Индивидуальные солнечные установки

Глава первая

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

1. 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 76 000 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 2-10'° МПл (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 % этой энергии, т. е. 1,9*10²⁴ 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 l,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 Io у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную  перпендикулярно направлению солнечных лучей, составляет 1353 Вт/м2 и называется солнечной постоянной, а  среднее количество энергии, поступающей за 1 ч на 1 м2 этой поверхности, равно 4871 кДж/(ч-м-). 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 1/5 часть этой энергии, т.е. 2-10¹⁷ кВт-ч. (Заметим, что 1 кВт-ч = Зб00 кДж, а 1000 кДж=278.Вт-ч.) К этому добавляются энергия ветра (1,58-10¹⁶ кВт-ч в год с мощностью 1,8-10¹² 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 огромному 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 MДж/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/м- 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 λ от 0,2 до 0,4 мкм), видимый свет (λ 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 — от 0,3 до 0,5. В табл. 1 показано распределение среднемесячного дневного поступления солнечной энергии 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. веесенне-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 21.03 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 II Польша — 9.50—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—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 нейтральной части СССР за летнее полугодие,  когда теплопотребление минимально, на Землю поступает около 2/3 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 8-10¹² кВт-ч/год, а технически реализуемая мощность — 2-10¹⁰ кВт.

В СССР разработаны ветроэнергетические установки (ВЭУ) 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.