Солнечная энергия. Цифры и факты
Основные характеристики солнечного света
Освещенность (усредненная мощность солнечного излучения, измеренная в верхней атмосфере Земли перпендикулярно солнечным лучам): 1366 Вт на квадратный метр (или 1361, в соответствии с НАСА).
«Стандартное солнце» (пиковая мощность излучения, которая достигает поверхности Земли на уровне моря в районе экватора в безоблачный полдень): 1000 Вт/м 2 , или 1 кВт/м 2 .
Это значение обычно используется в характеристиках фотоэлектрических систем. Здесь и далее все цифры приведены для поверхностей, оптимально расположенных относительно солнца (перпендикулярно лучам) в соответствии с широтой. Для горизонтальных поверхностей вы получите меньше солнечного света: чем дальше от экватора, тем ниже плотность солнечной энергии.
Инсоляция (среднее количество часов «стандартного солнца» на протяжении суток): от 4–5 солнечных часов на северо-востоке США до 5–7 часов на юго-западе. Инсоляция часто указывается в кВт·ч, численно вытекая из значения «стандартного солнца» в 1 кВт.
Общее количество излучаемой энергии солнечного света в день на м 2 на уровне моря: (энергия за день) = 1 кВт·ч × (инсоляция в часах). Учитывая среднюю инсоляцию в США, равную 5 солнечным часам, это значение обычно равно 5 кВт·ч/м 2 .
Солнечная мощность, усредненная за весь день: Wattsaverag = (энергия за день)/24. Для инсоляции в 5 кВт·ч мощность, усредненная за весь день – 5000 Вт/24 = 208 Вт/м 2 . Обратите внимание, что только небольшая часть этой энергии может быть преобразована в электричество из-за не очень высокой эффективности фотоэлектрических систем.
Типовые характеристики фотоэлектрических систем
Средний КПД распространенных коммерческих солнечных панелей: на кристаллическом кремнии (CSI) – 12–17%; тонкопленочных (из аморфного кремния и других материалов) – 8–12%.
Мощность, генерируемая панелью в один квадратный метр: PVwatts = (солнечная мощность) × (средний КПД), где КПД преобразуется в десятичное число.
Пиковая мощность в безоблачный полдень: PVwatts-peak = 1000 Вт × КПД. Как правило, пиковая мощность равна 120170 Вт/м 2 для CSi и 80–120 Вт/м 2 для тонких пленок (TF).
Суммарное усредненное количество энергии, производимой панелью в один м 2 за день: PVday = PVwatts-peak × (Инсоляция в часах). Для инсоляции в 5 часов это значение будет 0.6–0.85 кВт/м 2 для CSi и 0.4–0.6 кВт/м 2 для TF.
Выработанная энергия панели, усредненная за весь день: PVwatts-average = PVday/24. Это примерно 25–35 Вт/м 2 для CSi и 17–25 Вт/м 2 для TF.
Общая энергия, генерируемая фотоэлектрическим модулем на м 2 в год: PVyear = (полная энергия в день) × 365, которая будет равна примерно 219–310 кВт·ч для CSi и 146–219 кВт·ч для TF. Обратите внимание, что инверторы имеют эффективность 95–97%, поэтому фактической электроэнергии будет на 5% меньше.
Ожидаемая стоимость электроэнергии с одного м 2 , сэкономленной за год: Saving = PVyear × 0.95 × (стоимость кВт·ч), где 0.95 – КПД преобразователя и потери в проводах.
В среднем в США стоимость одного кВт·ч электроэнергии равна $0.12, это дает в год $24–35 для CSi и $17–24 для тонких пленок. Таким образом, в лучшем случае, можно будет сэкономить $35 в год на 1 м 2 панели. Эта цифра относится к высокоэффективной системе с номинальной мощностью 170 Вт/м 2 . Учитывая тот факт, что в настоящее время стоимость типичной фотоэлектрической системы составляет $8000 на 1000 Вт, такие установки будут стоить 170/1000 × $8,000 = $1,360 за м 2 . Это означает, что в нашем примере, гипотетический срок окупаемости будет 1360/35 = 39 лет. Никакое оборудование не сможет так долго функционировать. Скидки и кредиты могут сократить это время более чем на половину, однако, все равно, для среднестатистического домашнего хозяйства установка солнечной панели, скорее всего, не окупится. Конечно, это всего лишь пример. В районах с другой инсоляцией и другими затратами на установку срок окупаемости может быть выше или ниже.
