Солнечная энергия

Слияние атомов водорода и рождение атомов гелия, происходящее в недрах звезд из-за невероятно огромного давления, вызванного суперсилами гравитации, сопровождается сверхмощным выделением энергии. Идет термоядерная реакция и на ближайшей к нам звезде по имени Солнце.

Солнечная энергия (точнее — крохотная доля от всей, излученной Солнцем в пространство энергии) достигает Земли и обеспечивает существование жизни на нашей планете в том виде, в каком мы ее знаем.

Интенсивность излучения Солнца «на входе» в атмосферу Земли составляет 1,367 КВт/м².

Атмосфера планеты поглощает часть потока солнечной энергии. На разных широтах, в разное время года, в разное время суток, на разной высоте над уровнем моря и при различной облачности мощность солнечного изучения, приходящаяся на один квадратный метр поверхности перпендикулярной лучам составляет ~ от 0 КВт/м² до 1,0 КВт/м².

Почему солнечное излучение имеет различную интенсивность можно понять, рассмотрев рисунок ниже.

В различных условиях лучам Солнца приходится преодолевать до поверхности Земли через атмосферу разные расстояния! Чем длиннее путь лучей Солнца через атмосферу, тем больше поглощение, тем меньше энергии дойдет до поверхности, до точки А.

1,0 КВт/м² – это максимум интенсивности в ясную погоду на уровне моря в истинный астрономический полдень на экваторе в дни весеннего (~20 марта) и осеннего (~22 сентября) равноденствий!

Это означает, что никакое устройство, созданное человеком для преобразования солнечной энергии в тепловую или электрическую, имеющее рабочую площадь 1,0 м² никогда не выдаст мощность более 1,0 КВт!

В средних широтах России солнечная энергия имеет интенсивность потока летом в ясный полдень – до 0,8 КВт/м², зимой – всего лишь до 0,3 КВт/м².

По справочным таблицам (смотри ссылки в конце статьи) в среднем за год количество солнечной энергии, падающей на горизонтальную площадку площадью 1м²:

В Москве ~ 990 КВт*ч

В Омске ~ 1260 КВт*ч

В Улан-Удэ ~  1270 КВт*ч

На момент написания статьи, к примеру, в Омске цена 1 КВт*ч электроэнергии составляла 3,32 руб. для населения. Образно выражаясь, можно сказать, что Солнце «высыпает» в год в Омске на каждый квадратный метр 4183,20 руб. (11,46 руб. ежедневно) в переводе на стоимость электроэнергии.

Задача и проблема – собрать это богатство.

Солнечная электроэнергия.

Для преобразования энергии Солнца в электроэнергию на сегодняшний день наиболее эффективными являются кремниевые фотоэлектрические батареи. Но их КПД низок и по факту не превышает 14%.

Таким образом, панель площадью 1,0 м² способна выдать на широте Москвы максимальную мощность порядка 0,11 КВт. И не верьте недобросовестным продавцам, завышающим показатели мощности!

Низкий КПД по большому счету ни о чем не говорит (ездим же мы на автомобилях, двигатели которых имеют КПД=10%). Ставь панель большей площади – и всё. Однако высокая стоимость полного комплекта солнечной электростанции (с панелями, аккумуляторами, автоматикой, преобразователями  ~ 1100 $/КВт) продолжает являться в России сдерживающим широкое распространение солнечных панелей фактором. Конечно, в местах, где другим способом получить электроэнергию невозможно или очень сложно и дорого (космос, кемпинг, дом лесника, не электрифицированный поселок), солнечная электростанция является хорошим решением проблемы.

К 2030 году прогнозируемая мощность всех солнечных фотоэлектрических преобразователей в мире превысит 200 ГВт. При этом стоимость произведенной электрической энергии предполагается 0,10…0,15 $/КВт*ч.

Солнечная тепловая энергия.

