حساب مجمع الطاقة الشمسية المسطح
تبين الممارسة أن ما معدله 900 واط من الطاقة الحرارية لكل متر مربع من سطح مركب بشكل عمودي على ضوء الشمس الساطع (مع سماء صافية). سنحسب SC على أساس نموذج بمساحة 1 متر مربع. الجانب الأمامي أسود غير لامع (يمتص ما يقرب من 100٪ من الطاقة الحرارية). الجانب الخلفي معزول بطبقة 10 سم من البوليسترين الممتد. مطلوب لحساب خسائر الحرارة التي تحدث على الجانب المظلل العكسي. معامل العزل الحراري للبوليسترين الممدد - 0.05 واط / م × درجة. معرفة السماكة وافتراض أن فرق درجة الحرارة على الجوانب المتقابلة للمادة في حدود 50 درجة ، نحسب فقد الحرارة:
0.05 / 0.1 × 50 = 25 وات.
من المتوقع حدوث نفس الخسائر تقريبًا من النهايات والأنابيب ، أي أن المبلغ الإجمالي سيكون 50 واط. تعد السماء الخالية من السحب نادرة ، ويجب أيضًا مراعاة تأثير الرواسب الترابية على المجمع. لذلك ، سنخفض كمية الطاقة الحرارية لكل متر مربع إلى 800 واط. المياه المستخدمة كناقل حراري في SCS المسطحة لها سعة حرارية تبلغ 4200 جول / كجم × درجة أو 1.16 واط / كجم × درجة. هذا يعني أنه من أجل رفع درجة حرارة لتر واحد من الماء بدرجة واحدة ، سوف يتطلب الأمر 1.16 واط من الطاقة. بالنظر إلى هذه الحسابات ، نحصل على القيمة التالية لنموذج مجمّع الطاقة الشمسية لدينا بمساحة 1 متر مربع:
نحن ندور لراحة تصل إلى 700 / كجم × درجة. يشير هذا التعبير إلى كمية الماء التي يمكن تسخينها في مجمّع (نموذج 1 م²) لمدة ساعة. هذا لا يأخذ في الاعتبار فقدان الحرارة من الجانب الأمامي ، والذي سيزداد مع ارتفاع درجة حرارته. ستحد هذه الخسائر من تسخين المبرد في المجمع الشمسي في حدود 70-90 درجة. في هذا الصدد ، يمكن تطبيق قيمة 700 على درجات الحرارة المنخفضة (من 10 إلى 60 درجة). يُظهر حساب المجمع الشمسي أن نظامًا بمساحة 1 متر مربع قادر على تسخين 10 لترات من الماء بمقدار 70 درجة ، وهو ما يكفي تمامًا لتزويد المنزل بالماء الساخن. يمكنك تقليل وقت تسخين المياه عن طريق تقليل حجم المجمع الشمسي مع الحفاظ على مساحته. إذا كان عدد الأشخاص الذين يعيشون في المنزل يتطلب حجمًا أكبر من المياه ، فيجب استخدام العديد من المجمعات في هذه المنطقة ، والتي يتم توصيلها بنظام واحد. لكي يعمل ضوء الشمس على الرادياتير بأكبر قدر ممكن من الكفاءة ، يجب توجيه المجمع بزاوية على خط الأفق مساوية لخط عرض المنطقة. تمت مناقشة هذا بالفعل في مقال كيفية حساب قوة الألواح الشمسية ، ينطبق نفس المبدأ. في المتوسط ، هناك حاجة إلى 50 لترًا من الماء الساخن لضمان حياة شخص واحد. إذا كانت درجة حرارة الماء قبل التسخين حوالي 10 درجات مئوية ، فإن فرق درجة الحرارة هو 70-10 = 60 درجة مئوية. كمية الحرارة اللازمة لتسخين الماء كالتالي:
W = Q × V × Tp = 1.16 × 50 × 60 = 3.48 كيلو واط من الطاقة.
