Perkenalan

Matahari, seperti kita ketahui, adalah sumber energi utama dan utama bagi planet kita. Ini menghangatkan seluruh bumi, menggerakkan sungai dan memberi kekuatan pada angin. Di bawah sinarnya, 1 kuadriliun ton tanaman tumbuh, yang kemudian menjadi makanan bagi 10 triliun ton hewan dan bakteri. Berkat Matahari yang sama, cadangan hidrokarbon telah terakumulasi di Bumi, yaitu minyak, batu bara, gambut, dll., yang sekarang kita bakar secara aktif. Agar umat manusia saat ini dapat memenuhi kebutuhannya akan sumber daya energi, dibutuhkan sekitar 10 miliar ton bahan bakar standar per tahun. (Panas pembakaran bahan bakar setara - 7.000 kkal/kg).

Tugas:

· mempertimbangkan prinsip dan fenomena fisika dasar;

· untuk mengembangkan pengetahuan dan keterampilan yang memungkinkan perhitungan teoritis dari parameter utama;

· mempertimbangkan keuntungan dan kerugian menggunakan energi surya

· mempertimbangkan cara untuk memperoleh listrik dan panas radiasi matahari

Energi matahari - pemanfaatan radiasi matahari untuk memperoleh energi dalam bentuk apapun. Energi surya menggunakan sumber energi terbarukan dan kedepannya dapat ramah lingkungan yaitu tidak menghasilkan limbah berbahaya.

Radiasi matahari merupakan sumber energi yang hampir tidak ada habisnya, menjangkau seluruh penjuru bumi, “tersedia” bagi setiap konsumen dan merupakan sumber energi yang ramah lingkungan dan terjangkau.

Memanfaatkan Sinar Matahari dan Panas - Bersih, Sederhana, dan cara alami memperoleh segala bentuk energi yang kita perlukan. Dengan menggunakan kolektor surya, Anda dapat memanaskan bangunan tempat tinggal dan komersial atau menyediakan air panas untuk mereka. Sinar matahari, yang dipusatkan oleh cermin parabola (reflektor), digunakan untuk menghasilkan panas (dengan suhu hingga beberapa ribu derajat Celcius). Dapat digunakan untuk pemanas atau menghasilkan listrik. Selain itu, ada cara lain untuk menghasilkan energi dengan menggunakan teknologi fotovoltaik Matahari. Sel fotovoltaik adalah perangkat yang mengubah radiasi matahari langsung menjadi listrik.

ENERGI SURYA

Energi Matahari adalah sumber kehidupan di planet kita. Matahari memanaskan atmosfer dan permukaan bumi. Berkat energi matahari Angin bertiup, siklus air terjadi di alam, lautan dan samudera memanas, tumbuhan berkembang, hewan mendapat makanan. Berkat radiasi matahari, bahan bakar fosil ada di Bumi. Energi matahari dapat diubah menjadi panas atau dingin, tenaga penggerak dan listrik.

Radiasi matahari

Radiasi matahari adalah radiasi elektromagnetik, terkonsentrasi terutama pada rentang panjang gelombang 0,28...3,0 mikron. Spektrum matahari terdiri dari:

Gelombang ultraviolet dengan panjang 0,28...0,38 mikron, tidak terlihat oleh mata kita dan mencakup sekitar 2% spektrum matahari;

Gelombang cahaya dalam kisaran 0,38...0,78 mikron, mencakup sekitar 49% spektrum;

Gelombang inframerah dengan panjang 0,78...3,0 mikron, yang mencakup sebagian besar dari 49% sisa spektrum matahari. Bagian spektrum lainnya memainkan peran kecil dalam keseimbangan panas bumi.

Berapa banyak energi matahari yang sampai ke bumi?

Matahari memancarkan energi yang sangat besar - kira-kira 1,1 x 10 20 kWh per detik. Satu kilowatt jam adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk mengoperasikan bola lampu pijar 100 watt selama 10 jam. Atmosfer luar bumi menyerap sekitar sepersejuta energi yang dipancarkan Matahari, atau sekitar 1.500 kuadriliun (1,5 x 10 18) kWh setiap tahunnya. Namun, akibat refleksi, dispersi, dan penyerapan oleh gas atmosfer dan aerosol, hanya 47% dari total energi, atau sekitar 700 kuadriliun (7 x 10 17) kWh, yang mencapai permukaan bumi.

Radiasi matahari di atmosfer bumi terbagi menjadi radiasi langsung dan radiasi hamburan, menjadi partikel-partikel udara, debu, air, dan lain-lain yang terdapat di atmosfer. Jumlahnya membentuk total radiasi matahari.

Jumlah energi yang jatuh per satuan luas per satuan waktu bergantung pada sejumlah faktor: garis lintang iklim setempat, musim dalam setahun, dan sudut kemiringan permukaan relatif terhadap Matahari.

Waktu dan tempat

Besarnya energi matahari yang jatuh ke permukaan bumi berubah akibat pergerakan Matahari. Perubahan ini bergantung pada waktu dan waktu dalam setahun. Biasanya, Bumi menerima lebih banyak radiasi matahari pada tengah hari dibandingkan pada pagi atau sore hari. Pada siang hari, Matahari berada tinggi di atas cakrawala, dan panjang lintasan sinar Matahari melalui atmosfer bumi berkurang. Akibatnya, lebih sedikit radiasi matahari yang dihamburkan dan diserap, sehingga lebih banyak radiasi matahari yang sampai ke permukaan.

Jumlah energi matahari yang mencapai permukaan bumi berbeda dengan rata-rata tahunan: waktu musim dingin- kurang dari 0,8 kWh/m2 per hari di Eropa Utara dan lebih dari 4 kWh/m2 per hari pada musim panas di wilayah yang sama. Perbedaannya berkurang saat Anda mendekati garis khatulistiwa.

Jumlah energi matahari juga bergantung pada lokasi geografis situs: semakin dekat ke garis khatulistiwa, semakin besar energinya. Misalnya, rata-rata total insiden radiasi matahari tahunan pada permukaan horizontal adalah: di Eropa Tengah, Asia Tengah, dan Kanada - sekitar 1000 kWh/m2; di Mediterania - sekitar 1700 kWh / m 2; di sebagian besar wilayah gurun di Afrika, Timur Tengah dan Australia - sekitar 2200 kWh/m2.

Dengan demikian, jumlah radiasi matahari sangat bervariasi tergantung musim dan lokasi geografis. Faktor ini harus diperhitungkan saat menggunakan energi matahari.

Baterai surya adalah serangkaian modul surya yang mengubah energi matahari menjadi listrik dan, dengan menggunakan elektroda, mengirimkannya lebih jauh ke perangkat konversi lainnya. Yang terakhir ini diperlukan untuk mengubah arus searah menjadi arus bolak-balik, yang dapat dirasakan oleh peralatan listrik rumah tangga. Arus searah diperoleh ketika energi matahari diterima oleh fotosel dan energi foton diubah menjadi arus listrik.

Berapa banyak foton yang mengenai fotosel menentukan berapa banyak energi yang dihasilkan baterai surya. Oleh karena itu, kinerja baterai tidak hanya dipengaruhi oleh bahan fotosel, tetapi juga oleh jumlah hari cerah per tahun, sudut datangnya sinar matahari pada baterai, dan faktor lain di luar kendali manusia.

Aspek yang mempengaruhi seberapa besar energi yang dihasilkan panel surya

Pertama-tama, kinerja panel surya bergantung pada bahan pembuatan dan teknologi produksi. Dari yang ada di pasaran, Anda bisa menemukan baterai dengan performa berkisar antara 5 hingga 22%. Semua sel surya dibagi menjadi silikon dan film.

Kinerja modul berbasis silikon:

• Panel silikon monokristalin – hingga 22%.
• Panel polikristalin – hingga 18%.
• Amorf (fleksibel) – hingga 5%.

Kinerja modul film:

• Berdasarkan kadmium telluride – hingga 12%.
• Berdasarkan meli-indium-gallium selenide - hingga 20%.
• Berdasarkan polimer - hingga 5%.

ada juga tipe campuran panel, yang memungkinkan kelebihan satu jenis menutupi kekurangan jenis lainnya, sehingga meningkatkan efisiensi modul.

Jumlah hari cerah dalam setahun juga memengaruhi jumlah energi yang dihasilkan baterai tenaga surya. Diketahui bahwa jika matahari di wilayah Anda muncul sepanjang hari kurang dari 200 hari dalam setahun, maka memasang dan menggunakan panel surya sepertinya tidak akan menguntungkan.

Selain itu, efisiensi panel juga dipengaruhi oleh suhu pemanasan baterai. Jadi, ketika dipanaskan sebesar 1°C, produktivitas turun sebesar 0,5%, dan ketika dipanaskan sebesar 10°C, efisiensi kita berkurang setengahnya. Untuk mencegah masalah seperti itu, dipasang sistem pendingin, yang juga memerlukan konsumsi energi.

