3 Солнечная энергетика

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса. При нулевой воздушной массе интенсивность излучения равна Е_С = 1360 Вт/м². Величина АМ =1 соответствует прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любого уровня земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле:

,

(3.1)

где – атмосферное давление, Па;

– нормальное атмосферное давление (1,013·10⁵ Па);

– угол высоты Солнца над горизонтом.

Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ 1,5 ( =42º). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной плотности солнечного излучения Е_С = 835 Вт/м², что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследований различных солнечных элементов. На рисунке 3.1 приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ 0) и наземного стандартизованного (АМ 1,5) солнечного излучения при перпендикулярном падении лучей на приемную площадку.

Энергия фотонов, (эВ) в излучении с длиной волны λ определяется из соотношения

,

(3.2)

где h – постоянная Планка, 6,626196(50)·10^-34 Дж·с;

c – скорость света, 2,9979250(10)·10⁸ м/с;

λ – длина волны, мкм.

1 – внеатмосферное излучение (АМ 0); 2 – наземное стандартизованное излучение (АМ 1,5); 3 – спектр излучения абсолютно черного тела при Т_C = 5800 К. Заштрихована доля полезно используемых фотонов.

Рисунок 3.1 – Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения

Считается, что до 15% солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, может быть использовано для обеспечения жизнедеятельности человечества. Эта доля равна 63 000 миллиардов МВтч в год или 7700 миллиардов тонн условного топлива

Существует два основных способа использования солнечной энергии:

• непосредственное преобразование в электрическую энергию .

• непосредственное преобразование солнечной энергии в низко потенциальную тепловую энергию.

1. Гелиоэнергетический потенциал Украины

Уровень поступления солнечной радиации на Украине достаточно высокий, составляет 3.46 миллиардов мегаватт-часов в год. Наибольшее число часов солнечного сияния 2300÷2400 часов в год наблюдается в Крыму и на побережье Черного и Азовского морей. В степной зоне Украины длительность солнечного сияния составляет 2000÷2200 часов. В направлении полесья и на востоке страны длительность солнечного сияния уменьшается до 1740÷1840 часов, в низинах закарпатской области число часов солнечного сияния достигает 2025 часов в год. Наиболее солнечные месяцы - с мая по август, наименее солнечные - с ноября по февраль.

Среднегодовое количество суммарной солнечной радиации, которая поступает на 1 м² поверхности, на территории Украины находится в границах: от 1070 квтч/м² в северной части Украины до 1400 квтч/м² и выше в АР Крым. Потенциал солнечной энергии в Украине есть достаточно высоким для широкого внедрения как теплоэнергетического, так и фотоэнергетического оснащения практически во всех областях (рис. 3.2). Время эффективной эксплуатации гелиоэнергетичес-кого оборудования в южных областях Украины - 7 месяцев (из апреля по октябрь), в северных областях 5 месяцев (из мая по сентябрь). Фотоэнергетическое оборудование может достаточно эффективно эксплуатироваться на протяжении всего года.

В климатометеорологических условиях Украины для солнечного теплоснабжения эффективным есть применения плоских солнечных коллекторов, которые используют как прямую, так и рассеянную солнечную радиацию. Концентрирующие солнечные коллекторы могут быть достаточно эффективными только в южных регионах Украины.

Преобразования солнечной энергии в электрическую энергию в условиях Украины следует ориентировать в первую очередь на использование фотоэлектрических устройств.

Рисунок 3.2 – Потенциал солнечной энергии в Украине

Наличие значительных запасов сырья, промышленной и научно-технической базы для изготовления фотоэлектрических устройств может обеспечить сполна не только потребности отечественного потребителя, но и представлять для экспортных поставок больше двух третей выработанной продукции.