м. Подобное обстоятельство практически постоянного прихода

СИ в космосе на приемную площадку играет огромную роль для

Космической солнечной энергетики. Космический аппарат, запущенный в

Космос будет иметь постоянный, практически не меняющийся приход

ССИ в случае ориентации приемной площадки перпендикулярно к

Направлению на Солнце.

Спектр солнечного излучения на поверхности Земли очень существенно отличается от представленного на рис.1.2 в меньшую сторону

И зависит от многого числа, влияющих факторов, что подробно будет рассмотрено ниже.

Значение ео в действительности меняется в течение года: на ±1,5% из-за изменения потока СИ во времени; на ±4% из-за изменения расстояния между Землей и Солнцем в течение года. Ориентировочный характер изменения ео(1) в течение года показан на рис.1.3.

Ео, Вт/м2

1400 1390 1380 1370 1360 1350 1340 1330 1320 1310 1300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Месяцы

Рисунок 1.3 Изменение ео в течение года

Кроме того, СИ меняется и по годам из-за изменения интенсивности СИ по так называемым многолетним годовым циклам солнечной активности. Из них наиболее известен цикл Вольфа, равный 11 годам. Из
сказанного следует, что для получения достаточно доверительных результатов гидроэнергетических расчетов требуется наличие длительных периодов наблюдений за СИ - не менее 25-50 лет в зависимости от вида самих расчетов (см. выше).

С другой стороны сам спектр СИ (см. рис.1.2) можно разделить по длине электромагнитных волна три основные области или зоны, что является весьма важным при оценке эффективности конкретных СФЭУ:

- область ультрафиолетового СИ при 0<1<0,4 мкм, занимающая около 9% всей ео;

- область видимого СИ при 0,4<1<0,7 мкм, занимающая около 45% всей ео;

- область инфракрасного теплового излучения при 1>0,7 мкм, занимающая около 46% всей ео.

При этом доля СИ для 1>2,5 мкм практически очень мала. Считается, что обычно используемая в солнечной энергетике зона ео ограничивается длиной волн 1 до 2,4 мкм (95% ео).

В солнечной энергетике принято выделять три основных понятия или показателя, представленных ниже в таблице 1.2: поток или энергия СИ за заданный интервал времени; мощность или интенсивность потока СИ; продолжительность солнечного сияния за заданный интервал времени. В таблице 1.2 приведены также и разные обозначения, используемые разными авторами сегодня в солнечной энергетике. Последние объясняются в России и отсутствием сегодня соответствующего ГОСТ-а.

Величина Тсс, ч в таблице 1.2 характеризует собой то время, в течение которого середина солнечного дня находится над горизонтом в данной точке поверхности земли.

При прохождении СИ через земную атмосферу одновременно происходят три процесса. Отражение СИ обратно в космос (около 34%), которое не зависит от длины волны СИ. Большая часть СИ отражается облаками и самой атмосферой Земли. Поглощение СИ атмосферой (около 19%), когда энергия СИ переходит в тепло (инфракрасное излучение), излучаемое обратно в космос. Пропускание СИ на поверхность Земли (около 47%); около 20% его отражается от поверхности земли и в виде инфракрасного излучения уходит обратно в космос; только 27% всего СИ, поступающего на землю из космоса, преобразуется в энергию, которая идет на испарение и нагрев воды, нагрев атмосферы, образование ветров, волн, течений и т. д.

В целом, когда в процессе прихода и ухода преобразованного СИ на

Земле существует баланс, климат Земли не меняется. В случае его нарушения происходит изменение климата на Земле.

СИ на Земле обладает целым рядом особенностей.

В том числе:

1. СИ - это практически неиссякаемый источник возобновляемой энергии на Земле, во много раз превосходящий ресурсы всех других источников энергии на Земле.