بقسمة W على كمية الطاقة الشمسية لكل 1 متر مربع من السطح في منطقة معينة (بيانات من مراكز الأرصاد الجوية المائية) ، نحصل على منطقة المجمع. يتم حساب المجمع الشمسي للتدفئة بطريقة مماثلة. لكن حجم الماء (المبرد) مطلوب أكثر ، والذي يعتمد على حجم الغرفة الساخنة. يمكن الاستنتاج أنه من الممكن تحسين كفاءة هذا النوع من أنظمة تسخين المياه عن طريق تقليل الحجم وزيادة المساحة في نفس الوقت.
تقنيات الجليد
يتم تطوير عدد من التقنيات حيث يتم إنتاج الجليد خلال فترات الذروة ثم استخدامه لاحقًا للتبريد. على سبيل المثال ، يمكن جعل تكييف الهواء أكثر اقتصادا باستخدام الكهرباء الرخيصة في الليل لتجميد المياه ثم استخدام طاقة التبريد للثلج أثناء النهار لتقليل كمية الطاقة المطلوبة للحفاظ على تكييف الهواء. يستخدم تخزين الطاقة الحرارية باستخدام الجليد الحرارة العالية لانصهار الماء. تاريخيًا ، تم نقل الجليد من الجبال إلى المدن لاستخدامه كمبرد. يمكن لمتر واحد (= 1 متر مكعب) من المياه تخزين 334 مليون جول (J) أو 317000 وحدة حرارية بريطانية (93 كيلو واط في الساعة).يمكن لوحدة تخزين صغيرة نسبيًا تخزين ما يكفي من الثلج لتبريد مبنى كبير ليوم كامل أو أسبوع.
بالإضافة إلى استخدام الثلج للتبريد المباشر ، فإنه يستخدم أيضًا في المضخات الحرارية التي تعمل على تشغيل أنظمة التدفئة. في هذه المناطق ، توفر تغيرات طاقة الطور طبقة موصلة للحرارة شديدة الخطورة ، قريبة من عتبة درجة الحرارة المنخفضة التي يمكن أن تعمل عندها مضخة حرارية تستخدم حرارة الماء. يتيح ذلك للنظام التعامل مع أثقل أحمال التسخين وزيادة مقدار الوقت الذي يمكن لعناصر مصدر الطاقة إعادة الحرارة فيه إلى النظام.
التفاعلات الكيميائية الماصة للحرارة والطاردة للحرارة
تقنية هيدرات الملح
مثال على تقنية تخزين الطاقة التجريبية القائمة على طاقة التفاعلات الكيميائية هي تقنية تعتمد على هيدرات الملح. يستخدم النظام طاقة التفاعل الناتج في حالة ترطيب الأملاح أو جفافها. يعمل عن طريق تخزين الحرارة في خزان يحتوي على 50٪ محلول هيدروكسيد الصوديوم. يتم تخزين الحرارة (على سبيل المثال ، التي يتم الحصول عليها من مجمّع شمسي) بسبب تبخر الماء أثناء تفاعل ماص للحرارة. عند إضافة الماء مرة أخرى ، يتم إطلاق الحرارة أثناء التفاعل الطارد للحرارة عند 50 درجة مئوية (120 درجة فهرنهايت). في الوقت الحالي ، تعمل الأنظمة بكفاءة تصل إلى 60٪. النظام فعال بشكل خاص لتخزين الطاقة الحرارية الموسمية ، حيث يمكن تخزين الملح المجفف في درجة حرارة الغرفة لفترة طويلة دون فقدان الطاقة. يمكن حتى نقل عبوات الملح المجفف إلى مواقع مختلفة. يتمتع النظام بكثافة طاقة أعلى من الحرارة المخزنة في الماء ، وتتيح سعته تخزين الطاقة لعدة أشهر أو حتى سنوات.
