Солнечная энергия
Опубликовано 07 Сен 2015
Рубрика: О жизни | 21 комментарий
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/м 2 .
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/м 2 до 1,0 КВт/м 2 .
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/м 2 – 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 м 2 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/м 2 , зимой – всего лишь до 0,3 КВт/м 2 .
По справочным таблицам (смотри ссылки в конце статьи) в среднем за год количество солнечной энергии, падающей на горизонтальную площадку площадью 1м 2 :
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 м 2 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
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 м 2
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
Ie =0,8 КВт/м 2
4. Максимальная мощность, которую могут развить два коллектора, установленные плоскостями перпендикулярно лучам Солнца
NΣтеор = Ie * A * КПД =0,8*3,384*0,9=2,436 КВт
5. Максимальная мощность, которую может развить одна трубка
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* D 2 /4* vср
8. G = V * ρ
9. N = G * c *( t2 — t1 )
11. Q = N * τ
12. mд = Q / qд
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 ) d τ
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 м 2 не «снять»!
2. Более 0,14 КВт современная фотоэлектрическая батарея площадью 1,0 м 2 пока не вырабатывает!
3. Более 0,9 КВт солнечный коллектор с рабочей площадью 1,0 м 2 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/м 2 , 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./м 3 ) 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 м 2 ткани!
В заключении приведу несколько ссылок на качественные и просто интересные материалы по затронутой тематике:
Прошу УВАЖАЮЩИХ труд автора скачать файл ПОСЛЕ ПОДПИСКИ на анонсы статей.
Ссылка на скачивание файла: solnechnaya-energiya (xls 20,5KB).
Комментарии к статье, уважаемые читатели, пишите в блоке, расположенном ниже. Не стесняйтесь высказать свое мнение!
Источник
Как рождается энергия Солнца?
Есть одна причина, по которой Земля является единственным местом в Солнечной системе, где существует и процветает жизнь. Конечно, ученые подозревают, что под ледяной поверхностью Европы или Энцелада может тоже существовать микробная или даже водная форма жизни, также ее могут найти и в метановых озерах Титана. Но до поры до времени Земля остается единственным местом, которое обладает всеми необходимыми условиями для существования жизни.
Одна из причин этому заключается в том, что Земля расположена в потенциально обитаемой зоне вокруг Солнца (так называемой «зоне Златовласки»). Это означает, что она находится в нужном месте (не слишком далеко и не слишком близко), чтобы получать обильную энергию Солнца, в которую входит свет и тепло, необходимые для протекания химических реакций. Но как именно Солнце обеспечивает нас энергией? Какие этапы проходит энергия на пути к нам, на планету Земля?
Ответ начинается с того, что Солнце, как и все звезды, может вырабатывать энергию, поскольку является, по сути, массивным термоядерным реактором. Ученые считают, что оно началось с огромного облака газа и частиц (т. е. туманности), которое коллапсировало под силой собственной тяжести — это так называемая теория туманности. В этом процессе родился не только большой шар света в центре нашей Солнечной системы, но и водород, собранный в этом центре, начал синтезироваться с образованием солнечной энергии.
Технически известный как ядерный синтез, этот процесс высвобождает огромное количество энергии в виде тепла и света. Но на пути из центра Солнца к планете Земля эта энергия проходит через ряд важных этапов. В конце концов, все сводится к слоям Солнца, и роль каждого из них играет важную роль в процессе обеспечения нашей планеты важнейшей для жизни энергией.
Ядро Солнца — это область, которая простирается от центра до 20-25% радиуса светила. Именно здесь, в ядре, производится энергия, порождаемая преобразованием атомов водорода (H) в молекулы гелия (He). Это возможно благодаря огромному давлению и высокой температуре, присущим ядру, которые, по оценкам, эквивалентны 250 миллиардам атмосфер (25,33 триллиона кПа) и 15,7 миллионам градусов по Цельсию, соответственно.
Конечным результатом является слияние четырех протонов (молекул водорода) в одну альфа-частицу — два протона и два нейтрона, связанных между собой в частицу, идентичной ядру гелия. В этом процессе высвобождается два позитрона, а также два нейтрино (что меняет два протона на нейтроны) и энергия.