Очень популярной последние десятилетия стала тема получения тепловой энергии для горячего водоснабжения и отопления помещений от Солнца. Сотни компаний по всему миру предлагают свои разработки солнечных коллекторов, тысячи энтузиастов изготавливают разнообразные варианты устройств в домашних мастерских.

Одними из перспективных на сегодняшний день, возможно, видятся вакуумированные трубчатые коллекторы, у которых КПД достигает 90% (по заявлениям производителей и продавцов). Холодный воздух вентилятором забирается из помещения и по теплоизолированной трубе поступает в коллектор. Нагретый  в результате теплообмена воздух возвращается по такой же трубе обратно в помещение. Солнечная энергия по очень простой и эффективной схеме преобразуется в тепловую! Установка не боится морозов, потому что замерзать в ней нечему.

Рассмотрим подробнее модель солнечного коллектора китайской компании ZN-ENERGY (www.pcmworld.com, подключисолнце.рф). Результаты практических испытаний любезно предоставил Алексей Пыкин из города Улан-Удэ.

Алексей установил наклонно с ориентацией на юг два коллектора марки ZN-20D58-1800 на крыше сарайчика, присоединил к ним подводящую и отводящую воздух трубы, включил в схему вентилятор, подключил прибор, записывающий температуры входящего в коллектор воздуха и выходящего и замерил скорость воздушного потока на выходе из отводящей трубы в помещение.

Габаритно-массовые параметры одного коллектора:

Высота – 2030 мм

Ширина – 1550 мм

Толщина – 180 мм

Масса – 95 кг.

Оба коллектора собраны из 20 стеклянных вакуумных трубок длиной 1800 мм.

Между наружной трубкой Ø57 мм и первой внутренней трубкой Ø47 мм откачан воздух и создан вакуум для обеспечения высокого уровня теплоизоляции.

Поверхность трубки Ø47 мм имеет черное покрытие с очень большим коэффициентом поглощения (>0,9) солнечной энергии. Именно эта поверхность, разогреваясь под лучами Солнца, отдает всю полученную энергию внутрь трубки Ø47 мм, проходящему через нее воздуху и аккумулятору тепла – РСМ-цилиндру! Передаче тепла наружу в окружающее пространство препятствует вакуум.

РСМ-цилиндр – это еще одна внутренняя трубка с веществом, накапливающим и затем отдающим тепло за счет фазового перехода из одного агрегатного состояния в другое. По-простому — это «высокоэффективные камни в печке в бане».

Теоретическая мощность установки.

1. Эффективная площадь поверхности двух коллекторов марки ZN-20D58-1800

A=0,047*1,8*20*2=3,384 м²

Те, кто считают площадь иначе, как поверхность полуцилиндра, или лукавят, или заблуждаются. В подтверждение своей правоты кроме здравого смысла в понимании процесса могу добавить, что известная компания Viessmann (Германия) площадь своих коллекторов на трубках считает по вышеприведенной формуле.

2. Максимальный заявляемый разработчиками коэффициент полезного действия коллекторов

КПД=0,9

3. Максимальная интенсивность потока в июне-июле в ясный полдень на широте г. Улан-Удэ

I_e=0,8 КВт/м²

4. Максимальная мощность, которую могут развить два коллектора, установленные плоскостями перпендикулярно лучам Солнца

N_Σтеор= I_e*A*КПД=0,8*3,384*0,9=2,436 КВт

5. Максимальная мощность, которую может развить одна трубка

N_1теор= N_Σтеор /40=2,436/40=0,061 КВт

Практическая мощность установки.

Выполним расчет в Excel мощности установки по исходным данным, присланным Алексеем.

О цветах ячеек листа Excel, применяемых в статьях этого блога, можно посмотреть на странице «О блоге».

Расчет в Excel выполняется по следующим формулам:

7. V=π*D²/4*v_ср

8. G=V*ρ

9. N=G*c*(t₂-t₁)

11. Q=N*τ

12. m_д=Q/q_д

Выводы.

