Фотоволтаична Конверзија На Сончева Енергија

Фотоволтаична конверзија на сончева енергија

- предавање бр. 1 „ВОВЕД“

Доц. д-р. Миновски Драган

1

ОПШТИ ИНФОРМАЦИИ Фотоволтаична конверзија на сончева енергија

Фотоволтаична конверзија на сончева енергијаПредавања + вежби + консултации = 3 + 2 + 2

Број на ЕКТС кредити: 8 ОЦЕНУВАЊЕ

Присуство на Предавања маx. 10 бодови Присуство на Вежби маx. 10 бодови Изработка на Семинарска работа маx. 10 бодови I Колоквиум маx. 20 бодови II Колоквиум маx. 20 бодови

ЛИТЕРАТУРА Solar Photovoltaic Energy, The Institution of Engineering and Technology, London,

United Kingdom, 2010, ISBN 978-1-84919-155-5 (PDF) Solar energy, Renewable Energy and the Environment, CRC Press Taylor &

Francis Group, 2010, ISBN 978-1-4200-7566-3 Electricity from Sunlight: An Introduction to Photovoltaics, 2010, John Wiley

& Sons, Ltd, ISBN 978-0-470-74560-1 Terawatt Solar Photovoltaics, Springer London Heidelberg New York Dordrecht,

2014, ISBN 978-1-4471-5642-0 CLEAN ELECTRICITY FROM PHOTOVOLTAICS, 2nd Edition, Imperial

College Press, 2014, ISBN 978-1-84816-767-42

1. ВОВЕД - Сонце Сонцето е ѕвезда со средна големина чија старост се проценува на

околу 4600 милиони години со што се смета дека е на половина одсвојот животен век.

По својот облик претставува гасовита сфера со: пречник 2*Rs = 1,392⋅106 km, с густина ρs = 1409 kg/m3 и маса Ms = 2⋅1030 kg.

Составено е од околу 75% водород, 24% хелиум и 1% други елементи.Ротира околу својата оска со време на ротација 25 – 35 дена.

По својата структура, Сонцето се состои од: јадро (со радиус r = 0,25 Rs), радијантна зона (0,25 Rs < r < 0,85 Rs), конвенктивна зона (0,85 Rs < r < 1 Rs) и фотосфера со многу мала дебелина.

Во јадрото, како резултат на високи притисоци и температури (околу15⋅10^6 °K), се одвиваат реакции на нуклеарна фузија на атомите наводород во атоми на хелиум при што се ослободува енергија во обликна електромагнетно гама зрачење, неутрини и енергетски честички.

3

1. ВОВЕД - Сонце Гама зраците, на патот до површината на Сонцето (кое трае околу 10^6

години), ја губат својата енергија, така да од површината се емитуваелектромагнетно зрачење од оптичкиот дел од спектарот.

Радијацијата која се зрачи од површината на Сонцето има спектралнараспределба многу блиска на зрачењето на апсолутно црно тело загреанона 5800 °K заради што може да се смета дека Сонцето претставува совршенизвор на зрачење (црно тело) на температура од 5800 °K.

Вкупната моќност која Сонцето ја оддава во околниот простор изнесуваоколу 3,8⋅10^26 W т.е. од секој квадратен метар на сончевата површина сеемитува зрачење со моќност од 63,11 MW.

4

1. ВОВЕД - Сонце Земјата, која од Сонцето е оддалечена околу 150 милиони километри,

од вкупнатa моќност на сончевото зрачење (3,8⋅10^26 W) прима самоеден незнaчителен дел.

Но, и таа моќност за наши поими е огромна и изнесува околу 1,78⋅10^17W.

Тоа значи дека секоја година Земјата прима количество на енергија коесе проценува на околу 58⋅10^16 kWh, што е десет илјади пати повеќе одсегашните годишни енергетски потреби на човештвото.

Сончевото зрачење на влезот во земјината атмосфера(екстратерестрично зрачење), измерено на единица површинанормална на сончевите зраци, кога Земјата се наоѓа на среднорастојание од Сонцето, се нарекува соларна константа.

Нејзината вредност се менува во границите 1353 ± 21 W/m2, зависно одсончевата активност.

Светската метеоролошка организација во 1981 год. ја стандардизиранејзината вредност на 1367 W/m2.