Untuk mempertahankan kinerja tinggi sepanjang hari, sistem pelacakan matahari dipasang, yang membantu menjaga sudut datangnya sinar matahari yang tepat pada panel surya. Namun sistem ini cukup mahal, belum lagi baterainya sendiri, sehingga tidak semua orang mampu memasangnya untuk memberi daya pada rumah mereka.

Berapa banyak energi yang dihasilkan baterai surya juga bergantung pada total luas modul yang dipasang, karena setiap fotosel dapat menerima jumlah yang terbatas.

Bagaimana cara menghitung berapa banyak energi yang disediakan panel surya untuk rumah Anda?

Berdasarkan poin-poin di atas yang patut dipertimbangkan saat membeli panel surya, kita dapat memperoleh rumus sederhana yang dapat digunakan untuk menghitung berapa banyak energi yang akan dihasilkan satu modul.

Katakanlah Anda telah memilih salah satu modul paling produktif dengan luas 2 m2. Jumlah energi matahari pada hari cerah biasanya sekitar 1000 watt per m2. Hasilnya, kita mendapatkan rumus berikut: energi matahari (1000 W/m2) × produktivitas (20%) × luas modul (2 m2) = daya (400 W).

Jika Anda ingin menghitung berapa banyak energi matahari yang diserap baterai pada malam hari dan saat hari mendung, Anda dapat menggunakan rumus berikut: jumlah energi matahari pada hari cerah × sinus sudut sinar matahari dan permukaan. dari panel × persentase energi yang dikonversi pada hari berawan = berapa banyak energi matahari yang akhirnya dikonversi oleh baterai. Misalnya, pada malam hari sudut datang sinar adalah 30̊. Kita mendapatkan perhitungan sebagai berikut: 1000 W/m2 × sin30̊ × 60% = 300 W/m2, dan kita menggunakan angka terakhir sebagai dasar penghitungan daya.

Hampir seluruh energi di Bumi berasal dari Matahari. Jika tidak, bumi akan menjadi dingin dan tidak bernyawa. Tumbuhan tumbuh karena menerima energi yang dibutuhkannya. Matahari bertanggung jawab atas angin, dan bahkan bahan bakar fosil adalah energi bintang kita, yang disimpan jutaan tahun yang lalu. Namun berapa banyak energi yang sebenarnya berasal darinya?

Seperti yang mungkin Anda ketahui, pada intinya, suhu dan tekanan sangat tinggi sehingga atom hidrogen berfusi membentuk atom helium.

Radiasi dari Matahari

Akibat reaksi fusi ini, bintang tersebut menghasilkan 386 miliar megawatt. Sebagian besarnya terpancar ke luar angkasa. Inilah sebabnya kita melihat bintang-bintang yang berjarak puluhan dan ratusan tahun cahaya dari Bumi. Kekuatan radiasi Matahari adalah 1,366 kilowatt per meter persegi. Sekitar 89.000 terawatt melewati atmosfer dan mencapai permukaan bumi. Ternyata energinya di Bumi sekitar 89.000 terawatt! Sebagai perbandingan, total konsumsi setiap orang adalah 15 terawatt.

Jadi Matahari menyediakan energi 5.900 kali lebih banyak daripada yang dihasilkan manusia saat ini. Kita hanya perlu belajar menggunakannya.

Cara paling efektif untuk memanfaatkan radiasi bintang kita adalah melalui sel surya. Dengan demikian, ini adalah konversi foton menjadi listrik. Namun energi tersebut dihasilkan oleh angin, yang membuat generator bekerja. Matahari membantu menumbuhkan tanaman yang kita gunakan untuk membuat biofuel. Dan, seperti yang telah kami katakan, bahan bakar fosil seperti minyak bumi dan batu bara merupakan radiasi matahari terkonsentrasi yang dikumpulkan oleh tumbuhan selama jutaan tahun.

Energi matahari

Parameter radiasi matahari

Pertama-tama, perlu dilakukan kajian potensi potensi energi radiasi matahari. Di sini, kekuatan spesifik totalnya di permukaan bumi dan distribusi kekuatan ini pada rentang radiasi yang berbeda sangatlah penting.

Tenaga radiasi matahari

Kekuatan radiasi Matahari yang terletak di puncaknya di permukaan bumi diperkirakan sekitar 1350 W/m2. Perhitungan sederhana menunjukkan bahwa untuk memperoleh daya sebesar 10 kW diperlukan pengumpulan radiasi matahari dari area seluas 7,5 m2 saja. Tapi ini terjadi pada sore hari yang cerah di zona tropis yang tinggi di pegunungan, di mana atmosfernya sangat jernih dan jernih. Segera setelah Matahari mulai condong ke arah cakrawala, jalur sinarnya melalui atmosfer meningkat, dan karenanya, kerugian di sepanjang jalur ini juga meningkat. Kehadiran debu atau uap air di atmosfer, bahkan dalam jumlah yang tidak terlihat tanpa perangkat khusus, semakin mengurangi aliran energi. Namun, bahkan di zona tengah pada sore musim panas, untuk setiap meter persegi yang berorientasi tegak lurus terhadap sinar matahari, terdapat aliran energi matahari dengan kekuatan kurang lebih 1 kW.

Tentu saja, bahkan tutupan awan tipis pun secara dramatis mengurangi energi yang mencapai permukaan, terutama dalam rentang inframerah (termal). Namun, sebagian energi masih menembus awan. Di zona tengah, dengan awan tebal pada siang hari, kekuatan radiasi matahari yang mencapai permukaan bumi diperkirakan sekitar 100 W/m2, dan hanya dalam kasus yang jarang terjadi, dengan awan yang sangat tebal, kekuatan radiasi matahari dapat turun di bawah nilai tersebut. Jelasnya, dalam kondisi seperti itu, untuk memperoleh 10 kW, perlu dilakukan secara lengkap, tanpa kehilangan dan refleksi, mengumpulkan radiasi matahari bukan dari 7,5 m2 permukaan bumi, tetapi dari seluruh seratus meter persegi (100 m2).

Tabel tersebut menunjukkan data rata-rata singkat energi radiasi matahari untuk beberapa kota di Rusia, dengan mempertimbangkan kondisi iklim (frekuensi dan intensitas kekeruhan) per unit permukaan horizontal. Rincian data ini, data tambahan untuk orientasi panel selain horizontal, serta data untuk wilayah lain di Rusia dan negara-negara bekas Uni Soviet disediakan di halaman terpisah.

Panel tetap yang ditempatkan pada sudut kemiringan optimal mampu menyerap energi 1,2...1,4 kali lebih banyak dibandingkan panel horizontal, dan jika berputar setelah Matahari, peningkatannya akan menjadi 1,4...1,8 kali lipat. Hal ini dapat dilihat, dipecah berdasarkan bulan, untuk panel tetap yang berorientasi ke selatan pada sudut kemiringan yang berbeda, dan untuk sistem yang melacak pergerakan Matahari. Fitur penempatan panel surya dibahas lebih detail di bawah.

Radiasi matahari langsung dan menyebar

Bedakan antara radiasi matahari yang menyebar dan langsung. Untuk menangkap radiasi matahari langsung secara efektif, panel harus diorientasikan tegak lurus terhadap aliran sinar matahari. Untuk persepsi radiasi hamburan, orientasinya tidak terlalu penting, karena datangnya cukup merata dari hampir seluruh langit - begitulah cara permukaan bumi disinari pada hari berawan (oleh karena itu, pada cuaca mendung, objek tidak memiliki pandangan yang jelas. bayangan yang ditentukan, tapi permukaan vertikal, seperti pilar dan dinding rumah, hampir tidak menimbulkan bayangan yang terlihat).

Rasio radiasi langsung dan difusi sangat bergantung pada kondisi cuaca musim yang berbeda. Misalnya, musim dingin di Moskow berawan, dan pada bulan Januari jumlah radiasi yang tersebar melebihi 90% dari total insolasi. Namun bahkan di musim panas Moskow, radiasi yang tersebar mencapai hampir setengah dari seluruh energi matahari yang mencapai permukaan bumi. Pada saat yang sama, di Baku yang cerah, baik di musim dingin maupun musim panas, porsi radiasi tersebar berkisar antara 19 hingga 23% dari total insolasi, dan masing-masing sekitar 4/5 radiasi matahari bersifat langsung. Rasio insolasi tersebar dan total untuk beberapa kota diberikan lebih rinci pada halaman terpisah.

Distribusi energi dalam spektrum matahari

Spektrum matahari praktis kontinu pada rentang frekuensi yang sangat luas - dari gelombang radio frekuensi rendah hingga sinar-X frekuensi sangat tinggi dan radiasi gamma. Tentu saja sulit untuk menangkapnya jenis yang berbeda radiasi (mungkin hal ini hanya dapat dicapai secara teoritis dengan bantuan “benda hitam ideal”). Namun hal ini tidak perlu - pertama, Matahari sendiri memancarkan sinar dalam rentang frekuensi berbeda dengan kekuatan berbeda, dan kedua, tidak semua pancaran Matahari mencapai permukaan bumi - bagian spektrum tertentu sebagian besar diserap oleh berbagai komponen atmosfer - terutama lapisan ozon, uap air dan karbon dioksida.