في عام 2013 ، قدم مطور التكنولوجيا الهولندي TNO نتائج مشروع MERITS لتخزين الحرارة في حاوية ملح. تعمل الحرارة التي يمكن توصيلها من المجمع الشمسي إلى السطح المسطح على تبخير الماء الموجود في الملح. عند إضافة الماء مرة أخرى ، يتم إطلاق الحرارة دون فقدان للطاقة تقريبًا. يمكن للحاوية التي تحتوي على بضعة أمتار مكعبة من الملح تخزين طاقة حرارية كيميائية كافية لتدفئة المنزل طوال فصل الشتاء. مع درجات الحرارة كما هو الحال في هولندا ، تتطلب المزرعة المتوسطة المقاومة للحرارة ما يقرب من 6.7 جيجا جول من الطاقة خلال فصل الشتاء. يتطلب تخزين هذا القدر من الطاقة في الماء (مع اختلاف درجة الحرارة 70 درجة مئوية) 23 مترًا مكعبًا من الماء في خزان معزول ، وهو أكثر مما يمكن أن تخزنه معظم المنازل. باستخدام تقنية هيدرات الملح بكثافة طاقة تبلغ حوالي 1 جيجا جول / م 3 ، سيكون 4-8 متر مكعب كافياً.
اعتبارًا من عام 2016 ، يجري باحثون من عدة دول تجارب لتحديد أفضل نوع من الملح أو خليط من الأملاح. يبدو أن الضغط المنخفض داخل الحاوية هو الأفضل لنقل الطاقة. الواعدة بشكل خاص هي الأملاح العضوية ، ما يسمى ب "السوائل الأيونية". بالمقارنة مع المواد الماصة من هاليد الليثيوم ، فإنها تسبب مشاكل أقل بكثير في البيئات محدودة الموارد ، ومقارنة بمعظم الهاليدات وهيدروكسيد الصوديوم ، فهي أقل كاوية وليس لها تأثير سلبي من خلال انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
روابط كيميائية جزيئية
في الوقت الحالي ، يتم التحقيق في إمكانية تخزين الطاقة في روابط كيميائية جزيئية. تم بالفعل تحقيق كثافة طاقة مكافئة لبطاريات الليثيوم أيون.
توزيع الإشعاع على حدود الغلاف الجوي
بالنسبة لعلم المناخ ، فإن مسألة توزيع تدفق وعودة الإشعاع على الكرة الأرضية ذات أهمية كبيرة. لننظر أولاً في توزيع الإشعاع الشمسي على سطح أفقي "عند حدود الغلاف الجوي". يمكن للمرء أن يقول أيضًا: "في غياب الجو". وبهذا نفترض أنه لا يوجد امتصاص ولا تشتت للإشعاع ، ولا انعكاس للإشعاع بواسطة السحب. توزيع الإشعاع الشمسي على حدود الغلاف الجوي هو الأبسط.إنه موجود بالفعل على ارتفاع عدة عشرات من الكيلومترات. يسمى هذا التوزيع بالمناخ الشمسي.
من المعروف كيف يتغير ثابت الشمس خلال العام ، وبالتالي كمية الإشعاع القادمة إلى الأرض. إذا حددنا الثابت الشمسي للمسافة الفعلية للأرض من الشمس ، فحينئذٍ بمتوسط قيمة سنوية 1.98 كالوري / سم 2 دقيقة. سيكون 2.05 كالوري / سم 2 دقيقة. في يناير و 1.91 كالوري / سم 2 دقيقة. في يوليو.
لذلك ، يتلقى نصف الكرة الشمالي خلال يوم صيفي إشعاعًا أقل إلى حد ما عند حدود الغلاف الجوي من نصف الكرة الجنوبي خلال يوم الصيف.
تعتمد كمية الإشعاع التي يتم تلقيها يوميًا عند حدود الغلاف الجوي على الوقت من العام وخط عرض المكان. تحت كل خط عرض ، يحدد الموسم مدة تدفق الإشعاع. لكن في ظل خطوط العرض المختلفة ، تختلف مدة جزء النهار من اليوم في نفس الوقت.