5

1. ВОВЕД - Сонце Спектарот на сончевото зрачење на влезот во атмосферата се наоѓа во

област на бранови должини од 0,015 – 1000 μm. Спектралната и процентуалната распределба е дадена во следната

табела:

СПЕКТРАЛНА ОБЛАСТ БРАНОВА ДОЛЖИНА (μm)

Процентуална дистрибуција на

сончевото зрачење (%)

УЛТРАВИОЛЕТОВА 0,115 – 0,405 9,3

ВИДЛИВА 0,405 – 0,704 41,5

ИНФРАЦРВЕНА 0,704 - 1000 49,2

6

1. ВОВЕД - Сонце Со навлегување во земјината атмосфера, дел од зрачењето се

рефлектира назад во вселената (околу 30%), а дел се апсорбираво атомите, молекулите и јоните на присутните гасови иаеросоли (азот, кислород, озон, водена пареа, јаглен моноксид,јаглен диоксид, честички прашина).

Апсорпцијата зависи од дебелината на атмосферата низ којапоминува зрачењето (воздушна маса) т.е. од периодот на денот игодината, како и од географската ширина и должина налокацијата на која се мери сончевото зрачење.

Колку правецот на сончевите зраци отстапува од вертикала,толку и нивниот пат низ атмосферата е подолг, па доспеанатамоќност на Земјата е помала.

За да може апсопцијата во атмосферата точно да се дефинирасе воведуваат два параметри: оптичка воздушна маса (air massratio, AM) и содржина на водена пареа.

7

1. ВОВЕД - Сонце Оптичката воздушна маса претставува однос помеѓу должината на

зрачењето низ атмосферата во одреден период во денот и должинатана зрачењето кога Сонцето се наоѓа во зенитот (сл.):

8

1. ВОВЕД - Сонце Според тоа, кога оптичката воздушна маса е еднаква на единица (АМ1),

тоа значи дека сончевото зрачење паѓа вертикално на Земјата (подоговор, надвор од атмосферата воздушната маса е нула (АМ0)).

Кога сончевото зрачење, на пример, паѓа под агол β = 300, тогашвоздушната маса е два (АМ2).

Заради влијанието на атмосферата, спектарот на сончевото зрачење наЗемјата се разликува од спектарот на сончевото зрачење на влезот воатмосферата.

Со намалување на упадниот агол на зрачењето, спектарот се поместувакон поголемите бранови должини (сл.):

9

1. ВОВЕД - Сонце

10

1. ВОВЕД - Сонце Земјата се врти околу Сонцето по еклиптична орбита за време од 365,25

дена. Ексцентричноста на орбитата е мала, така да може да се смета дека е

приближно кружна. Земјата се наоѓа најблиску до Сонцето на почетокот на јануари, кога е

оддалечена околу 147 мил. км., а најдалеку се наоѓа на почетокот на јули, наоддалеченост од околу 152 мил. км.

Екваторијалната рамнина зафаќа агол од 23,45° со рамнината на орбитата,што е и причина за постоење на годижните времиња.

Во време на пролетна и есенска рамноденица (equinox), која се случува на20 март и 23 септември, линијата која ги спојува центрите на Сонцето иЗемјата поминува точно низ екваторот и тогаш секаде на земјата денот иноќта траат 12 часа.

Најголемиот агол помеѓу сончевите зраци и еквиторијалната рамнина(23,45°) се јавува за време на зимската краткоденица и летната долгоденицана 21 јануари и 21 јуни.

11

1. ВОВЕД - Сонце Заради ротацијата на Земјата, секојдневно сем сведоци на движењето на

Сонцето по небото по патека која достигнува највисока точка околу срединатана денот.

Во многу ситуации е корисно да се знае да се предвиди позицијата на Сонцетона небото, во било кое време од денот, било кој ден во годината и на било коалокација, од аспект на искористувањето на сончевата енергија, зарадизафаќање на најголем дел од сончевото зрачење, за одредување на најдобрапозиција и агол на поставување на сончевите колектори или фотонапонскимодули и сл.

Аголот помеѓу рамнината на екваторот и линијата што ги поврзува центрите наСонцето и Земјата се вика сончева деклинација, δ.

Тој варира помеѓу ± 23,45°, а неговата вредност може многу добро да сеапроксимира со синусна промена со периода од 365 дена, при што пролетнатарамноденица се јавува на n = 81 ден:

12

1. ВОВЕД - Сонце На седната слика е даден алтернативен поглед на меѓусебната позиција на

Сонцето и Земјата, на која Земјата е неподвижна, а Сонцето е некаде вовселената, движејќи се бавно горе-долу, како што се менуваат годишнитевремиња.