Краткая информация о Солнце
- Диаметр: 1,392,000 км;
- Масса: 1,989,100 × 10 24 кг;
- Температура на поверхности:
5,700 °С;
385 млрд. МВт);
Перевод: Андрей Гаврилюк по заказу РадиоЛоцман
Источник
Мощность суммарного излучения солнца
Световая отдача. Солнца и еще много интересного о самом большом источнике света, тепла и нашей жизни (положение во Вселенной, геометрические параметры, физические процессы, энергетические и светотехнические характеристики)
| (По материалам публикации проф. докт. П. Маркса из журнала «Licht») – [Prof. Dr.-Ing. Peter Marx, MX-Electronic / Die Lichtausbeute der Sonne. «LICHT», 2012, № 7-8, S. 76-77 ]. |
Со́лнечные пя́тна — тёмные области на Солнце, температура которых понижена примерно на 1500 К по сравнению с окружающими участками фотосферы.
Протуберанцы — плотные конденсации относительно холодного (по сравнению с солнечной короной) вещества, которые поднимаются и удерживаются над поверхностью Солнца магнитным полем.
Температура фотосферы Солнца около 5800 K, причем к основанию хромосферы она падает примерно до 4800 K
Солнце – ближайшая к Земле звезда Вселенной, относящаяся к разряду «жёлтых карликов».
Это раскалённая газовая сфера – 73% от массы и 92 % от объема составляет водород, 25% от массы и 7 % от объёма – гелий. Другие компоненты с малой концентрацией – железо, никель, кислород, азот, кремний, магний, углерод, неон, кальций, хром.
Энергетический спектр излучения Солнца
Цветовая температура излучения Солнца – 5081 К
- в видимой части оптического диапазона (λ = 380-780 нм) Солнце излучает 45% от её общей энергии,
- на долю ультрафиолетового излучения (λ ≤ 380 нм) приходится 9%,
- в инфракрасной части спектра (λ≥ 780 нм) излучается примерно 46% от общей энергии излучения.
Физически Солнце можно рассматривать как Планковский излучатель (абс. чёрное тело) с температурой наружной поверхности 5773 К и удельной плотностью мощности излучения с единицы излучающей площади 6,35 кВт/cм 2 .
Вне атмосферы Земли общая мощность излучения Солнца составляет 1340 Вт/м 2 – эта величина называется солнечной постоянной (С cоnst )
Масса Солнца – 1,99·10 30 кг (99,866% от массы всей солнечной системы)
Диаметр Солнца – Dc= 1,392·10 6 км , экваториальный радиус – 6,95·10 5 км.
Угловой размер Солнца (c Земли) – 32‘
Яркость Солнца: Lc = 1,9·10 9 кд/м 2 (вне земной атмосферы) и 1,5·10 9 кд/м 2 (при измерении с Земли) – тысяча пятьсот мегакандел ! (Сильнейший слепящий источник !)
Площадь проекции поверхности Солнца относительно взгляда c Земли:
Sc.пр.= π (Dc/2) 2 =3,14 (6,957·10 8 м) 2 = 1,52·10 18 м 2
Сила света Солнца: Ic = Lc·Sc.пр.= 1,5·10 9 ·(1,52·10 18 ) = 2,887·10 27 кд = 2,28·10 21 Мкд
Суммарный световой поток Солнца: Фс= 4 π · Ic = 12,56 · 2,887·10 27 = 3,63·10 28 лм
Освещённость от прямого излучения Солнца:
Ес= Ic : (l сз) 2 =2,887·10 27 /(1,496·10 11 ) 2 ≈ 125 000лк. (lсз – расстояние Солнце-Земля)
Сочетание сверхвысоких давлений и температур (15·10 6 К) в центре активного ядра Солнца обусловливает постоянное протекание термоядерных реакций – преобразование водорода в гелий. Ежесекундно 657·10 6 т водорода преобразуется в 653·10 6 т гелия (таким образом, Солнце до некоторой степени можно считать самоконтролируемой водородной бомбой!). Уже в течение 4 млрд. лет каждую секунду Солнце излучает энергию, равную примерно 10 18 Вт · с (это эквивалентно мощности 400 млн. шт. водородных бомб . ). На современном уровне знаний, по данным учёных, до конца термоядерных реакций H→ He на Солнце пройдёт ещё 4,5-5 млрд. лет. Таким образом, полный «срок службы» источника нашей жизни – приблизительно равен 10 млрд. лет !