Oleh karena itu, cukup bagi kita untuk menentukan rentang frekuensi di mana fluks energi matahari terbesar diamati di permukaan bumi, dan menggunakannya. Secara tradisional, radiasi matahari dan kosmik dipisahkan bukan berdasarkan frekuensi, tetapi berdasarkan panjang gelombang (hal ini disebabkan oleh eksponen yang terlalu besar untuk frekuensi radiasi ini, yang sangat merepotkan - cahaya tampak dalam Hertz sesuai dengan orde ke-14). Mari kita lihat ketergantungan distribusi energi pada panjang gelombang radiasi matahari.

Jangkauan cahaya tampak Rentang panjang gelombang dari 380 nm (ungu tua) hingga 760 nm (merah tua) dianggap. Segala sesuatu yang memiliki panjang gelombang lebih pendek memiliki energi foton yang lebih tinggi dan terbagi menjadi rentang radiasi ultraviolet, sinar-X, dan gamma. Meskipun foton berenergi tinggi, jumlah foton dalam rentang ini tidak begitu banyak, sehingga kontribusi energi total pada bagian spektrum ini sangat kecil. Segala sesuatu yang memiliki panjang gelombang lebih panjang memiliki energi foton yang lebih rendah dibandingkan cahaya tampak dan terbagi dalam jangkauan inframerah (radiasi termal) dan berbagai bagian jangkauan radio. Grafik menunjukkan bahwa pada rentang inframerah Matahari memancarkan energi yang hampir sama dengan energi tampak (kadarnya lebih kecil, namun jangkauannya lebih luas), namun pada rentang frekuensi radio energi radiasinya sangat kecil.

Jadi, dari sudut pandang energi, cukup bagi kita untuk membatasi diri pada rentang frekuensi tampak dan inframerah, serta ultraviolet dekat (hingga 300 nm, ultraviolet keras dengan panjang gelombang lebih pendek hampir seluruhnya diserap dalam apa yang disebut. lapisan ozon, memastikan sintesis ozon ini dari oksigen atmosfer) . Dan bagian terbesar energi matahari yang mencapai permukaan bumi terkonsentrasi pada rentang panjang gelombang 300 hingga 1800 nm.

Keterbatasan dalam menggunakan energi matahari

Keterbatasan utama yang terkait dengan penggunaan energi surya disebabkan oleh ketidakkonsistenannya - instalasi tenaga surya tidak berfungsi pada malam hari dan tidak efektif dalam cuaca mendung. Hal ini jelas bagi hampir semua orang.

Namun, ada satu keadaan lagi yang sangat relevan untuk garis lintang kita yang agak utara - perbedaan musim dalam panjang hari. Jika untuk zona tropis dan khatulistiwa durasi siang dan malam sedikit bergantung pada waktu dalam setahun, maka di garis lintang Moskow, hari terpendek hampir 2,5 kali lebih pendek daripada hari terpanjang! Saya bahkan tidak berbicara tentang wilayah sirkumpolar... Akibatnya, pada hari musim panas yang cerah, instalasi tenaga surya di dekat Moskow dapat menghasilkan energi yang tidak lebih sedikit daripada di khatulistiwa (matahari lebih rendah, tetapi siang hari lebih panjang). Namun, di musim dingin, ketika kebutuhan energi sangat tinggi, produksinya justru akan menurun beberapa kali lipat. Toh, selain pendek siang hari, sinar matahari musim dingin yang rendah, bahkan pada siang hari, harus melewati lapisan atmosfer yang jauh lebih tebal dan oleh karena itu kehilangan lebih banyak energi dalam jalur ini dibandingkan di musim panas, ketika matahari tinggi dan sinarnya melewati atmosfer hampir secara vertikal. (Ungkapan “matahari musim dingin yang dingin” memiliki arti yang paling langsung arti fisik). Namun, ini tidak berarti bahwa instalasi tenaga surya di zona tengah dan bahkan di wilayah yang lebih utara sama sekali tidak berguna - meskipun di musim dingin tidak banyak gunanya, tetapi selama hari-hari yang panjang, setidaknya enam bulan antara musim semi dan musim semi. ekuinoks musim gugur, mereka cukup efektif.

Yang paling menarik adalah penggunaan instalasi tenaga surya untuk menggerakkan AC yang semakin tersebar luas namun sangat “rakus”. Lagi pula, semakin kuat sinar matahari, semakin panas dan semakin dibutuhkan AC. Namun dalam kondisi seperti itu, instalasi tenaga surya juga mampu menghasilkan lebih banyak energi, dan energi tersebut akan digunakan oleh AC “di sini dan saat ini”; tidak perlu diakumulasikan dan disimpan! Selain itu, sama sekali tidak perlu mengubah energi menjadi bentuk listrik - mesin panas serapan menggunakan panas secara langsung, yang berarti bahwa alih-alih baterai fotovoltaik, Anda dapat menggunakan kolektor surya, yang paling efisien dalam cuaca cerah. cuaca panas. Benar, saya percaya bahwa AC hanya diperlukan di daerah yang panas, tanpa air, dan di daerah beriklim tropis lembab, serta di kota-kota modern, di mana pun lokasinya. Rumah pedesaan yang dirancang dan dibangun dengan baik, tidak hanya di zona tengah, tetapi juga di sebagian besar wilayah selatan Rusia, tidak memerlukan perangkat yang boros energi, besar, berisik, dan berubah-ubah.

Sayangnya, di daerah perkotaan, penggunaan instalasi tenaga surya yang lebih atau kurang kuat dengan manfaat praktis yang nyata hanya mungkin dilakukan dalam kasus yang jarang terjadi dan dalam keadaan yang sangat menguntungkan. Namun, saya tidak menganggap apartemen kota sebagai perumahan yang lengkap, karena fungsi normalnya bergantung pada terlalu banyak faktor yang tidak dapat dikendalikan langsung oleh penghuni karena alasan teknis semata, dan oleh karena itu jika terjadi kegagalan setidaknya salah satu sistem pendukung kehidupan untuk waktu yang kurang lebih lama Di gedung apartemen modern, kondisi di sana tidak dapat diterima untuk ditinggali (sebaliknya, apartemen di gedung bertingkat tinggi harus dianggap sebagai semacam kamar hotel, yang penduduk membeli untuk penggunaan tidak terbatas atau disewa dari pemerintah kota). Namun di luar kota, perhatian khusus terhadap energi surya dapat dibenarkan bahkan di lahan kecil seluas 6 hektar.

Fitur penempatan panel surya

Memilih orientasi panel surya yang optimal adalah salah satu masalah terpenting dalam penggunaan praktis instalasi surya jenis apa pun. Sayangnya, aspek ini sangat sedikit dibahas di berbagai situs yang didedikasikan untuk energi surya, meskipun mengabaikannya dapat mengurangi efisiensi panel ke tingkat yang tidak dapat diterima.

Faktanya adalah bahwa sudut datang sinar di permukaan sangat mempengaruhi koefisien refleksi, dan juga proporsi energi matahari yang tidak menerima. Misalnya, untuk kaca, ketika sudut datang menyimpang dari tegak lurus permukaannya hingga 30°, koefisien refleksi praktis tidak berubah dan sedikit kurang dari 5%, yaitu. lebih dari 95% radiasi yang terjadi masuk ke dalam. Selanjutnya, peningkatan pantulan menjadi nyata, dan pada suhu 60° pangsa radiasi yang dipantulkan berlipat ganda - hampir mencapai 10%. Pada sudut datang 70°, sekitar 20% radiasi dipantulkan, dan pada 80° - 40%. Untuk sebagian besar zat lain, ketergantungan derajat refleksi pada sudut datang kira-kira sama.

Yang lebih penting lagi adalah apa yang disebut area panel efektif, yaitu penampang fluks radiasi yang dicakupnya. Ini sama dengan luas sebenarnya panel dikalikan dengan sinus sudut antara bidangnya dan arah aliran (atau, yang sama, dengan kosinus sudut antara tegak lurus panel dan arah aliran. aliran). Oleh karena itu, jika panel tegak lurus terhadap aliran, maka luas efektifnya sama dengan luas sebenarnya, jika aliran menyimpang dari tegak lurus sebesar 60°, maka luasnya adalah setengah luas sebenarnya, dan jika aliran sejajar dengan panel, luas efektifnya adalah nol. Dengan demikian, penyimpangan aliran yang signifikan dari tegak lurus ke panel tidak hanya meningkatkan pantulan, namun juga mengurangi area efektifnya, yang menyebabkan penurunan produksi yang sangat nyata.

Jelasnya, untuk tujuan kita, yang paling efektif adalah orientasi konstan panel tegak lurus terhadap aliran sinar matahari. Namun hal ini memerlukan perubahan posisi panel pada dua bidang, karena posisi Matahari di langit tidak hanya bergantung pada waktu, tetapi juga pada waktu dalam setahun. Meskipun sistem seperti itu secara teknis mungkin dilakukan, sistem ini sangat kompleks, sehingga mahal dan tidak terlalu dapat diandalkan.