Така, за време на пролетната и есенска рамноденица, сонцето се наоѓадиректно (вертикално) над екваторот, а за време на летниот и зимски солстицијсе наоѓа директно над границите на тропскиот појас кои се на географскаширина од ± 23,45° над и под екваторот.

Промена на сончевата деклинација (δ) во текот на годината

13

1. ВОВЕД - Сонце По правило, добри просечни годишни перформанси овозможува колектор

насочен кон екваторот (за жителите на северната хемисфера тоа значи кон југ)и поставен под агол еднаков на локалната географска ширина.

Се разбира, ако се бара поголема ефикасност во зимскиот период тој аголтреба да се зголеми и обратно за летниот период.

Висината на сонцето на небото (altitude) за време на соларно пладне (времекога сонцето е точно над локалниот меридиjан) е еден од најважните соларниагли кои ја дефинираат позицијата на сонцето.

Висина на сонцето на соларно пладне

14

1. ВОВЕД - Сонце Непосредно од слика се добива дека:

L - географска ширина; δ - сончева деклинација; βN - висина (altitude) на сонцето;

15

1. ВОВЕД - Сонце Пример 1: Да се одреди оптимален агол за поставување на фотонапонски

модул поставен во Штип (географска ширина L = 41° - помеѓу 41° 31' 15'' и41° 44' 25''), на соларно пладне, на 1 Март и 31 Октомври.

Решение: 1 Март е 60 ден од годината, па сончевата деклинација изнесува:

𝛿𝛿 = 23,45 ∗ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠360365

60 − 81 = −8,30

31Октомврие 304 ден од годината, па сончевата деклинација изнесува:

𝛿𝛿 = 23,45 ∗ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠360365

304 − 81 = −15,10

Висината на сонцето на 1 март, на пладне е:𝛽𝛽𝑁𝑁 = 900 − 𝐿𝐿 + 𝛿𝛿 = 90 − 41 − 8,3 = 40,70

Висината на сонцето на 31 октомври, на пладне е:𝛽𝛽𝑁𝑁 = 900 − 𝐿𝐿 + 𝛿𝛿 = 90 − 41 − 15,1 = 33,90

Според тоа, аголот на поставување на модулот за да сончевите зраци, на пладне,паѓаат нормално на модулот на 1 Март, треба да изнесува:

𝛼𝛼 = 900 − 𝛽𝛽𝑁𝑁 = 90 − 40,70 = 49,30

Висината на сонцето на 31 октомври, на пладне е:𝛼𝛼 = 900 − 𝛽𝛽𝑁𝑁 = 90 − 33,90 = 56,10

16

1. ВОВЕД - Сонце1 МАРТ

31 ОКТОМВРИ

17

1. ВОВЕД - Сонце Позицијата на сонцето во било кој период од денот може да се опише со два

агли: висина, β (altitude) и азимут, φs (сл.):

Според усвоена конвенција, азимутот е позитивен наутро, со сонцето наисток, а негативен попладне, со сонцето на запад.

Аглите на висината и азимут зависат од географската ширина, денот вогодината и пред сé, од периодот во денот.

18

1. ВОВЕД - Сонце За нивно одредување можат да се користат следните изрази:

Во претходните изрази Н е аголот што Земјата, со својата ротација, мора да гонаправи за да сонцето, од одреден период во денот, достигне до соларнопладне.

Како што е прикажано на претходната слика сонцето во секој момент се наоѓанад одредена линија од географска должина (сончев меридијан).

Аголната разликата меѓу локалниот меридијан и сончевиот меридијан гоодредува часовниот агол.

Ако се земе дека Земјата прави агол од 360° за време од 24 часа, т.е. 15°/h,часовниот агол ќе биде Н=15° * (часови до соларното пладне). На пр. во 11часот соларно време Н=15° (земјата треба да ротира Н=15° или уште еден часза да достигне соларно пладене). Попладне, часовниот агол е негативен, такаво 14 часот соларно време, Н= -30°.

19

1. ВОВЕД - Сонце

Одредување на часовен агол како аголна разлика помеѓу сончевиот и локалниот меридијан

20

1. ВОВЕД - Сонце Користењето на претходната релација за одредување на азмутот може во

одредени случаи да доведе до потреба од дополнителни пресметки. Имено, во текот на пролетниот и летниот период, рано наутро и доцна

навечер сончевиот азимут може да биде поголем од 90°, па е потребно да сенаправи допонителен тест за да се утврди точната вредност на аголот φs, сооглед на тоа што

21

1. ВОВЕД - Сонце Пример: Да се одреди висината и азимутот на сонцето во Штип (географска

ширина 41,31°), во 15 часот соларно време, за време на летнатадолгоденица (21 Јуни).

