1. Ресурси сонячної енергетики

Реакція термоядерного синтезу легких елементів в глибинах Сонця породжує колосальну енергію сонячного випромінювання. Кількісно це випромінювання характеризується інтенсивністю 30.jpg- це потужність променистої енергії, що проходить за межами земної атмосфери в секунду на квадратний метр майданчика, перпендикулярного сонячним променям. Для середньої відстані від Сонця при русі Землі по еліптичній орбіті 30.jpg = 1,35 кВт/м2. Сумарна потужність променистої енергії, що поступає до земної атмосфери, дорівнює приблизно 180 млн. ГВт (сумарна потужність електростанцій Росії - 215 ГВт). Кількість сонячної променистої енергії, що приходить за рік до атмосфери Землі, складає колосальну величину 1,57·1018 кВт·год. 45% променистої енергії, що приходить, доводиться на видиме світло (довжини хвиль 0,4...0,75 мкм), 45% - на інфрачервоне (теплове) випромінювання, 10% - на ультрафіолетові промені.

 

 image036.jpg

Рисунок 1.1 – Спектр сонячного випромінення

 

Потік сонячної енергії її становить 3,9·1026Вт, з якого біля 1,7·1017 Вт досягає Землі. Середня щільність потоку енергії сонячного випромінювання, падаючого на зовнішню границю земної атмосфери, при середній відстані між Землею і Сонцем 1,495·1011м називається сонячною постійною. Сонячна постійна приблизно рівна 1,353 кВт/м2. За добу на Землю від Сонця поступає більше тепла, ніж людство отримує від спалення палива за 1000 років.

На початку січня, коли Сонце ближче усього знаходиться до Землі, позаатмосферне сонячне випромінювання  зростає до 1,43 кВт/м, а в липні, коли Сонце далі усього розташоване від Землі, воно меншає до 1,33 кВт/м. При проходженні через атмосферу сонячне випромінювання розсіюється і поглинається нею. Сонячне випромінювання, що досягає земної поверхні, складається з прямої і дифузної радіації і являє собою повне сонячне випромінювання, а повне сонячне випромінювання, отримане горизонтальною поверхнею, - інсоляцію.

Баланс променистої енергії Землі представлений на рисунку 1.2. Близько 28% променистої енергії, що приходить від Сонця, відбиваються хмарами і аерозолями назад в космічний простір. Теплове (інфрачервоне) випромінювання Землі складає 114% приходящого від Сонця, з них 42% повертаються атмосферою, а останні вирушають в космос. По поверхні планети енергія, що приходить, перерозподіляється морськими течіями і вітрами.

Локальні значення променистої енергії Сонця, літосфери, що приходить до поверхні, або гідросфери, залежать від орієнтації до Сонця (освітленості), хмарності, запиленістю повітря, висоти над рівнем моря, пори року і доби. У середніх широтах вдень інтенсивність сонячного випромінювання І  досягає 800 Вт/м2 влітку і 200...350 Вт/м2 взимку, зменшуючись до нуля із заходом Сонця.

Промениста енергія Сонця використовується біосферою з часів появи життя на планеті. Перетворення сонячної енергії на механічну вперше було продемонстроване на Усесвітній виставці в Парижі, коли сонячний колектор наводив в рух парову машину.

31.jpg 

Рисунок 1.2 – Баланс променистої енергії Землі

 

Характеристика інтенсивності сонячного випромінювання.

Повний потік енергії, що випромінюється Сонцем за 1 с (тобто потужність сонячного випромінювання) складає

 

                                       Р=3,9·1026 Вт.                                       (1.1)

 

Для характеристики інтенсивності сонячного випромінювання на 1 м2 земної поверхні використовують сонячну постійну Ро=1,38 кВт/м2 при середній відстані Землі від Сонця L=1,5·1011 м.

Кількість сонячної енергії, що поступає в даний момент на конкретну ділянку поверхні залежить від 4 чинників:

- кількості Е, що випромінюється в  цей момент Сонцем;

- кута нахилу земної осі до площини екліптики, тобто від пори року;

- від часу доби;

- від стану атмосфери над точкою спостереження.

З урахуванням перерахованих чинників сумарний прихід сонячної радіації складає більше за 1000 кВт∙год/м2 в рік.

У практичних розрахунках можна приймати Ро=1 кВт/м2.

Південні райони України і Крим найбільш сприятливі для використання сонячної енергії (рис. 1.9).

 

Перспективи використання енергії Сонця

Не дивлячись на відносно низьку щільність променистої енергії, сонячна енергетика інтенсивно розвивається останніми роками. У США введено 8 крупних сонячних електростанцій (СЕС) модульного типу загальною потужністю близько 450 МВт, енергія поступає в енергосистеми штатів. Випуск сонячних фотоелектричних перетворювачів в світі досяг 300 МВт в рік, з них 40% припадає на частку США. В даний час в світі працюють більше 2 млн. геліоустановок теплопостачання. Площа сонячних колекторів теплофікацій в США складає 10 млн. м2, в Японії 8 млн. м2. Сонячна енергія знаходить вживання в зерносушарках, опріснювальних установках, в установках енергопостачання космічних станцій і так далі.

image042.png

 

Рисунок 1.3 – Класифікація використання сонячної енергії

 

Реалізуються екзотичні проекти. Так, уряд Австралії прийняв план будівництва «Сонячної башти» з діаметром підстави 130 метрів і висотою 1 км. Біля підніжжя башти розкинеться величезна теплиця діаметром 7 км. Повітря, нагріте в теплиці, спрямовуватиметься в трубу, обертаючи встановлені в ній вітродвигуни. Потужність ВЕС повинна скласти 200 МВт. Вартість проекту оцінюється в $308 млн.

 

Перейти до початку посібника