Логика и “жестокая” реальность
Итак, возникла задача перейти от эмпирических умозаключений в области солнечной энергетики к математическим. Сначала немного теории:
Для начала нужно определиться с нашим источником энергии именно в математическом виде, а именно, узнать какую мощность способно дать Солнце в идеальном случае. Из справочных источников известно, что если взять плоскость площадью 1 кв. метр и на орбите Земли направить ее на Солнце, то оно передаст на нее около 1,4 кВт мощности. Это число именуется солнечной постоянной, и оно означает, что на нашей планете энергии больше этого значения мы не возьмем при всем желании.
Логика подсказывает, что на экваторе мы можем снять максимум мощности, а на полюсе минимум.
Из чертежа видно, что до угла 45 градусов мощность будет меняться незначительно, а после – резко уменьшаться из-за шарообразности поверхности. Можно было бы даже посчитать в процентах эти изменения, но, тут мы сталкиваемся с жестокой реальностью – на самом деле излучение Солнца не соответствует геометрическим построениям, а ведет себя странным образом:
Из карты потенциала фотоэлектрической энергии Земли видно, что максимально выгодные зоны для работы солнечных электростанций находятся не на экваторе, а вдоль Южного и Северного тропиков, что соответствует примерно 20 градусам широты обоих полушарий, а на экваторе солнечная радиация не такая уж и сильная. Это в корне меняет первоначальное намерение рассчитать излучение с помощью геометрических построений, поскольку реальное положение вещей не соответствует теоретическому. Кроме того, становится очевидно, что привязываться к широте бессмысленно – видно, что в Китае на одной широте находятся зоны и с максимальным излучением солнца, и с минимальным. Или, например, в Чили – отличные условия, а буквально рядом в Бразилии, на той же широте, – очень посредственные.
Причина здесь кроется в свойствах атмосферы и отражающей способности поверхности планеты.
Если на орбите мы имеем дело с простым точечным источником света, то на поверхности Земли он разделяется на три составляющих. Само излучение от солнца, плюс свечение атмосферы, плюс отраженный свет от поверхности земли. И эти факторы настолько значительные, что совершенно искажают первоначальную геометрическую модель.
Пример Туркменистана
С этой проблемой ученые и специалисты по солнечной энергетике столкнулись давно, в результате были организованы специальные научные станции, которые круглосуточно собирали данные по всем видам излучений в течение нескольких лет.
Вот, к примеру, несколько лет назад в Туркменистане озаботились проблемой солнечной энергии, в результате были произведены большие исследования различных областей страны:
Экстремальные значения интенсивности прямой радиации на перпендикулярную поверхность (кал/см мин) в безоблачные дни в срок 12 ч. 30 м (первая строка – максимальные, вторая строка – минимальные)
Данные были обобщены в объемный труд, изобилующий формулами, где синусов больше, чем букв, вот небольшой фрагмент:
«а суммарная интенсивность солнечного излучения при полной ориентации поверхности определяется зависимостью (42):
где IМ, IП – интенсивности прямого солнечного излучения, соответствующие выражениям (15), (16). Фактически это обеспечивает максимум прихода солнечной энергии на единицу площади поверхности. Среднесуточное или среднемесячное значение интенсивности солнечного излучения для полностью ориентированной поверхности представляется в виде (43)
Среднемноголетний суточный приход или месячный приход солнечной энергии на полностью ориентированную поверхность EОР определяется по правилам (38) и равен
Среднемноголетний годовой приход солнечной энергии представляет сумму среднемноголетних суточных или месячных приходов. Распределение по Туркменистану средней многолетней годовой суммы приходов энергии прямого солнечного излучения на нормальную к лучу поверхность и наибольшее значение прихода солнечной энергии на единицу поверхности составляет от 6000 до 6800 МДж/м2 [5-7,9-13,19].»
И так далее, много-много страниц.
Расчёт с готовыми исследованиями
Из чего следует, что заниматься самостоятельными расчетами, с целью найти таинственный коэффициент мы не будем, а попробуем, например, воспользоваться готовыми результатами исследований NASA с 1983 по 2005 год:
Показатели солнечной радиации выражены в kW\h\y, что означает киловатт-часы в среднем за год.
Теперь обратимся к более подробным данным. Возьмем, например, Испанию.
Здесь результаты анализа солнечного излучения, снятые на протяжении 7 лет специально для нужд солнечной энергетики.
Попробуем теперь посчитать. Например, ставим солнечные батареи в городе Сантандер. Там за год можно собрать примерно 1200 киловатт-часов. Делим на 365 и получаем среднегодовую дневную мощность солнечного излучения в районе 4 кВт\ч на 1 квадратный метр. Потом делим на 24 часа. Получается примерно 160 Ватт на квадратный метр.
Для интереса сравним максимальное идеальное годовое излучение на орбите:
1,4 кВт ч / м 2 x (24 ч / день) = (33 кВт ч / м 2) / день
(33 кВт ч / м 2) / день х (365 дней / год) = (12000 кВт ч / м 2) / год.
Что ровно в 10 раз больше, чем в Сантандере!
Данные по странам есть по этой ссылке
https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/ukraine
https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/belize
А здесь поиск по теме:
https://www.google.com/search?client=firefox-b-d&q=CPS+Potential+by+Country