Решение: Како што е претходно кажано, за време на зимскиот и летниотсолстициј сончевата деклинација е максимална, т.е. δ = 23,45°. Бидејќи 15часот е три часа после соларното пладне, следува Н=15° * (-3h) = -45°.

Согласно претходните равенки, следи:𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝛽𝛽 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝐿𝐿 ∗ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝛿𝛿 ∗ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐 + 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝐿𝐿 ∗ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝛿𝛿= 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠41,310 ∗ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠23,450 ∗ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠 −45 0 + 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠41,310 ∗ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠23,450 = 0,749973157

Висината на сонцето, во однос на хоризонтот е𝛽𝛽 = 𝑎𝑎𝑎𝑎𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠0,749973157 ≈ 48,60

𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝜑𝜑𝑠𝑠 =𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝛿𝛿 ∗ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑐𝑐

𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝛽𝛽=𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠23,450 ∗ sin(−45)0

𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠48,60= −0,98

22

1. ВОВЕД - Сонце Во овој случај можни се две решенија:

𝜑𝜑𝑆𝑆 = arcsin −0,98 = −78,50(78,5°западно)𝜑𝜑𝑆𝑆 = 180 − (−78,5) = −258,50(101,5° западно)

За да се провери кое решение е точно се користиследниот израз:𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐 = cos −450 = 0,707𝑡𝑡𝑎𝑎𝑠𝑠𝛿𝛿𝑡𝑡𝑎𝑎𝑠𝑠𝐿𝐿

=tan 23,45tan 41,35

= 0,49

Бидејќи𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐 ≥ 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

, следува дека азимутниот агол изнесува 𝜑𝜑𝑆𝑆 = 78,50.

23

1. ВОВЕД - Сонце При проектирање на соларните енергетски системи важно е познавањето на

позицијата на сонцето во било кој дел од денот и било кој период во годината. За таа намена практични се дијаграмите на сончевата патека кои за одредена

локација и ден во годината ја покажуваат неговата позиција во текот на денот. На таквите дијаграми може да се внесе и позицијата на околните објекти со цел

да се оцени ефектот на сенка кои тие објекти, евентуално, би го правеле врзнекој соларен систем.

Ова е посебно значајно кај фотонапонските системи кои се посебно осетливина засенување.

При одредување на позицијата на околните објекти може да се користи иедноставен прибор: агломер и висок за одредување на висината (altitude) наобјектот и компас за одредување на азимутот на објектот.

При тоа треба да се земе предвид магнетната деклинација т.е. фактот декамагнетниот север се разликува од географскиот север. Тоа отстапување еразлично, зависно од локацијата и годината.

24

1. ВОВЕД - Сонце На следната слика е даден пример на сончева патека на локации кои се

наоѓаат на 400 северна географска ширина со внесени позиции на неколкуобјекти. Може да се види дека во периодот од ноември до јануари дрвјата гозасенуваат сонцето во периодот од 8:30 – 9:30 часот, а зградата после 15часот.

25

1. ВОВЕД – СонцеИнтензитет на сончевото зрачење на Земјата

Вкупниот соларен флукс кој удира во некој соларен колектор претставувакомбинација од три компоненти: директно зрачење кое пристигнува во правалинија од сонцето до колекторот, дифузно зрачење кое е рассеано воатмосферата заради присутните молекули на разни гасови и аеросоли ирефлектирано зрачење од површината на земјата и други површини кои сенаоѓаат пред колекторот.

Колкав дел и која компонента на сончевото зрачење некој соларен систем(колектор) го прима зависи од типот на соларниот систем.

Сончевите колектори кои користат концентратори за фокусирање назрачењето го користат само директното зрачење, додека на пр. повеќетофотонапонски системи не користат уреди за фокусирање, па сите трикомпоненти на сончевото зрачење придонесуваат при конверзијата назрачењето во електрична енергија.

26


Атмосферата низ која поминува сончевата радијација е променлива и сеоднесува како динамички филтер, апсорбирајќи и рассејувајќи го зрачењето.

Облаците, зависно од видот и висината на која се наоѓаат, го блокираатдиректното зрачење во поголема или помала мерка.

Ако денот е сончев со чисто небо, поголем дел од зрачењето коепристигнува на земјата е директно, а на дифузното зрачење отпаѓа само 5 -20%.