Ядро — единственная часть Солнца, которая производит значительное количество тепла в процессе синтеза. По сути, 99% энергии, произведенной Солнцем, содержится в пределах 24% радиуса Солнца. К 30% радиуса синтез почти целиком прекращается. Остаток Солнца подогревается энергией, которая передается из ядра через последовательные слои, в конечном счете достигая солнечной фотосферы и утекая в космос в виде солнечного света или кинетической энергии частиц.
Солнце высвобождает энергию, преобразуя массу в энергию со скоростью 4,26 миллиона метрических тонн в секунду, что эквивалентно 38,460 септиллионам ватт в секунду. Чтобы вам было понятнее, это эквивалентно взрывам 1 820 000 000 «царь-бомб» — самой мощной термоядерной бомбы в истории человечества.
Зона лучистого переноса
Эта зона находится сразу после ядра и простирается на 0,7 солнечного радиуса. В этом слое нет тепловой конвекции, но солнечная материя очень горячая и достаточно плотная, чтобы тепловое излучение запросто передавало интенсивное тепло из ядра наружу. В основном она включает ионы водорода и гелия, испускающие фотоны, которые проходят короткое расстояние и поглощаются другими ионами.
Конвективная зона
Это внешний слой Солнца, на долю которого приходится все, что выходит за рамки 70% внутреннего радиуса Солнца (и уходит примерно на 200 000 километров ниже поверхности). Здесь температура ниже, чем в радиационной зоне, и тяжелые атомы не полностью ионизированы. В результате радиационный перенос тепла проходит менее эффективно, и плотность плазмы достаточно низка, чтобы позволить появляться конвективным потокам.
Из-за этого поднимающиеся тепловые ячейки переносят большую часть тепла наружу к фотосфере Солнца. После тог, как эти ячейки поднимаются чуть ниже фотосферической поверхности, их материал охлаждается, а плотность увеличивается. Это приводит к тому, что они опускаются к основанию конвективной зоны снова — где забирают еще тепло и продолжают конвективный цикл.
На поверхности Солнца температура падает до примерно 5700 градусов по Цельсию. Турбулентная конвекция этого слоя Солнца также вызывает эффект, который вырабатывает магнитные северный и южный полюса по всей поверхности Солнца.
Именно в этом слое также появляются солнечные пятна, которые кажутся темными по сравнению с окружающей область. Эти пятна соответствуют концентрациям потоков магнитного поля, которые осуществляют конвекцию и приводят к падению температуры на поверхности по сравнению с окружающим материалом.
Фотосфера
Наконец, есть фотосфера, видимая поверхность Солнца. Именно здесь солнечный свет и тепло, излученные и поднятые на поверхность, распространяются в космос. Температуры в этом слое варьируются между 4500 и 6000 градусами. Поскольку верхняя часть фотосферы холоднее нижней, Солнце кажется ярче в центре и темнее по бокам: это явление известно как затемнение лимба.
Энергия, испускаемая фотосферой, распространяется в космосе и достигает атмосферы Земли и других планет Солнечной системы. Здесь, на Земле, верхний слой атмосферы (озоновый слой) фильтрует большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, но пропускает часть на поверхность. Затем эта энергия поглощается воздухом и земной корой, согревает нашу планету и обеспечивает организмы источником энергии.
Солнце находится в центре биологических и химических процессов на Земле. Без него жизненный цикл растений и животных закончился бы, циркадные ритмы всех земных существ были бы сорваны, и жизнь на Земле перестала бы существовать. Важность Солнца была признана еще в доисторические времена, и многие культуры рассматривали его как божество (и зачастую помещали его в качестве главного божества в свои пантеоны).
Однако только в последние несколько столетий мы начали понимать процессы, которые питают Солнце. Благодаря постоянным исследованиям физиков, астрономов и биологов, мы теперь можем понять, как Солнце производит энергию и как она проходит через нашу Солнечную систему. Изучение известной Вселенной с ее разнообразием звездных систем и экзопланет также помогает нам провести аналогию с другими типами звезд.
Источник