Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика

Подождите немного. Документ загружается.

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⋅10

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 (Германия, 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.

Таблица 1.3 Площадь стран мира, необходимая для установки СЭС

с годовой выработкой, равной 20% от общего годового потребления

электроэнергии при КПД СЭУ в 10 % ( % от суммарной площади стран)

Страна % Страна % Страна %

Австралия 0,000 США 0,3 Япония 1,2

Россия 0,032 Франция 0,6 Англия 2,0

Канада 0,04 Италия 0,8 Германия 2,4

Швеция 0,3 Дания 1,0 Голландия 4,0

Весьма хорошие перспективы солнечной энергетики с

представленной выше точки зрения и в России. Например, в 2005 г в

России было выработано около 945⋅10

кВт⋅ч электроэнергии при

населении в 146 млн. человек и территории около 15 млн.км

или 6472

кВт⋅ч/чел⋅год. Если принять, что СЭС будут вырабатывать в будущем

около 20% указанной выработки электроэнергии или около 189⋅10

кВт⋅ч

при КПД СФЭУ в 10% и валовых удельных ресурсах в

0,471⋅10

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. CB 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 м

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 ϕ

и ψ

, 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.

1.2 Основные и дополнительные факторы и их влияние на приход СИ

на произвольно-ориентированную приемную площадку в точке А (ϕ

, ψ

)

на Земле и в космосе

Солнечная энергия распространяется в космосе в виде так

называемого прямого направленного потока СИ, характеризующегося

собой в виде прямой линии, связывающей собой Солнце (источник СИ) и

приемную площадку СИ. В виду наличия атмосферы и подстилающей

поверхности Земли на произвольно-ориентированную приемную площадку

СИ поступает уже в виде трех потоков солнечной энергии: прямая R

пр

(t),

диффузная или рассеянная R

(t) и отраженная R

от

(t) от поверхности Земли

(см. рис.1.4), т.е. суммарный поток СИ на приемную площадку R

∑

(t) на

поверхности Земли будет в каждый момент времени t складываться как:

∑

(t) = R

пр

(t) + R

от

(t). (1.3)

В (1.3) R

пр

(t) – прямое СИ, реализуемое в виде направленного потока

СИ вдоль прямой линии, связывающей собой Солнце и приемную

площадку СИ на земле; R

(t) – диффузное СИ, реализуемое за счет

направленного СИ, рассеянного в атмосфере земли облаками, а

аэрозолями, пылью и т.д.; R

от

(t) – отраженная от поверхности земли часть

направленного СИ.

Рисунок 1.4 Основные составляющие солнечного излучения на

поверхности Земли: 1- Солнце, 2 –поверхность Земли, 3 – приемная

площадка, 4 – облака, аэрозоли, пыль

Если для приемной площадки в космосе R

∑

(t) определяются только

за счет направленного СИ (т.е. R

пр

(t)), то на поверхности Земли R

∑

(t)

зависит от многих факторов, и, в первую очередь, от геометрического

расположения приемной площадки относительно Солнца. Для пояснения

сказанного на рис.1.5 представлена произвольно-ориентированная

наклоненная к югу плоская приемная площадка, расположенная на

поверхности земли в точке А с координатами ϕ

, град. сев. широты; ψ

град. – восточной долготы. Основные обозначения на рис.1.5: S -

горизонтальная площадка на земле с точкой А(ϕ

, ψ

), где расположена

произвольно-ориентированная плоская приемная площадка F, наклоненная

Rпр

Rд

Rот

к Югу под углом β

, ОО – линия пересечения плоскостей F и S; AD∈S и

AD⊥OO; AС∈F и AC⊥OO; AE⊥F; AB∈S; G – солнце; AН∈S и АН является

проекцией AG на S.

Рисунок 1.5 Геометрия приемной площадке на Земле и Солнца

Соответственно определяются следующие характерные углы для

приемной площадки F по отношению к R

пр

(t): ϑ

– угол падения солнца,

равный углу между GA и перпендикуляром к F, т.е. угол между

направлением на Юг и перпендикуляром AD к ОО (γ

=0 для площадки,

ориентированной строго на Юг; γ

<0, т.е. -90

≤γ

<0) для площадки,

ориентированной к западу; α

– высота солнца над горизонтом или угол

между направлением GA и его проекцией на плоскость (т.е. НА); а

–

азимут солнца или угол между направлением на Юг и проекцией GA и

плоскостью S (т.е. НА); знаки а

и γ

совпадают между собой.

Соотношение между ϑ

и ϑ

для горизонтальной (β

=0) и

наклоненной приемной площадки (β

>0) показано на рис.1.6. Очевидно,

для случая, когда β

=0 углы ϑ

и ϑ

совпадают между собой, т.е. ϑ

≡ ϑ

На рис.1.6 принято, что высота Солнца в случае а) и б) одинаковы, т.е.