Од друга страна, при многу облачно време, дури и 100% од вкупнатарадијација на Земјата е резултат на дифузно зрачење.

При ведро време и чисто небо, вкупната радијација на површината наземјата, на пладне, може да надмине 1000 W/m2 , од друга страна, примрачно и облачно време не надминува 100 W/m2.

27


Директно сончево зрачење при чисто небо Сончевото зрачење на влезот во земјината атмосфера (соларна константа)

во помала мерка зависи од интензитетот на сончевата активност која еречиси константна (варијации помали од 1%) и од растојанието помеѓуСонцето и Земјата кое се манува заради малата ексцентричност наземјината орбита.

Така, зрачењето е поголемо за околу 7% во зимскиот период кога Земјата енајблиску до Сонцето.

Со навлегувањето во атмосферата, добар дел од зрачењето се апсорбира одприсутните гасови и честички, а дел се рассејува.

Просечно, на површината на Земјата, само половина од вкупното сончевозрачење пристигнува во облик на директно зрачење.

Слабеењето на радијацијата зависи од патот што зракот треба да го поминениз атмосферата, што е релативно лесно за одредување, но и од содржинатана прашина и други полутанти, влажноста на воздухот, присуство на облаци,магловитост, што не е лесно да се процени.

28


Директно сончево зрачење при чисто небо Вообичаен и наједноставен модел кој се користи за да се одреди

директното зрачење на површина нормална на зраците, при чистонебо, е дадено со релацијата:

Idir - директно сончево зрачење [W/m2]; k ; A [W/m2] - коефициенти зависни од периодот во годината (добиени врз

основа на емпириски податоци и мерења); m - оптичка воздушна маса (точка 2.2).

29


Директно сончево зрачење при чисто небо Врз основа на вредноста на Idir се пресметува и вредноста на директното

зрачење кое доспева до некој сончев колектор чија позиција е одредена сонеговата косина во однос на хоризонталата (α) и орјентацијата (φс) како што еприкажано на следната слика:

Упадниот агол (ϑ) е функција од позицијата на колекторот и висината и азимутотна сонцето во одредено време. Од следната слика се добива:

Директно сончево зрачење врз соларен колектор зависно од позицијата на колекторот (агли α и φс ) и упадиот зрак (агол ϑ)

30


Директно сончево зрачење при чисто небо Пример:Да се одреди директното зрачење на 1 Март, на пладне, врз соларен

колектор поставен под наклон α = 55° и орјентиран кон југоисток за агол φс = 20°поставен во Штип, (пример од претходно) ако директното зрачење на површинанормална на него, при чисто небо, изнесува Idir = 900 W/m2.:

Решение: Висината на сонцето на 1 Март, на пладне, во Штип изнесува βN =40,7° (пример од претходно). Од претходните релации се добива:

𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝜗𝜗 = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝛽𝛽 ∗ cos 𝜑𝜑𝑆𝑆 − 𝜑𝜑𝐶𝐶 ∗ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝛽𝛽 + 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝛽𝛽 ∗ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝛼𝛼= 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠40,7 ∗ cos 0 − 20 ∗ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠55 + 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠40,7 ∗ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠 = 0,96

𝐼𝐼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑,𝐶𝐶 = 𝐼𝐼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 ∗ 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝜗𝜗 = 900 ∗ 0,96 = 864𝑊𝑊𝑚𝑚2

31


Дифузно сончево зрачење Одредувањето на дифузното зрачење е значително потешко заради

различните фактори кои влијаат на него. Радијацијата може да биде рассеана од присутни честички и прашина во

атмосферата или рефлектирана од облаците. Дел од зрачењето се одбива од површината на земјата и повторно се враќа

назад во облик на рассеано (дифузно) зрачење. Наједноставен модел на дифузно зрачење претпоставува дека тоа доаѓа со

еднаков интензитет од сите правци и се одредува како дел од директнотозрачење:

каде Idif,H - дифузно зрачење на хоризонтална површина, W/m2 С - фактор на дифузија чија вредност може да се одреди од релацијата:

n - ден во годината

32


Дифузно сончево зрачење Колкав дел од дифузното зрачење доспева на колектор, поставен под некој

агол α, како на слика подолу, се одредува од релацијата:

• При тоа, се предпоставува дека до колекторот доспева дел од вкупното дифузно зрачење од небото кон кое гледа колекторот. Ако колекторот е поставен хоризонтално, го прима вкупното дифузно зрачење, а ако е поставен вертикално, прима половина од таа вредност.