في القطب لا تغيب الشمس إطلاقا في الصيف ولا تشرق لمدة ستة أشهر في الشتاء. بين القطب والدائرة القطبية الشمالية لا تغرب الشمس في الصيف ولا تشرق في الشتاء لمدة ستة أشهر إلى يوم واحد. عند خط الاستواء ، يستمر النهار دائمًا 12 ساعة. من الدائرة القطبية الشمالية إلى خط الاستواء ، تقل ساعات النهار في الصيف وتزداد في الشتاء.
لكن تدفق الإشعاع الشمسي على سطح أفقي لا يعتمد فقط على طول النهار ، ولكن أيضًا على ارتفاع الشمس. تتناسب كمية الإشعاع التي تصل إلى حدود الغلاف الجوي لكل وحدة سطح أفقي مع جيب ارتفاع الشمس. ولا يتغير ارتفاع الشمس في كل مكان خلال النهار فحسب ، بل يعتمد أيضًا على الوقت من العام. يختلف ارتفاع الشمس عند خط الاستواء على مدار العام من 90 إلى 66.5 درجة ، وفي المناطق المدارية من 90 إلى 43 درجة ، وفي الدوائر القطبية من 47 إلى 0 درجة وفي القطبين من 23.5 إلى 0 درجة.
تخلق كروية الأرض وميل المستوى الاستوائي إلى مستوى مسير الشمس توزيعًا معقدًا لتدفق الإشعاع عبر خطوط العرض عند حدود الغلاف الجوي وتغيراته خلال العام.
في فصل الشتاء ، يتناقص تدفق الإشعاع بسرعة كبيرة من خط الاستواء إلى القطب ، وفي الصيف يتناقص بشكل أبطأ بكثير. في هذه الحالة ، يُلاحظ الحد الأقصى في الصيف في المدار ، ويقل تدفق الإشعاع إلى حد ما من المدار إلى خط الاستواء. يفسر الاختلاف الطفيف في تدفق الإشعاع بين خطوط العرض الاستوائية والقطبية في الصيف بحقيقة أنه على الرغم من أن ارتفاعات الشمس في خطوط العرض القطبية تكون أقل في الصيف منها في المناطق المدارية ، فإن طول النهار طويل. لذلك في يوم الانقلاب الصيفي ، في غياب الغلاف الجوي ، سيتلقى القطب إشعاعًا أكثر من خط الاستواء. ومع ذلك ، بالقرب من سطح الأرض ، نتيجة لتوهين الإشعاع من الغلاف الجوي ، وانعكاسه بواسطة السحب ، وما إلى ذلك ، فإن تدفق الإشعاع الصيفي في خطوط العرض القطبية أقل بكثير مما هو عليه في خطوط العرض المنخفضة.
عند الحد الأعلى من الغلاف الجوي خارج المناطق المدارية ، يوجد حد أقصى سنوي واحد للإشعاع وقت الانقلاب الصيفي وواحد أدنى في وقت الانقلاب الشتوي. ولكن بين المناطق المدارية ، يكون لتدفق الإشعاع حد أقصى كل عام ، يُعزى إلى تلك الأوقات التي تصل فيها الشمس إلى أعلى ارتفاع لها في الظهيرة. عند خط الاستواء ، سيكون هذا في أيام الاعتدال ، في خطوط العرض الأخرى داخل المدارية - بعد الربيع وقبل الاعتدال الخريفي ، والابتعاد عن توقيت الاعتدالات ، كلما زاد خط العرض. اتساع الاختلاف السنوي عند خط الاستواء صغير ، داخل المناطق المدارية صغير ؛ في مناطق خطوط العرض المعتدلة والعالية هو أكبر من ذلك بكثير.