Большой интерес представляет оценка световой отдачи Солнца. Ниже приведены 2 основных расчётных метода.
Возникающая при реакции в ядре Солнца разность масс равна:
∆m = 657·10 6 т — 653·10 6 т = 4,3·10 6 т.
Это эквивалентная энергия излучения Солнца, которую оно каждую секунду посылает в мировое пространство.
Знаменитая формула Альберта Эйнштейна:
ε = m·c 2 (m – масса, с – скорость света)
Тогда мощность Солнца определится как:
Рс= ∆m·c 2 /cек = 4,3·10 9 кг· (300·10 3 км/c) 2 /cек = 3,87·10 26 Вт
Световая отдача Солнца:
ηс = Фс / Рс = 3,63·10 28 лм / 3,87·10 26 Вт = 93,78 лм/Вт
Световая отдача Солнца может быть также определена по интенсивности спектральной облучённости Ееλ вне земной атмосферы в видимом диапазоне оптического спектра (λ= 380-780 нм).
Е = 683(лм/Вт) · Σ Ееλ· V(λ) ∆λ , где Ееλ – в Вт /(м 2 · нм), ∆λ = 10 нм, пределы суммирования: нижний — λ=380 нм, верхний — λ=780 нм
Тогда Е = 683 лм/Вт · 181,81 Вт /м 2 = 124 176 лк
и с учётом солнечной постоянной Сcоnst=1340 Вт /м 2 световая отдача Солнца:
ηс = 124 176 лм·м -2 /1340 Вт · м -2 = 92,7 лм/Вт.
А теперь «вернёмся на Землю».
Важный вывод для авторов учебников, пособий, консультантов, а также для всех интересующихся светотехникой: наше «старое доброе» Солнышко по световой отдаче ( ≈ 93 лм/Вт) примерно эквивалентно линейным люминесцентным лампам Т16 (Т5) и значительно уступает современным светодиодам и целому ряду газоразрядных ламп высокого давления. Лампы накаливания общего назначения из-за очень низкой световой отдачи (не более 13 лм/ Вт) уходят в прошлое. Они, тем не менее, верно прослужили человечеству почти 130 лет. Многие дизайнеры и архитекторы субъективно отнеслись к запрету ламп накаливания весьма отрицательно.
Интересно, что до настоящего времени на улицах столицы Германии функционирует примерно 40 000 газовых фонарей cо световой отдачей их горелок – 2 лм/Вт (!). Магистрат Берлина принял решение заменить это ностальгическое наследие XIX в. на современные типы светодиодных светильников со световой отдачей не менее 100 лм/Вт.
Источник
Мощность суммарного излучения солнца
Солнце является самым большим телом в солнечной системе. Расположенное в центре системы, его гравитация (притяжение) является причиной удержания девяти планет на орбитах вокруг него. Солнце — большой шар состоит главным образом из водородного и гелиевого газа, хотя все другие элементы в небольшим количестве были на нем обнаружены.
Поверхностная и внутренняя температуры солнца слишком горячи, чтобы вещество находилось в жидком или твердом состоянии. Одна из наиболее интересных характеристик солнца — то, что оно вращается более медленно на полюсах чем в экваторе — это назвается дифференциальным вращением.