Namun, ingatlah bahwa pada sudut datang hingga 30°, koefisien refleksi pada antarmuka udara-kaca adalah minimal dan praktis tidak berubah, dan selama satu tahun, sudut kenaikan maksimum Matahari di atas cakrawala menyimpang. dari posisi rata-rata tidak lebih dari ±23°. Luas efektif panel ketika menyimpang dari tegak lurus sebesar 23° juga tetap cukup besar - setidaknya 92% dari luas sebenarnya. Oleh karena itu, Anda dapat fokus pada ketinggian tahunan rata-rata dari kenaikan maksimum Matahari dan, tanpa kehilangan efisiensi, membatasi diri Anda pada rotasi hanya dalam satu bidang - mengelilingi sumbu kutub Bumi dengan kecepatan 1 putaran per hari. . Sudut kemiringan sumbu rotasi tersebut relatif terhadap horizontal sama dengan garis lintang geografis tempat tersebut. Misalnya, untuk Moskow, yang terletak pada garis lintang 56°, sumbu rotasi tersebut harus miring ke utara sebesar 56° relatif terhadap permukaan (atau, dengan kata lain, menyimpang dari vertikal sebesar 34°). Rotasi semacam ini jauh lebih mudah untuk diatur, namun panel besar memerlukan banyak ruang untuk berputar dengan lancar. Selain itu, perlu untuk mengatur koneksi geser yang memungkinkan Anda menghilangkan semua energi yang diterimanya dari panel yang terus berputar, atau membatasi diri Anda pada komunikasi fleksibel dengan koneksi tetap, tetapi memastikan panel kembali otomatis di malam hari. - jika tidak, terpelintirnya dan rusaknya komunikasi yang menghilangkan energi tidak dapat dihindari . Kedua solusi tersebut secara signifikan meningkatkan kompleksitas dan mengurangi keandalan sistem. Ketika kekuatan panel (dan ukuran serta beratnya) meningkat, masalah teknis menjadi lebih kompleks secara eksponensial.

Sehubungan dengan semua hal di atas, hampir selalu panel instalasi surya individu dipasang tidak bergerak, yang menjamin murahnya relatif dan keandalan instalasi tertinggi. Namun, di sini pilihan sudut penempatan panel menjadi sangat penting. Mari kita pertimbangkan masalah ini dengan menggunakan contoh Moskow.

Mari kita lihat diagram insolasi untuk berbagai sudut pemasangan panel. Tentu saja, panel yang berputar setelah Matahari keluar dari kompetisi (garis oranye). Namun, meski dalam waktu lama hari-hari musim panas efisiensinya melebihi efisiensi panel tetap horizontal (biru) dan miring pada sudut optimal (merah) hanya sekitar 30%. Namun saat ini ada cukup kehangatan dan cahaya! Namun pada periode paling kekurangan energi yaitu pada bulan Oktober hingga Februari, keunggulan panel berputar dibandingkan panel tetap sangat minim dan hampir tidak terlihat. Benar, saat ini yang ditemani panel miring bukanlah panel horizontal, melainkan panel vertikal (garis hijau). Dan ini tidak mengherankan - sinar matahari musim dingin yang rendah meluncur melintasi panel horizontal, tetapi dapat ditangkap dengan baik oleh panel vertikal, yang hampir tegak lurus dengannya. Oleh karena itu, pada bulan Februari, November dan Desember, panel vertikal lebih efektif daripada panel miring dan hampir tidak berbeda dengan panel putar. Pada bulan Maret dan Oktober, hari-hari lebih panjang, dan panel berputar sudah mulai dengan percaya diri (meskipun tidak terlalu banyak) mengungguli opsi tetap, namun efektivitas panel miring dan vertikal hampir sama. Dan hanya selama periode hari yang panjang dari bulan April hingga Agustus, panel horizontal berada di depan panel vertikal dalam hal energi yang diterima dan mendekati panel miring, dan pada bulan Juni bahkan sedikit melebihi panel tersebut. Hilangnya panel vertikal pada musim panas adalah hal yang wajar - lagi pula, katakanlah, hari ekuinoks musim panas berlangsung di Moskow selama lebih dari 17 jam, dan di belahan depan (yang berfungsi) panel vertikal, Matahari dapat bertahan tidak lebih dari 12 jam, sisa 5 jam lebih (hampir sepertiga siang hari!) telah berlalu. Jika kita memperhitungkan bahwa pada sudut datang lebih dari 60°, proporsi cahaya yang dipantulkan dari permukaan panel mulai bertambah dengan cepat, dan luas efektifnya berkurang setengah atau lebih, maka waktu persepsi efektif adalah radiasi matahari untuk panel tersebut tidak melebihi 8 jam - yaitu kurang dari 50 % dari total durasi hari. Inilah yang menjelaskan fakta bahwa kinerja panel vertikal stabil sepanjang periode hari yang panjang - dari bulan Maret hingga September. Dan terakhir, bulan Januari agak berbeda - di bulan ini kinerja panel dari semua orientasi hampir sama. Faktanya adalah bulan ini di Moskow sangat berawan, dan lebih dari 90% energi matahari berasal dari radiasi yang tersebar, dan untuk radiasi seperti itu, orientasi panel tidak terlalu penting (yang utama adalah jangan mengarahkannya ke tanah). Namun, beberapa hari cerah yang masih terjadi di bulan Januari mengurangi produksi panel horizontal sebesar 20% dibandingkan hari lainnya.

Sudut kemiringan apa yang harus Anda pilih? Itu semua tergantung kapan tepatnya Anda membutuhkan energi surya. Jika Anda ingin menggunakannya hanya selama periode hangat (misalnya, di pedesaan), maka Anda harus memilih apa yang disebut sudut kemiringan “optimal”, tegak lurus dengan posisi rata-rata Matahari antara ekuinoks musim semi dan musim gugur. . Jaraknya kira-kira 10°..15° lebih kecil dari garis lintang geografis dan untuk Moskow 40°..45°. Jika Anda membutuhkan energi sepanjang tahun, maka Anda harus “memeras” secara maksimal pada bulan-bulan musim dingin yang kekurangan energi, yang berarti Anda harus fokus pada posisi rata-rata Matahari antara ekuinoks musim gugur dan musim semi dan menempatkan panel lebih dekat ke vertikal - 5° .. 15° lebih besar dari garis lintang geografis (untuk Moskow akan menjadi 60° .. 70°). Jika, karena alasan arsitektur atau desain, tidak mungkin mempertahankan sudut tersebut dan Anda harus memilih antara sudut kemiringan 40° atau kurang atau pemasangan vertikal, Anda sebaiknya memilih posisi vertikal. Pada saat yang sama, “kekurangan” energi pada hari-hari musim panas yang panjang tidak begitu kritis - selama periode ini terdapat banyak panas dan cahaya alami, dan kebutuhan akan produksi energi biasanya tidak sebesar di musim dingin dan di luar musim panas. -musim. Tentu saja, kemiringan panel harus berorientasi ke selatan, meskipun penyimpangan dari arah ini sebesar 10° .. 15° ke timur atau barat tidak banyak berubah dan oleh karena itu cukup dapat diterima.

Penempatan panel surya secara horizontal di seluruh Rusia tidak efektif dan sepenuhnya tidak dapat dibenarkan. Selain penurunan produksi energi yang terlalu besar pada periode musim gugur-musim dingin, debu menumpuk secara intensif pada panel horizontal, dan juga salju di musim dingin, dan debu tersebut hanya dapat dihilangkan dari sana dengan bantuan pembersihan yang diselenggarakan secara khusus (biasanya secara manual). Jika kemiringan panel melebihi 60°, maka salju di permukaannya tidak akan bertahan lama dan biasanya cepat hancur dengan sendirinya, dan lapisan tipis debu mudah tersapu oleh hujan.

Karena harga peralatan tenaga surya telah turun akhir-akhir ini, mungkin akan lebih menguntungkan, daripada menggunakan satu bidang panel surya yang berorientasi ke selatan, untuk menggunakan dua bidang dengan daya total yang lebih tinggi, berorientasi ke arah yang berdekatan (tenggara dan barat daya) dan bahkan berlawanan (timur). dan barat) arah mata angin. Hal ini akan memastikan produksi yang lebih seragam pada hari-hari cerah dan peningkatan produksi pada hari-hari berawan, sementara peralatan lainnya akan tetap dirancang untuk daya yang sama dan relatif rendah, sehingga akan lebih kompak dan lebih murah.

Dan satu hal terakhir. Kaca, yang permukaannya tidak halus, tetapi memiliki relief khusus, mampu menangkap cahaya samping dengan lebih efisien dan meneruskannya ke elemen kerja panel surya. Tampaknya yang paling optimal adalah relief bergelombang dengan orientasi tonjolan dan cekungan dari utara ke selatan (untuk panel vertikal - dari atas ke bawah) - semacam lensa linier. Kaca bergelombang dapat meningkatkan produksi panel tetap sebesar 5% atau lebih.