توزيع الحرارة والضوء على الأرض
الشمس هي نجم النظام الشمسي ، وهي مصدر كمية هائلة من الحرارة والضوء الساطع لكوكب الأرض. على الرغم من حقيقة أن الشمس بعيدة عنا وأن جزءًا صغيرًا فقط من إشعاعها يصل إلينا ، فإن هذا يكفي تمامًا لتطور الحياة على الأرض. يدور كوكبنا حول الشمس في مدار. إذا تمت ملاحظة الأرض من مركبة فضائية خلال العام ، فيمكن للمرء أن يلاحظ أن الشمس تضيء دائمًا نصف الأرض فقط ، وبالتالي ، سيكون هناك نهار ، وفي ذلك الوقت سيكون هناك ليل في النصف الآخر. يتلقى سطح الأرض الحرارة خلال النهار فقط.
ترتفع درجة حرارة أرضنا بشكل غير متساو. يُفسر التسخين غير المتكافئ للأرض من خلال شكلها الكروي ، وبالتالي فإن زاوية سقوط شعاع الشمس في مناطق مختلفة مختلفة ، مما يعني أن أجزاء مختلفة من الأرض تتلقى كميات مختلفة من الحرارة. عند خط الاستواء ، تسقط أشعة الشمس عموديًا ، وتسخن الأرض بشدة.كلما ابتعد عن خط الاستواء ، تصبح زاوية سقوط الحزمة أصغر ، وبالتالي ، تتلقى هذه المناطق حرارة أقل. تُسخن حزمة الطاقة نفسها للإشعاع الشمسي منطقة أصغر بكثير بالقرب من خط الاستواء ، لأنها تسقط عموديًا. بالإضافة إلى ذلك ، تتساقط الأشعة بزاوية أصغر من زاوية خط الاستواء ، وتخترق الغلاف الجوي ، وتقطع مسارًا أطول فيه ، ونتيجة لذلك ينتشر جزء من أشعة الشمس في طبقة التروبوسفير ولا يصل إلى سطح الأرض. كل هذا يدل على أنك كلما ابتعدت عن خط الاستواء شمالاً أو جنوباً ، تنخفض درجة حرارة الهواء ، حيث تقل زاوية سقوط شعاع الشمس.
تتأثر درجة تسخين سطح الأرض أيضًا بحقيقة أن محور الأرض يميل إلى مستوى المدار ، حيث تُحدث الأرض ثورة كاملة حول الشمس ، بزاوية 66.5 درجة ويتم توجيهها دائمًا بواسطة الطرف الشمالي نحو النجم القطبي.
تخيل أن الأرض ، تتحرك حول الشمس ، لديها محور الأرض عموديًا على مستوى مدار الدوران. ثم يتلقى السطح عند خطوط العرض المختلفة كمية ثابتة من الحرارة على مدار العام ، وستكون زاوية سقوط شعاع الشمس ثابتة طوال الوقت ، وسيكون اليوم دائمًا مساويًا للليل ، ولن يكون هناك تغيير في الفصول. عند خط الاستواء ، قد تختلف هذه الظروف قليلاً عن الحاضر. ميل محور الأرض له تأثير كبير على تسخين سطح الأرض ، وبالتالي على المناخ بأكمله ، على وجه التحديد في خطوط العرض المعتدلة.
خلال العام ، أي خلال الثورة الكاملة للأرض حول الشمس ، تكون أربعة أيام جديرة بالملاحظة بشكل خاص: 21 مارس ، 23 سبتمبر ، 22 يونيو ، 22 ديسمبر.
تقسم المناطق الاستوائية والدوائر القطبية سطح الأرض إلى أحزمة تختلف في الإضاءة الشمسية وكمية الحرارة المتلقاة من الشمس. هناك 5 مناطق إضاءة: المناطق القطبية الشمالية والجنوبية اللتان تستقبلان القليل من الضوء والحرارة ، والمنطقة الاستوائية ذات المناخ الحار ، والمنطقة الشمالية والجنوبية المعتدلة اللتان تستقبلان ضوءًا وحرارة أكثر من المناطق القطبية ، ولكن أقل من تلك الاستوائية.
لذلك ، في الختام ، يمكننا أن نستنتج استنتاجًا عامًا: يرتبط التسخين والإضاءة غير المتكافئين لسطح الأرض بكروية الأرض وميل محور الأرض حتى 66.5 درجة إلى مدار الدوران حول الشمس.