Солнечная масса = 330000 земных масс
Гравитация на поверхности = 27 земных гравитаций
Температура на поверхности = 6000 °С
Плотность на поверхности солнца = 1/100 плотности поверхности земли
Солнечный диаметр = 1.5 миллионов км
Температура солнечного ядра = около 15 миллионов градусов °С
Расстояний от Земли = 150 миллионов км
Расход топлива = 5 миллионов тонн/сек
Видимый диаметр солнца = 1/2 углового градуса
Мощность излучения Солнца на поверхности земли = 1370 вт / кв м
Скорость солнечного ветра =400 км/с (среднее значение)
Солнечное вращение = 27 дней (среднее значение)
Солнце имеет несколько внутренних областей. В центре — ядро или сердцевина, в которой солнечная энергия производится через термо-ядерное слияние. Над этим ядром расположена излучающая зона, где энергия очень медленно перемещается вверх к поверхности. Выше излучающей зоны находится конвективная зона, где энергия перемещается значительно быстрее на поверхность или в фотосферу. Внутренняя атмосфера называется хромосферой, а внешняя атмосфера является короной. Вещество непрерывно кипит на солнце и уносится внешним солнечным ветром. Этот процесс изменяется по интенсивности во времени. К счастью для нас, солнечный выход тепла и света очень постоянен (в пределах 0.1%) за длинные периоды времени. Тем не менее, выделение энергии солнцем не постоянно, оно подвергается циклическим изменением. Наиболее видимое проявление солнечной деятельности является появлением темных солнечных пятен в фотосфере. Деятельность Солнца изучается человеком от конвективной зоны до короны. Иногда магнитные поля Солнца изменяются столь быстро, что приводит к выбросу огромного количества энергии в время солнечных вспышках и выбросу вещества через корону во внешнее пространство. Это можно наблюдать только специальными телескопами с земли и из космоса. Солнечная активность изменяется от минимума до максимума и затем снова повторятся в виде солнечного цикла с периодом около 11 лет (хотя этот период может изменяться от 7 до 17 лет в любом конкретном цикле).
Мощность излучения Солнца очень велика: она равна 3,8*10 20 МВт. На Землю падает ничтожная часть солнечной энергии, составляющая около половины миллиардной доли. Она поддерживает в газообразном состоянии земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоемы, дает энергию ветрам и водопадам, обеспечивает жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти и других полезных ископаемых. Видимый с Земли диаметр Солнца составляет около 0,5 о (также как и для Луны) Это значит, что расстояние до него в 107 раз превышает его диаметр. Следовательно, диаметр Солнца равен 1392 000 км., что в 109 раз больше земного диаметра.
В центре Солнца температура составляет 15 млн. градусов, а давление превышает сотни миллиардов атмосфер. Газ сжат здесь до плотности около 1,5*10 5 кг/м3 . Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной области с радиусом примерно 1/3 солнечного. Через слои, окружающие центральную часть, эта энергия передается наружу. На протяжении последней трети радиуса находится конвективная зона. Причина возникновения перемешивания (конвекции) в наружных слоях Солнца та же, что и в кипящем чайнике: количество энергии, поступающие от нагревателя, гораздо большее того, которое отводится теплопроводностью. Поэтому вещество вынуждено приходит в движение и начинает само переносить тепло.