33


Рефлектирано сончево зрачење Дел од зрачењето кое доспева до сончевиот колектор е резултат на

рефлектирано зрачење од површини кои се наоѓаат пред колекторот. Оваа зрачење (познато како албедо) може да биде значајно ако се работи за

ведро време и површини покриени со снег или пак да биде занемарливо. Наједноставно е да се претпостави дека површините го одбиваат зрачењето

дифузно со некој фактор на рефлексија ρ. Неговата вредност се движи помеѓу 0,8 ако се работи за нов снег и 0,1 ако

површината е покрив од битуменозна шиндра. Типична вредност за вообичаени површини, површини со вегетација (шуми,

трева) е 0,2. Одредувањето се врши врз основа на вкупното зрачење (директно и дифузно)

на хоризонтална површина и соодветен фактор на рефлексија. Рефлектирано зрачење врз колектор поставен под агол α се одредува (како и

кај дифузното зрачење) од релацијата:

34


Рефлектирано сончево зрачење ПРИМЕР:Да се одреди дифузно, рефлектирано и вкупното зрачење на 1 Март, на

пладне, врз колекторот од претходниот пример, ако факторот на рефлексија наповршините пред колекторот изнесува ρ = 0,2.

Решение: Од релациите при дифузното зрачење се добиваат вредноста накоефициентот на рефлексија на 1 Март (n = 60 ден во годината), а од релацијатаза дифузното зрачење, седобива зрачењето врз колекторот:

𝐶𝐶 = 0,095 + 0,04𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠360365

(𝑠𝑠 − 100) = 0,069

𝐼𝐼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑,𝐶𝐶 = 𝐶𝐶 ∗ 𝐼𝐼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑1 + 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝛼𝛼

2= 0,069 ∗ 900

1 + 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐2

= 49𝑊𝑊𝑚𝑚2

Рефлектирачкото зрачење пак е:

𝐼𝐼𝑑𝑑𝑟𝑟𝑑𝑑,𝐶𝐶 = 𝜌𝜌𝐼𝐼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝛽𝛽 + 𝐶𝐶1 − 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝛼𝛼

2= 0,2 ∗ 900 ∗ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠40,7 + 0,069

1 − 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐2

= 39𝑊𝑊𝑚𝑚2

Вкупното зрачење е збир на трите компоненти на зрашењето:

𝐼𝐼𝐶𝐶 = 𝐼𝐼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑,𝐶𝐶 + 𝐼𝐼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑,𝐶𝐶 + 𝐼𝐼𝑑𝑑𝑟𝑟𝑑𝑑,𝐶𝐶 = 864 + 49 + 39 = 952𝑊𝑊𝑚𝑚2

Може да се примети дека само 4% од вкупното зрачење отпаѓа на рефлектирано, така да во многу случаи тоа се занемарува35


Енергија на сончевото зрачење на Земјата Пресметувањето или мерењето на просечни дневни или месечни

енергии на сончевото зрачење при реални временски услови е многупотешко отколку пресметките со претпоставка дека небото е чисто.

Климата, сезонските промени во атмосферата и топографијата нанекоја локација влијаат врз вредностите на зрачењето.

Појдовни податоци се долгорочни мерења на зрачењето на некојалокација, кои вообичаено се однесуваат за хоризонтална површина.

Врз основа на тие податоци, се прави проценка колкав дел одзрачењето е директно, а колкав дел е дифузно.

36


Енергија на сончевото зрачење на Земјата За таа цел се дефинира т.н. фактор на чистота со цел да се квантифицира

релативната пропустливост на атмосферата:

Каде: К - фактор на чистота; Е - просечно дневна или месечна енергија на зрачење на хоризонтална површина [kWh/m⋅ден]; E0 - просечнa екстратерестрична (надвор од атмосферата) енергија на зрачење на хоризонтална

површина [kWh/m⋅ден].

Висок фактор К одговара на чисто небо кога поголемиот дел од зрачењето едиректно, а мала вредност на К укажува на облачно време со претежно дифузнозрачење.

Правени се повеќе обиди да се одреди зависноста помеѓу факторот на чистота иделот од вкупното зрачење кое е дифузно.

37


Енергија на сончевото зрачење на Земјата Според некои автори таа зависност може да се одреди според следната релација:

Edif,H - просечно дневна или месечна енергија на дифузно зрачење нахоризонтална површина [kWh/m2⋅ден];

Врз основа на вредностите на двете компоненти на зрачењето на хоризонталнаповршина се одредува и просечната (дневна или месечна) енергијата на сончевотозрачење која доспева врз некој колектор поставен под одреден агол и орјентација.