По оценкам Минтопэнерго России, сделанным в 1994 г. валовые ресурсы СИ в России равны 7,07 -106 тВт • ч/год; технические - 7070 тВт-ч/год (0,1% от валовых) и экономические - 35,5 тВт-ч/год (0,5% технических). В современных условиях развития рыночных отношений в стране, росте стоимости невозобновляемого ископаемого топлива и росте значимости социально-экологических факторов, эффективность солнечной энергетики неизмеримо возрастает. В том числе и с учетом вступления страны в ВТО, что приведет неизбежно к росту стоимости 1 кВт ч на традиционных видах электростанций и, как следствие, росту доли экономического потенциала солнечной энергетике в стране. Последнее уже наблюдается в ряде развитых стран "восьмерки" в мире (Г ермания, Япония, США и т. д.). В целом, если учесть реальные ресурсы СИ в разных странах мира и предположить, что солнечная энергетика будет составлять в них около 20% от всей годовой выработки в них, то в таблице 1.3 представлены ориентировочные значения площади СЭИ в % от общей территории стран, которые потребуются для обеспечения указанного количества энергии. Данные, представленные в таблице 1.3 говорят о том, что реализация подобных проектов вполне возможна в перспективе.

Весьма хорошие перспективы солнечной энергетики с представленной выше точки зрения и в России. Например, в 2005 г в России было выработано около 945 • 109 кВт • ч электроэнергии при населении в 146 млн. человек и территории около 15 млн. км2 или 6472 кВт ч/чел • год. Если принять, что СЭС будут вырабатывать в будущем около 20% указанной выработки электроэнергии или около 189 • 109 кВт • ч при КПД СФЭУ в 10% и валовых удельных ресурсах в

9 2

0, 47110 кВт • ч/км • год, то для получения подобной выработки теоретически требуется около 4752 км (69 км • 69 км) или всего 0,0315 % от общей территории страны. Учитывая огромные неосвоенные территории России, подобное техническое решение вполне приемлемо, даже если указанная требующаяся площадь СЭС будет несколько увеличена с учетом естественного не полного использования всей указанной площади СФЭУ. Естественно, что подобный мегаполис, учитывая циклический характер поступления СИ на Землю, должен быть оснащен и устройствами для аккумуляции и перераспределения солнечной энергии во времени с целью удовлетворения переменных во времени графиков нагрузки энергосистем в стране. Если подобный мегаполис соорудить в Сибири, то реальными аккумуляторами энергии могут служить водохранилища мощных сибирских ГЭС, работающих параллельно с указанными и СЭС. В том

Числе и с мощными ГАЭС или ГЭС-ГАЭС в каскаде сомкнутых высоконапорных ГЭС. Другим перспективным вариантом

Перераспределения солнечной энергии во времени может служить водородная энергетика, реализуемая также на базе больших водохранилищ Сибирских высоконапорных ГЭС.

2. Солнечное излучение на Земле достаточно хорошо изучено для климатологических расчетов, но недостаточно - для ряда энергетических расчетов. Особенно это касается расчетов по созданию систем энергоснабжения на базе СЭУ для автономных потребителей, а также небольШиХ локальных энергосистем.

3. СВ относительно безопасно преобразуется в другие виды энергии

4. В процессе изменения СИ на Земле во времени и пространстве есть закономерные и случайные составляющие, что значительно затрудняет получение достоверных данных по СИ на Земле для энергетических расчетов из-за относительно коротких рядов наблюдений за СИ на Земле, а также ограниченности стационарных точек наблюдения за СИ в России.

5. СИ на поверхности Земли - рассеянная энергия, которая во-много

Раз меньше, чем подобная удельная энергия на 1 м2 полезной площади в традиционных ТЭС и, тем более АЭС. Для создания моЩнЫх системных СЭС, в связи с этим, требуются площади больше, чем для ТЭС и АЭС аналогичной мощности. С другой стороны на СИ на Земле влияет огромное количество разнообразных факторов, что затрудняет получение достоверной информации для энергетических расчетов в солнечной энергетике. В том числе: температура окружающей среды в

Рассматриваемой точке А с координатами р0 и ц0, облака, аэрозоли, озон, пары, турбулентность атмосферы и т. д., а также размещение ПП на Земле, ее ориентация на Солнце, вид технической схемы СЭУ и т. д. и т. п.

Все сказанное выше, а также ряд других положений позволяет сделать вывод о том, что для энергетических расчетов необходимы длинные ряды наблюдений за Солнцем, с одной стороны, и необходимо знать строение и особенности земной атмосферы, которую изучает метеорология (meteoros - поднятый вверх или небесный) со своим информационным и методическим обеспечением в каждой стране мира.