Все рассмотренные выше слои Солнца фактически ненаблюдаемы. Об их существовании известно либо из теоретических расчетов, либо на основании косвенных данных. Над конвективной зоной располагаются непосредственно наблюдаемые слои Солнца, называемые его атмосферой. Они лучше изучены, так как об их свойствах можно судить из наблюдений. Солнечная атмосфера также состоит из нескольких различных слоев. Самый глубокий и тонкий из них – фотосфера, непосредственно наблюдаемая в видимом непрерывном спектре. Толщина фотосферы всего около 300 км. Чем глубже слои фотосферы, тем они горячее. Во внешних более холодных слоях фотосферы на фоне непрерывного спектра образуются фраунгоферовы линии поглощения. Во время наибольшего спокойствия земной атмосферы в телескоп можно наблюдать характерную зернистую структуру фотосферы. Чередование маленьких светлых пятнышек – гранул – размером около 1 000 км., окруженных темными промежутками, создает впечатление ячеистой структуры – грануляции. Возникновение грануляции связано с происходящей под фотосферой конвекцией. Отдельные гранулы на несколько сотен градусов горячее окружающего их газа, и в течении нескольких минут их распределение по диску Солнца меняется. Спектральные измерения свидетельствуют о движении газа в гранулах, похожих на конвективные: в гранулах газ поднимается, а между ними – опускается. Эти движения газов порождают в солнечной атмосфере акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе. Распространяясь в верхние слои солнечной атмосферы, волны, возникшие в конвективной зоне и в фотосфере, передают им часть механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов последующих слоев атмосферы – хромосферы и короны. В результате верхние слои фотосферы с температурой около 4 500 K оказываются самыми «холодными» на Солнце. Как вглубь, так и вверх от них температура газов быстро растет. Расположенный над фотосферой слой, называемый хромосферой, во время полных солнечных затмений в те минуты, когда Луна полностью закрывает фотосферу, виден как розовое кольцо, окружающее темный диск. На краю хромосферы наблюдаются выступающие как бы язычки пламени – хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Тогда же можно наблюдать и спектр хромосферы, так называемый спектр вспышки. Он состоит из ярких эмиссионных линий водорода, гелия ионизированного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затмения. Выделяя излучение Солнца в этих линиях, можно получить в них его изображение. Хромосфера отличается от фотосферы значительно более неправильной неоднородной структурой. Заметно два типа неоднородностей – яркие и темные. По своим размерам они превышают фотосферные гранулы. В целом распределение неоднородностей образует так называемую хромосферную сетку, особенно хорошо заметную в линии ионизированного кальция. Как и грануляция, она является следствием движений газов в подфотосферной конвективной зоне, только происходящие в более крупных масштабах. Температура в хромосфере быстро растет, достигая в верхних ее слоях десятков тысяч градусов. Самая внешняя и самая разреженная часть солнечной атмосферы – корона, прослеживающаяся от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов и имеющая температуру около миллиона градусов. Корону можно видеть только во время полного солнечного затмения либо с помощью коронографа. Всякая солнечная атмосфера постоянно колеблется. В ней распространяются как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами в несколько тысяч километров. Колебания носят резонансный характер и происходят с периодом около 5 минут. В возникновении явлений, происходящих на Солнце, большую роль играют магнитные поля. Вещество на Солнце всюду представляет собой намагниченную плазму. Иногда в отдельных областях напряженность магнитного поля быстро и сильно возрастает. Этот процесс сопровождается возникновением целого комплекса явлений солнечной активности в различных слоях солнечной атмосферы. К ним относятся факелы и пятна в фотосфере, флоккулы в хромосфере, протуберанцы в короне. Наиболее замечательным явлением, охватывающим все слои Солнечной атмосферы и зарождающимся в хромосфере, являются солнечные вспышки.
Ученые выяснили, что Солнце – мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие – постоянную и переменную (всплески, «шумовые бури»). Во время сильных солнечных вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу. Рентгеновские лучи исходят в основном от верхних слоев хромосферы и короны. Особенно сильным излучение бывает в годы максимума солнечной активности.
Солнце излучает не только свет, тепло и все другие виды электромагнитного излучения. Оно также является источником постоянного потока частиц – корпускул. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более тяжелые атомные ядра все вместе составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы – солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоев солнечной атмосферы – солнечной короны. На фоне этого постоянно дующего плазменного ветра отдельные области на Солнце являются источниками более направленных, усиленных, так называемых корпускулярных потоков. Скорее всего они связаны с особыми областями солнечной короны – коронарными дырами, а также, возможно, с долгоживущими активными областями на Солнце. Наконец, с солнечными вспышками связанны наиболее мощные кратковременные потоки частиц, главным образом электронов и протонов. В результате наиболее мощных вспышек частицы могут приобретать скорости, составляющие заметную долю скорости света. Частицы с такими большими энергиями называются солнечными космическими лучами. Солнечное корпускулярное излучение оказывает сильное влияние на Землю, и прежде всего на верхние слои ее атмосферы и магнитное поле, вызывая множество геофизических явлений.
Источник
➤ Adblockdetector