На следните слики се прикажани некои од податоците кои можат да се добијат одPhotovoltaic Geographical Information System на:

http://http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.phpа се однесуваат за дневни и месечни вредности на сончево зрачење за Штип.

38

http://http/re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php


Енергија на сончевото зрачење на Земјата

39


Енергија на сончевото зрачење на Земјата

40

1. ВОВЕД – СонцеМерење на сончевото зрачење

Со мерење на сончевото зрачење се занимава посебна гранка наметеорологијата позната под името актинометрија. За практичнокористење на сончевата енергија важни се податоците кои сеоднесуваат на траењето на зрачењето (инсолација) и енергијата навкупното (глобално) и дифузно зрачење врз хоризонтална површина.

За мерење на траење на инсолацијата се користат хелиографи со чијапомош се добиваат податоци за присуство и должина на траење насончевото зрачење.

За мерење на енергија на сончево зрачење се користат пирхелиометри(за мерење на директно сончево зрачење) и пиранометри (за мерење навкупна енергија на сончево зрачење). Во зависност од физичкиотпринцип врз кој се заснива работата на пиранометрите, се делат напиранометри со термо ќелии и пиранометри со соларни ќелии.

41


Пиранометар – Мерење на вкупното сончево зрачење Инструмент кој го мери зрачењето од просторен агол од 2π стерадијани на

плоча во браново подрачје од 0,3 μm до 3,0 μm е пиранометар. Пирометрите можат да имаат термолектрични, фотоелектрични, пироелектрични

или биметални елементи како сензори. Бидејќи се трајно изложени на атмосферските влијанија мора да бидат од

цврста изведба и отпорни на корозивните влијанија на водата и влажните зраци. Применикот на зрачењето мора да биде херметички затворен или да има систем

за одведување на кондензираната влага во куќиштето. Влагата обично се отстранува со помош на силиконски (силициум диоксид) гел

кој е потребно редовно да се заменува. Силика гелот е многу хигроскопенматеријал на кој обично се додава многу мала количина на кобалтен хлорид(0,5-1%) кој ја променува бојата од сина во розева кога ја упива влагата. Бојатана силика гелот може да се види преку проѕирен пластичен сад на инструментоти кога премине во розевкаст гел треба да се промени.

42


Пиранометар - Мерење на вкупното сончево зрачење Во употреба најчесто се користат термоелектричните пиранометри кои користат

топлински детектори кои произведуваат напон на принципот натермоелектричен ефект во функција од упадното зрачење.

Топлинскиот детектор е сместен под двослојна стаклена купола која го штити одпродорот на влага и го смалува долгобраново зрачење од самиот инструмент,топлински го изолира и спречува негово ладење.

Светската метеоролошка организација и Меѓународната организација застандарди (ISO 9060:1990) дефинираат три класи на пиранометар.

43


Пиранометар Мерење на вкупното сончево зрачење 1. Надворешен купола од стакло.2. Внатрешна купола од стакла.3. Црна јаглерод диск - апсорбира широк

спектар на бранови должини на сончевото зрачење и делува како сензори елемент.

4. Второ, контролен на диск (не е осветлен од Сонцето) се користи за споредба – спредбен елемент. (можно е да се зголеми температурата на долниот диск и од други извори на топлина, па поради тоа може да се кажеме дека со голема сигурност – но не сигурно, зголемената температура е предизвСите извори на порастот на температурата, освен соларна енергија (можеби единица климатизација поставекана само од Сонцето.

5. Термофилен температурен сензор споредува зголемувањето на температурата на двета диска.

6. Излез.7. Заменливи силика гел кертриџ (dessicant)

апсорбираи за влага за да се спречи кондензација.

8. Ногарки.44


Пирхелиометар – Мерење на Директното сончево зрачење Мерењето на директното Сончево зрачење е едно од најсложените мерења во

одредување на потенцијалот на енергијата од Сонцето. Директното Сончево зрачење се мери со пирхелиометар, инструмент кој се

состои од термоелемент на дното од тесен цилиндар така што видливиот аголна инструментот изнесува само 5°, односно 0,005 стерадијани.

Приемната површина на инструментите во секој момент мора да биде нормалнана Сончевите зраци така да пирхелиометрите мора да го пратат Сонцето понебото со многу мала аголна грешка помала од 0,75° (Kipp & Zonnen) или 1,5°(Epply), што бара сложен и прецизен механички систем за пратење надвижењето на Сонцето.