=α

. Однако, количество солнечной энергии, количество солнечной

энергии, поступающей на приемную площадку R(t), определяемое

соотношением

R(t)=R

пр

(t)⋅cosϑ

(t) (1.4)

будет различным. Очевидно, что для случая б) значение R(t) будет

больше, чем для случая а). В целом можно констатировать то, что приход

прямого СИ на приемную площадку во-многом определяется значением

(t).

а) б)

Рисунок 1.6 Соотношение ϑ

и ϑ

для горизонтальной

а) и наклонной б) приемной площадки

Последнее для любого момента времени t теоретически можно

определить для условий равномерного движения Земли по орбите вокруг

Солнца и вокруг земной оси приемной площадки в точке А(ϕ

,ψ

имеющей β

≠0 и γ

≠0 и постоянными в данный момент времени и за

расчетный период T=t

-t

(т.е. (β

(t)= β

; γ

(t)≠ γ)

cosϑ

(t) = sinβ

⋅[cosδ

(t)⋅{sinϕ

⋅ cosγ

⋅cosω

(t)+ sinγ

⋅sinω

(t)}- (1.5)

- sinδ

(t)⋅cosϕ

⋅

cosγ

cosβ

⋅[cosδ

(t)⋅cosϕ

⋅

cosω(t)+sinδ

(t)⋅ sinϕ

Уравнение (1.5) с помощью некоторых тригонометрических

преобразований можно представить в следующем виде:

cosϑ

(t)=(А-В)⋅sinδ

(t)+[С⋅ sinω

(t)+(D-E)⋅ cosω

(t)]⋅cosδ(t), (1.6)

где А= sinϕ

⋅ cosβ

; B= cosϕ

⋅ sinβ

⋅ cosγ

; С= sinβ

⋅ sinγ

; D= cosϕ

⋅

cosβ

; E= sinϕ

⋅ sinβ

⋅ cosγ

Для некоторых характерных случаев расположения приемной

площадки по отношению к солнцу уравнения (1.5) и (1.6) можно

преобразовать к следующему более простому виду.

Горизонтальная приемная площадка, т.е. β

=0:

cosϑ

(t)≡ cosϑ

(t)= cosω

(t)⋅ cosϕ

⋅cosδ

(t)+ sinϕ

⋅ sinδ

(t). (1.7)

Перпендикулярная к поверхности Земли приемная площадка, т.е.

=90

cosϑ

(t) = cosδ

(t)⋅{sinϕ

⋅ cosγ

⋅cosω

(t)+ sinγ

⋅sinω

(t)}- (1.8)

- sinδ

(t)⋅cosϕ

⋅

cosγ

Наклоненная строго к югу приемная площадка, т.е. β

>0 и γ

≡0:

cosϑ

(t) = sin(ϕ

-β

)

⋅ sinδ

(t) +cos(ϕ

-β

)⋅ cosδ

(t)⋅ cosω

(t) (1.9)

Во всех представленных выше формулах для расчета ϑ

(t)

присутствуют еще два характерных параметра: δ

(t) – склонение Солнца и

(t) – часовой угол Солнце.

Рассмотрим особенности методов расчета этих параметров, которые

также сильно влияют на приход СИ на приемную площадку на Земле и

определяются взаимным расположением Земли по отношению к Солнцу в

каждый текущий момент времени t или интервал времени ∆t нахождения

Земли на небесной орбите.

На рис. 1.7 представлена схема вращения Земли вокруг Солнца в

течение года, а на рис.1.8 схема освещенности поверхности Земли Солнцем

в разные характерные сутки года.

Рисунок 1.7 Схема вращения Земли вокруг Солнца. Средняя линия на

поверхности Земли – экватор

Рисунок 1.8 Схема освещения поверхности Земли солнечным

излучением в различные времена года. Отмечены широты 0

; ±23,45

;

±66,55

. Видно, как меняется склонение δ. Стрелками обозначен поток

солнечного излучения

Известно, что Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической

орбите с эксцентриситетом a=0,033. При этом направление наклона

условной земной оси вращения остается фиксированным в пространстве

под углом 23

27’=23,45

к нормали к плоскости обращения Земли вокруг

Солнца (см. рис.1.8). В этом случае, угол между прямым направлением к

Солнцу и плоскостью экватора Земли (или экваториальной плоскостью)

называется склонением Солнца. Численно он равен углу между нормалью

к плоскости вращения Земли вокруг Солнца и направлением оси

вращением Земли (см. рис. 1.8). В северном полушарии угол δ

плавно

меняется в течение года от - 23

27’ для 21 декабря до + 23

27’ для 21 июня

и равен нулю 21 сентября и 21 марта в дни солнцестояния (максимальное

по модулю значение δ

(t)

обозначается обычно через δ

и равно 23,45

Значение δ

(t)

для каждых суток года с текущим номером n

=1 для 1.01;