Jenis instalasi energi surya tradisional

Dari waktu ke waktu ada laporan tentang pembangunan pembangkit listrik tenaga surya (SPP) atau pabrik desalinasi lainnya. Kolektor surya termal dan panel surya fotovoltaik digunakan di seluruh dunia, dari Afrika hingga Skandinavia. Metode penggunaan energi matahari ini telah berkembang selama beberapa dekade; banyak situs di Internet yang membahasnya. Oleh karena itu, di sini saya akan membahasnya secara umum. Namun, satu poin penting yang praktis tidak tercakup di Internet - ini adalah pilihan parameter spesifik saat membuat sistem pasokan tenaga surya individual. Padahal, pertanyaan ini tidak sesederhana kelihatannya pada pandangan pertama. Contoh pemilihan parameter untuk sistem tenaga surya diberikan pada halaman terpisah.

Panel surya

Secara umum, “baterai surya” dapat dipahami sebagai kumpulan modul identik yang menyerap radiasi matahari dan digabungkan menjadi satu perangkat, termasuk perangkat termal murni, tetapi secara tradisional istilah ini digunakan secara khusus untuk panel konverter fotolistrik. Oleh karena itu, istilah “baterai surya” hampir selalu berarti perangkat fotovoltaik yang secara langsung mengubah radiasi matahari menjadi arus listrik. Teknologi ini aktif berkembang sejak pertengahan abad ke-20. Insentif besar bagi pengembangannya adalah eksplorasi luar angkasa, di mana baterai tenaga surya saat ini hanya dapat bersaing dengan sumber energi nuklir berukuran kecil dalam hal daya yang dihasilkan dan waktu pengoperasian. Selama masa ini, efisiensi konversi baterai tenaga surya meningkat dari satu atau dua persen menjadi 17% atau lebih pada model yang diproduksi secara massal dan relatif murah, serta lebih dari 42% pada model prototipe. Masa pakai dan keandalan operasional telah meningkat secara signifikan.

Keuntungan panel surya

Keuntungan utama panel surya adalah kesederhanaan desainnya yang ekstrem dan tidak adanya bagian yang bergerak. Hasilnya adalah bobot spesifik yang rendah dan kesederhanaan dikombinasikan dengan keandalan yang tinggi, serta pemasangan yang paling sederhana dan persyaratan perawatan yang minimal selama pengoperasian (biasanya cukup dengan menghilangkan kotoran dari permukaan kerja yang menumpuk). Mewakili elemen datar dengan ketebalan kecil, mereka cukup berhasil ditempatkan di kemiringan atap yang menghadap matahari atau di dinding rumah, praktis tanpa memerlukan ruang tambahan atau konstruksi struktur besar yang terpisah. Satu-satunya syarat adalah tidak ada yang mengaburkannya selama mungkin.

Keuntungan penting lainnya adalah energi dihasilkan segera dalam bentuk listrik – dalam bentuk yang paling universal dan nyaman hingga saat ini.

Sayangnya, tidak ada yang bertahan selamanya - efisiensi konverter fotovoltaik menurun seiring masa pakainya. Wafer semikonduktor, yang biasanya membentuk panel surya, seiring waktu menurun dan kehilangan sifat-sifatnya, akibatnya efisiensi sel surya yang sudah tidak terlalu tinggi menjadi semakin rendah. Paparan suhu tinggi dalam waktu lama mempercepat proses ini. Pada awalnya saya mencatat ini sebagai kelemahan baterai fotovoltaik, terutama karena sel fotovoltaik yang “mati” tidak dapat dipulihkan. Namun, tidak mungkin generator listrik mekanis mana pun akan mampu menunjukkan efisiensi setidaknya 1% setelah hanya 10 tahun beroperasi terus-menerus - kemungkinan besar generator tersebut akan memerlukan perbaikan serius jauh lebih awal karena keausan mekanis, jika bukan pada bantalan, maka pada sikat. - dan konverter foto modern mampu mempertahankan efisiensinya selama beberapa dekade. Menurut perkiraan optimis, selama 25 tahun efisiensi baterai surya hanya berkurang 10%, yang berarti jika faktor lain tidak ikut campur, bahkan setelah 100 tahun hampir 2/3 dari efisiensi aslinya akan tetap ada. Namun, untuk sel fotovoltaik komersial massal yang berbahan dasar silikon poli dan monokristalin, produsen dan penjual yang jujur ​​memberikan angka penuaan yang sedikit berbeda - setelah 20 tahun kita akan memperkirakan hilangnya efisiensi hingga 20% (maka secara teoritis setelah 40 tahun efisiensinya akan menjadi 2 /3 dari produktivitas awal, berkurang setengahnya dalam 60 tahun, dan setelah 100 tahun akan tersisa sedikit kurang dari 1/3 produktivitas awal). Secara keseluruhan, periode biasa Masa pakai konverter foto modern setidaknya 25...30 tahun, jadi degradasi tidak begitu penting, dan jauh lebih penting untuk membersihkan debu dari konverter tersebut tepat waktu...

Jika baterai dipasang sedemikian rupa sehingga praktis tidak ada debu alami atau langsung tersapu oleh hujan alami, maka baterai akan dapat beroperasi tanpa perawatan apa pun selama bertahun-tahun. Kemampuan untuk beroperasi dalam waktu lama dalam mode bebas perawatan merupakan keuntungan besar lainnya.

Terakhir, panel surya mampu menghasilkan energi dari fajar hingga senja, bahkan dalam cuaca mendung ketika pengumpul panas matahari hanya sedikit berbeda dari suhu sekitar. Tentu saja dibandingkan dengan yang jelas pada hari yang cerah produktivitas mereka turun berkali-kali lipat, namun ada sesuatu yang lebih baik daripada tidak sama sekali! Dalam hal ini, pengembangan baterai dengan konversi energi maksimum pada rentang di mana awan menyerap radiasi matahari paling sedikit menjadi perhatian khusus. Selain itu, ketika memilih fotokonverter surya, Anda harus memperhatikan ketergantungan tegangan yang dihasilkannya pada penerangan - tegangannya harus sekecil mungkin (ketika penerangan berkurang, arus, bukan tegangan, yang harus turun terlebih dahulu, karena jika tidak, ke memperoleh setidaknya beberapa efek yang berguna pada hari berawan, Anda harus menggunakan peralatan tambahan yang mahal yang secara paksa meningkatkan tegangan ke tingkat minimum yang cukup untuk mengisi daya baterai dan mengoperasikan inverter).

Kekurangan panel surya

Tentu saja panel surya memiliki banyak kekurangan. Selain tergantung pada cuaca dan waktu, hal-hal berikut dapat diperhatikan.

Efisiensi rendah. Kolektor surya yang sama dengan membuat pilihan yang tepat bentuk dan material permukaannya mampu menyerap hampir seluruh radiasi matahari yang menerpanya di hampir seluruh spektrum frekuensi yang membawa energi nyata - dari inframerah jauh hingga rentang ultraviolet. Baterai surya mengubah energi secara selektif - untuk eksitasi kerja atom, diperlukan energi foton (frekuensi radiasi) tertentu, oleh karena itu pada beberapa pita frekuensi konversi sangat efektif, sedangkan rentang frekuensi lainnya tidak berguna bagi mereka. Selain itu, energi foton yang ditangkap oleh mereka digunakan secara kuantum - "kelebihannya", melebihi tingkat yang diperlukan, digunakan untuk memanaskan bahan fotokonverter, yang dalam hal ini berbahaya. Hal inilah yang menyebabkan rendahnya efisiensi mereka.
Omong-omong, jika Anda memilih bahan pelapis pelindung yang salah, Anda dapat mengurangi efisiensi baterai secara signifikan. Masalah ini diperburuk oleh fakta bahwa kaca biasa menyerap bagian ultraviolet berenergi tinggi dari kisaran tersebut dengan cukup baik, dan untuk beberapa jenis fotosel kisaran khusus ini sangat relevan - energi foton inframerah terlalu rendah untuk mereka.

Sensitivitas terhadap suhu tinggi. Ketika suhu meningkat, efisiensi sel surya, seperti hampir semua perangkat semikonduktor lainnya, menurun. Pada suhu di atas 100..125°C, perangkat tersebut mungkin kehilangan fungsinya untuk sementara, dan pemanasan yang lebih besar dapat menyebabkan kerusakan permanen. Di samping itu suhu tinggi mempercepat degradasi fotosel. Oleh karena itu, segala upaya perlu dilakukan untuk mengurangi pemanasan yang tidak dapat dihindari di bawah terik sinar matahari langsung. Biasanya, pabrikan membatasi kisaran suhu pengoperasian nominal fotosel hingga +70°..+90°C (ini berarti pemanasan elemen itu sendiri, dan suhu sekitar, tentu saja, harus jauh lebih rendah).
Situasi yang lebih rumit adalah bahwa permukaan sensitif dari fotosel yang agak rapuh sering kali ditutupi dengan kaca pelindung atau plastik transparan. Jika masih ada celah udara antara penutup pelindung dan permukaan fotosel, semacam “rumah kaca” akan terbentuk, yang memperparah panas berlebih. Benar, dengan meningkatkan jarak antara kaca pelindung dan permukaan fotosel dan menghubungkan rongga ini dengan atmosfer di atas dan di bawah, aliran udara konveksi dapat diatur, tentu saja fotosel pendingin. Namun, di bawah sinar matahari yang cerah dan pada suhu luar yang tinggi, ini mungkin tidak cukup; terlebih lagi, metode ini berkontribusi terhadap percepatan debu pada permukaan kerja fotosel. Oleh karena itu, bahkan baterai surya yang tidak terlalu besar mungkin memerlukan sistem pendingin khusus. Sejujurnya, harus dikatakan bahwa sistem seperti itu biasanya mudah diotomatisasi, dan penggerak kipas atau pompa hanya mengkonsumsi sebagian kecil dari energi yang dihasilkan. Dengan tidak adanya sinar matahari yang terik, tidak banyak pemanasan dan tidak diperlukan pendinginan sama sekali, sehingga energi yang dihemat dalam menggerakkan sistem pendingin dapat digunakan untuk keperluan lain. Perlu dicatat bahwa pada panel modern buatan pabrik, lapisan pelindung biasanya menempel erat pada permukaan fotosel dan menghilangkan panas dari luar, tetapi pada desain buatan sendiri, kontak mekanis dengan kaca pelindung dapat merusak fotosel.