Таквите системи за двоосно пратење на Сонцето се поскапи од самиот меренинструмент. Измерените податоци е потребно да се нормализираат на среднаоддалеченост на Земјата од Сонцето, а инструментот се калибрира премаинструменти од висока класа, според стандардот ISO 9060:1990 Е

45


Пиранометар – Мерење на Директното сончево зрачење

(1) заштита капа, (2) прозорецот со греалка, (3) вид, (5) сензор, (7) индикатор за влажност, (10) кабел за грејач

46


Пиранометар – Мерење на Директното сончево зрачење

47


Пиранометар – Мерење на Дифузно сончево зрачење Дифузното Сончево зрачење може да се мери со пиранометар, ако се засени Сончевиот

диск така што до инструментот не може да дојде директното Сончево зрачење. Тоа може да се постигне на неколку начини. Најчесто за засенување се користи

полукружна или кружна метална трака, ориентирана во насоката исток-запад така што гозасенува Сончевиот диск од излезот до залезот на Сонцето со видлив агол назасенување, доволен да во потполност го блокира Сончевиот диск (на пр. 10,6° заKip&Zonen CM 121B).

Траката е прекриена со слој црна боја со многу мала рефлективност како би се спречилоодбивањето од неа. Со изведба на траката во U профил, може да се постигне константенвиден агол во граници од ±2%.

Како што се менува сончевата деклинација во текот на годината, траката мора да сепоместува на неколку дена (најчесто на два), што значи дека е потребно постојаноприсуство од квалификуван персонал.

Траката го засенува пиранометарот многу повеќе од што е потребно за блокирање надиректното Сончево зрачење. Заради анизотропност на дифузното зрачење сомаксимална близина до Сончевиот диск, губитокот заради засенување на делот од неботоможе да биде значителен. Заради тоа е потребно да се пресмета корекционен фактор којги зема во предвид површината на небото која е засенета и износот на дифузниот зрак којпотекнува од тој дел на небото.

48


Пиранометар – Мерење на Дифузно сончево зрачење

49


Campbell-Stokesovim хелиограмот – Мерење на Траењето на сончевотозрачење Во пракса поимот првично е дефиниран со регистрирање на Campbell-

Stokesovom хелиограф, инструмент кој сјаењето на Сонцето го регистрирапреку посебна трака сместана позади стаклена леќа која зракот гоконцентрира на трака која мора да се менува секој ден.

Campbell-Stokesovom хелиограф е можеби најстариот инструмент кој доденешни денови сеуште е задржан во редевните метеоролошки мерења(воведен во метеоролошката служба е од 1880 година), а според некои,претставува најубавиот инструмент.

Штоксовиот инструмент користи стаклена топка од висококвалитетно стаклосместено во средината на метално лежиште кое може да се прилагодуваспоред географската ширина.

Хартиена трака се става позади куглата во насока исток-запад така штоСончевото зрачење се концентрира преку куглата и ја подгорува тракатапреку топлинско делување. На траката се означени саатите па е можно дасе востанови кога и колку Сонцето сјаело.

50


Campbell-Stokesovim хелиограмот – Мерење на Траењето на сончевотозрачење Траката треба да се менува секој ден и обично е различна за лето, зима и

пролет (есен). За да траката почне да регистрира потребен е одреденинтензитет на Сончевото зрачење, зависно од инструментот помеѓу 80 и280 W/m2.

Ако е траката влажна (што е честа ситуација во зима) мора претходно да сеисуши, за што е потребно одредена количина топлина, што значи, влажнатрака почнува покасно да регистрира. Краевите на металната школка јазатскриваат спротивната трака на одредено време (при излез и залез насонце).

Најважна предност на овој инструмент - можноста за работа без потреба оделектрична енергија, не е пресудна поради достапноста на електричнотонапојување.

За точно отчитување на мерењата е потребна визуелна проценка наискусна личност. Самата конструкција не овозможува автоматизираноприбирање на податоци па Светската Метеоролошка Организацијапрепорачува напуштање на мерењето на траењето на сјаењето на сонцетосо Campbell-Stokesovim хелиограмот.51


Campbell-Stokesovim хелиограмот – Мерење на Траењето на сончевотозрачење

52

Фотоволтаична Конверзија На Сончева Енергија

Documents

Transcript of Фотоволтаична Конверзија На Сончева Енергија