تراكم الحرارة في الصخور الساخنة والخرسانة والحصى وما إلى ذلك.
تتمتع المياه بأحد أعلى السعات الحرارية - 4.2 جول / سم 3 * كلفن ، بينما تمتلك الخرسانة ثلث هذه القيمة فقط. من ناحية أخرى ، يمكن تسخين الخرسانة إلى درجات حرارة أعلى بكثير تصل إلى 1200 درجة مئوية عن طريق ، على سبيل المثال ، التسخين الكهربائي ، وبالتالي فهي تتمتع بقدرة إجمالية أعلى بكثير. باتباعًا للمثال أدناه ، قد يكون المكعب المعزول الذي يبلغ عرضه حوالي 2.8 مترًا قادرًا على توفير حرارة مخزنة كافية لمنزل واحد لتلبية 50 ٪ من طلب التدفئة. من حيث المبدأ ، يمكن استخدام هذا لتخزين الرياح الزائدة أو الطاقة الحرارية الكهروضوئية بسبب قدرة التسخين الكهربائي على الوصول إلى درجات حرارة عالية.
على مستوى المحافظة ، اجتذب مشروع Wiggenhausen-Süd في مدينة فريدريشهافين الألمانية الاهتمام الدولي. هذا عبارة عن وحدة تخزين حرارة من الخرسانة المسلحة تبلغ مساحتها 12000 متر مكعب (420.000 قدم مكعب) متصلة بمساحة 4300 متر مربع (46000 قدم مربع).
قدم) ، تغطي نصف الحاجة إلى الماء الساخن والتدفئة لـ 570 منزلاً. تقوم شركة Siemens ببناء منشأة لتخزين الحرارة بالقرب من هامبورغ بسعة 36 ميجاوات في الساعة ، تتكون من بازلت يتم تسخينه إلى 600 درجة مئوية وتوليد 1.5 ميجاوات من الطاقة. ومن المقرر إنشاء نظام مماثل في مدينة سورو الدنماركية ، حيث سيتم تحويل 41-58٪ من الحرارة المخزنة بقدرة 18 ميجاوات في الساعة إلى تدفئة المنطقة بالمدينة ، و 30-41٪ ككهرباء.
كيفية حساب مردود التسخين الشمسي
باستخدام الجدول أدناه ، يمكنك حساب مقدار انخفاض تكاليف التدفئة عند استخدام مجمعات الطاقة الشمسية ، والمدة التي يمكن أن يدفعها هذا النظام وما هي الفوائد التي يمكن الحصول عليها خلال فترات التشغيل المختلفة. تم تطوير هذا النموذج لـ Primorsky Krai ، ولكن يمكن استخدامه أيضًا لتقدير استخدام التدفئة الشمسية في Khabarovsk Krai و Amur Oblast و Sakhalin و Kamchatka وجنوب سيبيريا.في هذه الحالة ، سيكون لمجمعات الطاقة الشمسية تأثير أقل في الفترة من ديسمبر إلى يناير عند خطوط العرض العليا ، ولكن الفوائد الإجمالية لن تكون أقل ، نظرًا لموسم التدفئة الأطول.
في الجدول الأول ، أدخل معلمات منزلك ونظام التدفئة وأسعار الطاقة. يمكن تعديل جميع الحقول التي تم وضع علامة عليها باللون الأخضر ومحاكاة منزل موجود أو مخطط له.
أولاً ، ادخل المنطقة الساخنة في منزلك في العمود الأول.
ثم قم بتقييم جودة العزل الحراري للمبنى وطريقة التسخين باختيار القيم المناسبة.
حدد عدد أفراد الأسرة واستهلاك الماء الساخن - سيساعد ذلك في تقييم فوائد إمداد الماء الساخن لمجمعات الطاقة الشمسية.
أدخل أسعار مصدر طاقة التدفئة المعتاد - الكهرباء أو الديزل أو الفحم.