Sensitivitas terhadap ketidakrataan iluminasi. Biasanya, untuk mendapatkan tegangan pada keluaran baterai yang lebih atau kurang nyaman untuk digunakan (12, 24 volt atau lebih), fotosel dihubungkan dalam rangkaian seri. Arus di setiap rangkaian tersebut, dan karenanya kekuatannya, ditentukan oleh mata rantai terlemah - fotosel dengan karakteristik terburuk atau dengan pencahayaan terendah. Oleh karena itu, jika setidaknya satu elemen rangkaian berada dalam bayangan, ini secara signifikan mengurangi keluaran seluruh rangkaian - kerugiannya tidak sebanding dengan bayangan (selain itu, jika tidak ada dioda pelindung, elemen tersebut akan mulai menghilangkan daya yang dihasilkan oleh elemen yang tersisa!). Pengurangan keluaran yang tidak proporsional hanya dapat dihindari dengan menghubungkan semua fotosel secara paralel, tetapi keluaran baterai akan memiliki terlalu banyak arus pada tegangan yang terlalu rendah - biasanya untuk masing-masing fotosel hanya 0,5 .. 0,7 V, tergantung pada jenisnya dan ukuran beban.

Sensitivitas terhadap polusi. Bahkan lapisan kotoran yang hampir tidak terlihat pada permukaan sel surya atau kaca pelindung dapat menyerap sebagian besar sinar matahari dan mengurangi produksi energi secara signifikan. Di kota yang berdebu, permukaan panel surya perlu sering dibersihkan, terutama yang dipasang secara horizontal atau agak miring. Tentu saja, prosedur yang sama diperlukan setelah setiap hujan salju dan setelah badai debu... Namun, jauh dari kota, kawasan industri, jalan raya yang sibuk, dan sumber debu kuat lainnya dengan sudut 45° atau lebih, hujan cukup mampu menyebabkan hujan. membersihkan debu alami dari permukaan panel, “secara otomatis” menjaganya dalam kondisi cukup bersih. Dan salju di lereng seperti itu, yang juga menghadap ke selatan, biasanya tidak bertahan lama bahkan pada hari yang sangat dingin. Jadi, jauh dari sumber polusi atmosfer, panel surya bisa beroperasi dengan sukses selama bertahun-tahun tanpa perawatan sama sekali, andai saja ada matahari di langit!

Terakhir, hambatan terakhir namun terpenting terhadap meluasnya penggunaan panel surya fotovoltaik adalah harganya yang agak mahal. Biaya elemen baterai surya saat ini setidaknya 1 $/W (1 kW - $1000), dan ini untuk modifikasi efisiensi rendah tanpa memperhitungkan biaya perakitan dan pemasangan panel, serta tanpa memperhitungkan biaya harga baterai, pengontrol pengisian daya dan inverter (pengonversi arus searah tegangan rendah yang dihasilkan ke standar rumah tangga atau industri). Dalam kebanyakan kasus, untuk memperkirakan biaya riil minimum, angka-angka ini harus dikalikan 3-5 kali lipat saat merakit sendiri dari sel surya individual dan 6-10 kali lipat saat membeli set peralatan yang sudah jadi (ditambah biaya pemasangan).

Dari semua elemen sistem catu daya yang menggunakan baterai fotovoltaik, baterai memiliki masa pakai terpendek, tetapi produsen baterai modern bebas perawatan mengklaim bahwa dalam mode buffer, baterai akan bekerja selama sekitar 10 tahun (atau akan berfungsi 1000 siklus pengisian dan pengosongan yang kuat secara tradisional - jika Anda menghitung satu siklus per hari, maka dalam mode ini siklus tersebut akan bertahan selama 3 tahun). Saya perhatikan bahwa biaya baterai biasanya hanya 10-20% dari total biaya keseluruhan sistem, dan biaya inverter dan pengontrol muatan (keduanya merupakan produk elektronik yang kompleks, dan oleh karena itu ada kemungkinan kegagalannya) bahkan lebih sedikit. Jadi, dengan mempertimbangkan masa pakai yang lama dan kemampuan untuk bekerja dalam waktu lama tanpa perawatan apa pun, konverter foto mungkin membayar sendiri lebih dari sekali selama masa pakainya, dan tidak hanya di daerah terpencil, tetapi juga di daerah berpenduduk - jika listrik tarif akan terus meningkat dengan kecepatan saat ini!

Kolektor panas matahari

Nama “kolektor surya” diberikan untuk perangkat yang menggunakan pemanasan langsung dengan panas matahari, baik tunggal maupun bertumpuk (modular). Contoh paling sederhana kolektor surya termal - tangki air hitam di atap pancuran pedesaan yang disebutkan di atas (omong-omong, efisiensi pemanasan air di pancuran musim panas dapat ditingkatkan secara signifikan dengan membangun rumah kaca mini di sekitar tangki, setidaknya dari plastik film; diinginkan ada celah antara film dan dinding tangki di bagian atas dan samping 4-5 cm).

Namun, kolektor modern memiliki sedikit kemiripan dengan tangki semacam itu. Biasanya berupa struktur datar yang terbuat dari tabung tipis menghitam yang disusun dalam pola kisi atau ular. Tabung dapat dipasang pada lembaran substrat penghantar panas yang menghitam, yang memerangkap panas matahari memasuki ruang di antara keduanya - hal ini memungkinkan panjang keseluruhan tabung dikurangi tanpa kehilangan efisiensi. Untuk mengurangi kehilangan panas dan meningkatkan pemanasan, kolektor dapat ditutup dari atas dengan lembaran kaca atau polikarbonat seluler transparan, dan dengan sisi sebaliknya Lembaran pendistribusi panas mencegah kehilangan panas yang tidak berguna dengan lapisan isolasi termal - semacam "rumah kaca" diperoleh. Air panas atau cairan pendingin lainnya bergerak melalui tabung, yang dapat ditampung dalam tangki penyimpanan berinsulasi termal. Pendingin bergerak di bawah aksi pompa atau gravitasi karena perbedaan kepadatan cairan pendingin sebelum dan sesudah pengumpul termal. Dalam kasus terakhir, sirkulasi yang kurang lebih efisien memerlukan pemilihan lereng dan bagian pipa yang cermat serta penempatan kolektor itu sendiri serendah mungkin. Namun biasanya kolektor ditempatkan di tempat yang sama dengan baterai surya - di dinding yang cerah atau di lereng atap yang cerah, meskipun tangki penyimpanan tambahan harus ditempatkan di suatu tempat. Tanpa tangki seperti itu, selama pemulihan panas yang intensif (misalnya, jika Anda perlu mengisi bak mandi atau mandi), kapasitas pengumpul mungkin tidak cukup, dan dalam waktu singkat air yang sedikit hangat akan mengalir dari keran.

Kaca pelindung, tentu saja, mengurangi efisiensi kolektor, menyerap dan memantulkan beberapa persen energi matahari, bahkan jika sinarnya jatuh tegak lurus. Ketika sinar mengenai kaca agak miring ke permukaan, koefisien refleksinya bisa mendekati 100%. Oleh karena itu, dengan tidak adanya angin dan hanya memerlukan sedikit pemanasan dibandingkan dengan udara di sekitarnya (misalnya 5-10 derajat, untuk menyiram taman), struktur “terbuka” bisa lebih efektif daripada struktur “berkaca”. Namun begitu diperlukan perbedaan suhu beberapa puluh derajat atau jika angin tidak terlalu kencang, kehilangan panas pada struktur terbuka meningkat dengan cepat, dan kaca pelindung, dengan segala kekurangannya, menjadi suatu kebutuhan.

Catatan penting - perlu diingat bahwa pada hari yang cerah dan terik, jika tidak dianalisis, air dapat menjadi terlalu panas di atas titik didih, oleh karena itu, tindakan pencegahan yang tepat harus diambil dalam desain kolektor (menyediakan keamanan katup). Pada kolektor terbuka tanpa kaca pelindung, panas berlebih biasanya tidak menjadi masalah.