Установка Алексея в июньский солнечный полдень забирает из помещения воздух температурой 25 °С и, прогоняя его через два коллектора, выдает обратно в помещение нагретым до 138 °С!

Рассчитанная через количество нагретого воздуха мощность, достигаемая в этот момент времени – 2,307 КВт. Это 95% от рассчитанной теоретической мощности.

В нижней части таблицы можно определить количество тепловой энергии, которое выработает установка за заданное время, работая с вычисленной мощностью.

В самом низу таблицы я привел  для справки расчет массы дров, которую необходимо сжечь для получения такого же количества энергии.

Для расчета суточного производства тепловой энергии следует проинтегрировать функцию мощности по времени.

Q=∫N(τ) dτ

О том, как это делать рассказано в предыдущей статье на блоге.

Итоги.

В этой небольшой обзорной статье не ставилась цель подробно расписать все возможные варианты преобразования солнечной энергии в другие виды. Тем более не хотелось углубляться в разнообразие теплофизических аспектов и конструктивных решений конкретных моделей солнечных панелей и коллекторов. Совсем не был затронут вопрос углов установки панелей и коллекторов…

Главное, что хотелось донести:

1. Более 1,0 КВт мощности с панели или коллектора с рабочей площадью 1,0 м² не «снять»!

2. Более 0,14 КВт современная фотоэлектрическая батарея площадью 1,0 м² пока не вырабатывает!

3. Более 0,9 КВт солнечный коллектор с рабочей площадью 1,0 м² выдать сегодня не может и не сможет, наверное, никогда, если на Солнце что-нибудь не случиться! А если случится, то нам уже эта энергия не понадобится…

4. РСМ-цилиндры накапливают тепло, которое не смог забрать продуваемый воздух и отдают его воздуху в моменты закрытия Солнца облаками и перед закатом. Увеличить мощность РСМ-цилиндры не могут!!! Они, как ресиверы в системах сжатого воздуха, сглаживают колебания выходной мощности и не более того.

5. Если (с поправкой на оптимальный угол установки коллекторов) за год в г. Омске поступает от Солнца ~1500 КВт*ч/м², то установка из двух коллекторов, рассмотренная в примере, сможет выдать тепловой энергии около 4 300 КВт*ч.

В переводе на стоимость электроэнергии мы получим в год тепловой энергии на 14276 руб. Комплект коллекторов стоит около 120000 руб. Срок окупаемости более 8 лет…

В переводе на стоимость дров (1,50 руб./кг или 1000 руб./м³) мы получим в год тепловой энергии на ~3000 руб. (если принять КПД печи равным 50%). Срок окупаемости – 40 лет!

И это еще без учета затрат электроэнергии на вентилятор!

Не знаю, сколько прослужат коллектора, но жизненный опыт подсказывает, что град размером с куриное яйцо бывает у нас каждые 3…5 лет…

Однако, стоит отметить, что солнечная энергия – экологически чистый вид энергии. Расширяя ее применение, мы сохраняем нашу среду обитания. И стоит помнить, что расходуя всего 1 КВт*ч энергии, можно испечь 100 булок хлеба или выткать 10 м² ткани!

В заключении приведу несколько ссылок на качественные и просто интересные материалы по затронутой тематике:

http://renevita.com.ua/concepts.html

http://www.newpolus.ru/comparison.html

http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pv2014_04_1/pdf/111bastron.pdf

http://solar-cell-tech.blogspot.ru/2013/10/2.html

http://www.solbat.su/meteorology/insolation/

http://aepower.ru/knowledge-base/9/

http://house4u.com.ua/forum/threads/prostoj-solnechnyj-kollektor-na-vakuumnyx-trubkax.119

Ссылка на скачивание файла: solnechnaya-energiya (xls 20,5KB).

Не стесняйтесь высказать свое мнение!

Другие статьи автора блога

На главную