Baru-baru ini, kolektor surya berdasarkan apa yang disebut pipa panas telah mulai digunakan secara luas (jangan bingung dengan “pipa panas” yang digunakan untuk menghilangkan panas dalam sistem pendingin komputer!). Berbeda dengan desain yang dibahas di atas, di sini setiap tabung logam panas tempat pendingin bersirkulasi disolder ke dalam tabung kaca, dan udara dipompa keluar dari ruang di antara keduanya. Ternyata analognya adalah termos, di mana karena isolasi termal vakum, kehilangan panas berkurang 20 kali lipat atau lebih. Akibatnya, menurut produsen, ketika suhu beku -35°C di bagian luar kaca, air berada di dalam tabung logam bagian dalam dengan lapisan khusus yang menyerap sebanyak mungkin. jangkauan luas radiasi matahari, memanas hingga +50..+70°С (perbedaan lebih dari 100°С). Penyerapan efektif dikombinasikan dengan insulasi termal yang sangat baik memungkinkan Anda memanaskan cairan pendingin bahkan dalam cuaca berawan, meskipun daya pemanasnya, tentu saja , beberapa kali lebih sedikit dibandingkan di bawah sinar matahari cerah. Poin kuncinya di sini untuk memastikan kelestarian vakum di celah antara tabung, yaitu kekencangan vakum pada sambungan kaca dan logam, dalam kisaran suhu yang sangat luas, mencapai 150 ° C, sepanjang masa pakai bertahun-tahun . Karena alasan ini, dalam pembuatan kolektor seperti itu tidak mungkin dilakukan tanpa koordinasi yang cermat terhadap koefisien muai panas kaca dan logam serta teknologi tinggi. proses produksi, yang berarti bahwa dalam kondisi artisanal kecil kemungkinannya untuk membuat pipa panas vakum yang lengkap. Tetapi desain kolektor yang lebih sederhana dapat dibuat secara mandiri tanpa masalah, meskipun, tentu saja, efisiensinya agak berkurang, terutama di musim dingin.

Selain kolektor surya cair yang dijelaskan di atas, ada jenis struktur menarik lainnya: udara (pendinginnya adalah udara, dan tidak takut beku), “kolam surya”, dll. Sayangnya, sebagian besar penelitian dan pengembangan kolektor surya Oleh karena itu, dikhususkan untuk model cair pandangan alternatif Mereka praktis tidak diproduksi secara massal dan tidak banyak informasi tentangnya.

Keuntungan dari kolektor surya

Keuntungan terpenting dari kolektor surya adalah kesederhanaan dan biaya pembuatannya yang relatif murah. pilihan yang efektif, dikombinasikan dengan kesederhanaan dalam pengoperasian. Persyaratan minimum untuk membuat kolektor dengan tangan Anda sendiri adalah beberapa meter pipa tipis (lebih disukai tembaga berdinding tipis - dapat ditekuk dengan radius minimum) dan sedikit cat hitam, setidaknya pernis bitumen. Tekuk tabung seperti ular dan cat cat hitam, letakkan di tempat yang terkena sinar matahari, sambungkan ke saluran air, dan sekarang kolektor surya paling sederhana sudah siap! Pada saat yang sama, kumparan dapat dengan mudah diberikan hampir semua konfigurasi dan memanfaatkan secara maksimal semua ruang yang dialokasikan untuk kolektor. Penghitaman paling efektif yang dapat diterapkan dalam kondisi artisanal dan juga sangat tahan terhadap suhu tinggi dan sinar matahari langsung, terdapat lapisan jelaga yang tipis. Namun, jelaga mudah terhapus dan hilang, jadi untuk menghitamkan Anda pasti membutuhkan kaca pelindung dan tindakan khusus untuk mencegah kemungkinan kondensasi mencapai permukaan yang tertutup jelaga.

Keuntungan penting lainnya dari kolektor adalah, tidak seperti panel surya, mereka mampu menangkap dan mengubah hingga 90% radiasi matahari yang menerpa menjadi panas, dan dalam kasus yang paling berhasil, bahkan lebih banyak lagi. Oleh karena itu, tidak hanya pada cuaca cerah, tetapi juga pada kondisi mendung ringan, efisiensi kolektor melebihi efisiensi baterai fotovoltaik. Terakhir, tidak seperti baterai fotovoltaik, penerangan permukaan yang tidak merata tidak menyebabkan penurunan efisiensi kolektor yang tidak proporsional - hanya fluks radiasi total (terintegrasi) yang penting.

Kekurangan kolektor surya

Namun kolektor surya lebih sensitif terhadap cuaca dibandingkan panel surya. Bahkan di bawah sinar matahari yang cerah, angin segar dapat mengurangi efisiensi pemanasan penukar panas terbuka berkali-kali lipat. Kaca pelindung, tentu saja, secara tajam mengurangi kehilangan panas dari angin, tetapi dalam kasus awan tebal, kaca juga tidak berdaya. Dalam cuaca mendung dan berangin, kolektor praktis tidak ada gunanya, tetapi baterai surya setidaknya menghasilkan sejumlah energi.

Di antara kelemahan kolektor surya lainnya, pertama-tama saya akan menyoroti musimnya. Embun beku malam musim semi atau musim gugur yang singkat sudah cukup untuk membuat es terbentuk di pipa pemanas sehingga menimbulkan bahaya pecahnya es. Tentu saja, hal ini dapat dihilangkan dengan memanaskan “rumah kaca” dengan koil dengan sumber panas pihak ketiga pada malam yang dingin, tetapi dalam kasus ini efisiensi energi kolektor secara keseluruhan dapat dengan mudah menjadi negatif! Pilihan lain - manifold sirkuit ganda dengan antibeku di sirkuit eksternal - tidak memerlukan konsumsi energi untuk pemanasan, tetapi akan jauh lebih rumit daripada opsi sirkuit tunggal dengan pemanas air langsung, baik dalam produksi maupun selama pengoperasian. Pada prinsipnya, struktur udara tidak dapat membeku, tetapi ada masalah lain - rendahnya kapasitas panas spesifik udara.

Namun, mungkin, kelemahan utama kolektor surya adalah bahwa ia merupakan alat pemanas, dan meskipun sampel yang diproduksi secara industri, tanpa adanya analisis panas, dapat memanaskan cairan pendingin hingga 190..200 ° C, suhu yang biasanya dicapai jarang melebihi 60..80 °C. Oleh karena itu, sangat sulit menggunakan panas yang diekstraksi untuk memperoleh kerja mekanik atau energi listrik dalam jumlah besar. Lagi pula, bahkan untuk pengoperasian turbin uap-air bersuhu paling rendah (misalnya, yang pernah dijelaskan oleh V.A. Zysin), air perlu dipanaskan secara berlebihan hingga setidaknya 110°C! Dan energi langsung dalam bentuk panas, seperti diketahui, tidak disimpan dalam waktu lama, bahkan pada suhu kurang dari 100°C biasanya hanya dapat digunakan untuk penyediaan air panas dan pemanas rumah. Namun, mengingat biaya rendah dan kemudahan pembuatannya, ini mungkin merupakan alasan yang cukup untuk membeli kolektor surya Anda sendiri.

Agar adil, perlu dicatat bahwa siklus operasi "normal" dari mesin kalor dapat diatur pada suhu di bawah 100 ° C - baik jika titik didih diturunkan dengan mengurangi tekanan di bagian penguapan dengan memompa uap keluar dari sana. , atau dengan menggunakan cairan yang titik didihnya terletak antara suhu pemanasan kolektor surya dan suhu udara sekitar (optimal - 50..60°C). Benar, saya hanya dapat mengingat satu cairan non-eksotis dan relatif aman yang kurang lebih memenuhi kondisi ini - ini adalah etil alkohol, dalam kondisi normal mendidih pada suhu 78°C. Jelasnya, dalam hal ini, perlu untuk mengatur siklus tertutup, memecahkan banyak masalah terkait. Dalam beberapa situasi, penggunaan mesin dengan pemanas eksternal (mesin Stirling) mungkin menjanjikan. Yang menarik dalam hal ini mungkin juga penggunaan paduan dengan efek memori bentuk, yang dijelaskan di situs ini dalam artikel oleh I.V. Nigel - paduan tersebut hanya memerlukan perbedaan suhu 25-30 ° C untuk beroperasi.

Konsentrasi Energi Matahari

Peningkatan efisiensi kolektor surya terutama melibatkan peningkatan suhu air panas di atas titik didih. Hal ini biasanya dilakukan dengan memusatkan energi matahari pada kolektor menggunakan cermin. Prinsip inilah yang mendasari sebagian besar pembangkit listrik tenaga surya; perbedaannya hanya terletak pada jumlah, konfigurasi dan penempatan cermin dan kolektor, serta metode pengendalian cermin. Akibatnya, pada titik fokus sangat mungkin untuk mencapai suhu tidak bahkan ratusan, tetapi ribuan derajat - pada suhu seperti itu, dekomposisi termal langsung air menjadi hidrogen dan oksigen sudah dapat terjadi (hidrogen yang dihasilkan dapat dibakar. pada malam hari dan pada hari berawan)!

Sayangnya, pengoperasian efektif instalasi semacam itu tidak mungkin dilakukan tanpa sistem kontrol kompleks untuk memusatkan cermin, yang harus melacak posisi Matahari yang terus berubah di langit. Jika tidak, dalam beberapa menit titik fokus akan meninggalkan kolektor, yang sering kali terjadi dalam sistem seperti itu ukuran kecil, dan pemanasan fluida kerja akan berhenti. Bahkan penggunaan cermin paraboloid hanya menyelesaikan sebagian masalah - jika cermin tersebut tidak diputar secara berkala setelah Matahari, maka setelah beberapa jam cermin tersebut tidak akan lagi jatuh ke dalam mangkuknya atau hanya akan menerangi tepinya - ini tidak akan banyak gunanya.

Cara termudah untuk memusatkan energi matahari di rumah adalah dengan menempatkan cermin secara horizontal di dekat kolektor sehingga sinar matahari hampir sepanjang hari menyinari kolektor. Pilihan yang menarik- gunakan permukaan reservoir yang dibuat khusus di dekat rumah sebagai cermin, apalagi jika tidak badan air biasa, tetapi sebuah “kolam surya” (walaupun hal ini tidak mudah dilakukan, dan efisiensi pantulan akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan cermin konvensional). Hasil yang bagus dapat membuat sistem konsentrator cermin vertikal (ide ini biasanya jauh lebih merepotkan, tetapi dalam beberapa kasus mungkin cukup dibenarkan untuk memasang cermin besar di dinding yang berdekatan jika membentuk sudut internal dengan kolektor - semuanya tergantung pada konfigurasi dan lokasi bangunan dan kolektor).

Mengarahkan radiasi matahari menggunakan cermin juga dapat meningkatkan keluaran baterai fotovoltaik. Namun pada saat yang sama, pemanasannya meningkat, dan ini dapat merusak baterai. Oleh karena itu, dalam hal ini, Anda harus membatasi diri pada keuntungan yang relatif kecil (beberapa puluh persen, tetapi tidak berkali-kali), dan Anda perlu memonitor suhu baterai dengan cermat, terutama dalam cuaca panas. hari yang cerah! Justru karena bahaya panas berlebih, beberapa produsen baterai fotovoltaik secara langsung melarang pengoperasian produk mereka di bawah penerangan yang ditingkatkan yang dibuat dengan bantuan reflektor tambahan.

Mengubah energi matahari menjadi energi mekanik

Instalasi tenaga surya jenis tradisional tidak secara langsung menghasilkan kerja mekanis. Untuk melakukan ini, motor listrik harus dihubungkan ke baterai surya pada fotokonverter, dan saat menggunakan kolektor surya termal, uap super panas (dan untuk panas berlebih tidak mungkin terjadi tanpa cermin konsentrasi) harus disuplai ke saluran masuk uap. turbin atau ke silinder mesin uap. Kolektor dengan panas yang relatif sedikit dapat mengubah panas menjadi gerakan mekanis dengan cara yang lebih eksotis, seperti menggunakan aktuator paduan memori bentuk.

Namun, ada juga instalasi yang melibatkan konversi panas matahari menjadi kerja mekanis, yang langsung dimasukkan ke dalam desainnya. Selain itu, ukuran dan kekuatannya sangat berbeda - ini adalah proyek menara surya besar setinggi ratusan meter, dan pompa surya sederhana, yang akan ditempatkan di pondok musim panas.

Meningkatnya harga energi di Rusia memaksa masyarakat untuk menunjukkan minat terhadap sumber energi murah. Yang paling mudah diakses adalah energi surya. Energi radiasi matahari yang jatuh ke bumi 10.000 kali lebih besar dari jumlah energi yang dihasilkan umat manusia. Permasalahan muncul dalam teknologi pengumpulan energi dan akibat tidak meratanya pasokan energi ke pembangkit listrik tenaga surya. Oleh karena itu, kolektor surya dan baterai surya digunakan bersama dengan baterai penyimpan energi atau sebagai sarana pengisian ulang tambahan untuk pembangkit listrik utama.

Negara kita sangat luas dan distribusi energi surya di seluruh wilayahnya sangat beragam.

Data masukan energi matahari rata-rata

Intensitas masukan energi matahari

Zona intensitas radiasi matahari maksimum. Lebih dari 5 kW disuplai per 1 meter persegi. jam. energi matahari per hari.

Di sepanjang perbatasan selatan Rusia dari Danau Baikal hingga Vladivostok, di wilayah Yakutsk, di selatan Republik Tyva dan Republik Buryatia, anehnya, di luar Lingkaran Arktik di bagian timur Severnaya Zemlya.

Masukan energi matahari dari 4 hingga 4,5 kW. jam per 1 persegi. meter per hari

Wilayah Krasnodar, Kaukasus Utara, Wilayah Rostov, bagian selatan wilayah Volga, wilayah selatan Novosibirsk, wilayah Irkutsk, Buryatia, Tyva, Khakassia, Wilayah Primorsky dan Khabarovsk, Wilayah Amur, Pulau Sakhalin, wilayah luas dari Wilayah Krasnoyarsk hingga Magadan, Severnaya Zemlya, timur laut Okrug Otonom Yamalo-Nenets.

Dari 2,5 hingga 3 kW. jam per persegi. meter per hari

Di sepanjang busur barat - Nizhny Novgorod, Moskow, St. Petersburg, Salekhard, bagian timur Chukotka dan Kamchatka.

Dari 3 hingga 4 kW. jam per 1 persegi. meter per hari

Sisa negara.

Durasi sinar matahari per tahun

Aliran energi terbesar terjadi pada bulan Mei, Juni dan Juli. Selama periode ini, di Rusia tengah, per 1 sq. meter permukaan adalah 5 kW. satu jam sehari. Intensitas terendah terjadi pada bulan Desember-Januari, ketika 1 meter persegi. meter permukaan menyumbang 0,7 kW. satu jam sehari.

Fitur Instalasi

Jika Anda memasang kolektor surya pada sudut 30 derajat ke permukaan, Anda dapat memastikan ekstraksi energi dalam mode maksimum dan minimum masing-masing 4,5 dan 1,5 kW jam per 1 meter persegi. meter. per hari.

Distribusi intensitas radiasi matahari di Rusia tengah berdasarkan bulan

Berdasarkan data yang diberikan, dimungkinkan untuk menghitung luas kolektor surya datar yang dibutuhkan untuk menyediakan pasokan air panas untuk sebuah keluarga yang terdiri dari 4 orang dalam satu rumah. Pemanasan 300 liter air dari 5 derajat hingga 55 derajat pada bulan Juni dapat disediakan oleh pengumpul dengan luas 5,4 meter persegi, pada bulan Desember 18 meter persegi. meter. Jika pengumpul vakum yang lebih efisien digunakan, luas pengumpul yang dibutuhkan kira-kira berkurang setengahnya.

Memenuhi kebutuhan DHW dengan energi surya

Dalam praktiknya, disarankan untuk menggunakan kolektor surya bukan sebagai sumber utama air panas, tetapi sebagai alat pemanas air yang masuk ke instalasi pemanas. Dalam hal ini, konsumsi bahan bakar berkurang tajam. Hal ini memastikan pasokan tidak terputus air panas dan menghemat uang untuk pasokan air panas dan pemanas rumah, jika ini adalah rumah untuk tempat tinggal permanen. Di dacha, di musim panas, mereka menggunakan air panas berbagai jenis kolektor surya. Mulai dari kolektor buatan pabrik hingga perangkat buatan sendiri yang terbuat dari bahan bekas. Mereka berbeda terutama dalam hal efisiensi. Pabrik lebih efisien, tetapi biayanya lebih mahal. Anda dapat membuat manifold dengan penukar panas dari lemari es lama hampir gratis.

Di Rusia, pemasangan kolektor surya diatur oleh RD 34.20.115-89 "Pedoman metodologi untuk perhitungan dan desain sistem pemanas tenaga surya", VSN 52-86 (dalam format RTF, 11 Mb) "Pemasangan pasokan air panas tenaga surya . Standar desain." Terdapat rekomendasi mengenai penggunaan sumber energi non-tradisional dalam peternakan, produksi pakan, peternakan petani dan sektor perumahan pedesaan, yang dikembangkan atas permintaan Kementerian Pertanian pada tahun 2002. Gost R 51595 "Kolektor surya. Persyaratan teknis", gost r 51594 "energi surya. istilah dan definisi" berlaku.

Dokumen-dokumen ini menjelaskan secara rinci diagram kolektor surya yang digunakan dan yang paling banyak digunakan cara yang efektif penggunaannya dalam berbagai kondisi iklim.

Kolektor surya di Jerman

Di Jerman, negara mensubsidi biaya pemasangan kolektor surya, sehingga penggunaannya terus meningkat. Pada tahun 2006, 1 juta 300 ribu meter persegi kolektor dipasang. Dari jumlah tersebut, sekitar 10% merupakan manifold vakum yang lebih mahal dan efisien. Total luas kolektor surya yang terpasang hingga saat ini kurang lebih 12 juta meter persegi.

Materi dan grafik disediakan oleh Viessmann