أدخل قيمة الدخل المعتاد لأحد أفراد الأسرة الذي يعمل في التدفئة في منزلك. يساعد هذا في تقدير تكاليف العمالة لموسم التدفئة ويلعب دورًا مهمًا بشكل خاص لأنظمة الوقود الصلب ، حيث يكون من الضروري إحضار الفحم وتفريغه ، وإلقائه في الفرن ، ورمي الرماد ، وما إلى ذلك.
سيتم تحديد سعر نظام تجميع الطاقة الشمسية تلقائيًا ، بناءً على معلمات المبنى الذي حددته. هذا السعر تقريبي - قد تختلف تكاليف التركيب الفعلية ومعايير معدات التسخين بالطاقة الشمسية ويحسبها المتخصصون بشكل فردي في كل حالة.
في عمود "تكاليف التثبيت" ، يمكنك إدخال تكلفة المعدات وتركيب نظام تدفئة تقليدي - موجود أو مخطط له
إذا كان النظام مثبتًا بالفعل ، يمكنك إدخال "0".
انتبه لمقدار نفقات موسم التدفئة وقارن مع نفقاتك المعتادة. إذا كانت مختلفة ، فحاول تغيير الإعدادات.
في عمود "تكاليف التدفئة لكل موسم" ، تأخذ أنظمة التدفئة التي تعمل بالفحم في الاعتبار القيمة النقدية لتكاليف العمالة. إذا كنت لا ترغب في أخذها في الاعتبار ، فيمكنك تقليل قيمة دخل أحد أفراد الأسرة المتورطين في التدفئة. تعتبر تكاليف العمالة إلى حد أقل لأنظمة الوقود السائل ولا تؤخذ في الاعتبار لأنظمة الغلايات الكهربائية. يتم إجراء ضبط مجمعات الطاقة الشمسية تلقائيًا ولا يتطلب اهتمامًا مستمرًا.
في عمود "Lifetime" ، الافتراضي هو 20 عامًا - هذه هي الحياة المعتادة لأنظمة التدفئة الشمسية مع مجمعات الطاقة الشمسية. اعتمادًا على ظروف التشغيل ، يمكن أن تدوم مجمعات الطاقة الشمسية لفترة أطول من هذه الفترة. يمكنك تغيير العمر الافتراضي وسيعكس الرسم البياني أدناه الفرق بين تكاليف التركيب والصيانة وفوائد استخدام مجمعات الطاقة الشمسية للتدفئة. وبالتالي ، سترى مقدار تكاليف التدفئة التي سيتم تخفيضها والمدة التي سيمكنها هذا الاختلاف من تعويض تكاليف تركيب مجمعات الطاقة الشمسية.
النتائج النهائية تقريبية ، لكنها تعطي فكرة جيدة عن التكلفة التي يمكن أن يتكلفها نظام التدفئة الشمسية والمدة التي يمكن أن يدفعها لنفسه.
يرجى ملاحظة أنه يمكن تخفيض تكاليف موسم التدفئة بشكل كبير باستخدام مجمعات الطاقة الشمسية وأنظمة التدفئة الأرضية وتحسين العزل الحراري للمبنى. أيضًا ، يمكن تقليل تكاليف التدفئة إذا تم تصميم المبنى مسبقًا لاستخدام التدفئة الشمسية واستخدام تقنيات البيوت البيئية.
svetdv.ru
ما هي الحرارة الشمسية
منذ العصور القديمة ، كان الناس يدركون جيدًا دور الشمس في حياتهم. في جميع الدول تقريبًا ، كان بمثابة الآلهة الرئيسية أو أحد الآلهة الرئيسية ، مما أعطى الحياة والضوء لجميع الكائنات الحية. اليوم ، لدى البشرية فكرة أفضل بكثير عن مصدر حرارة الشمس.
من وجهة نظر العلم ، فإن شمسنا هي نجمة صفراء ، وهي نجمة نظامنا الكوكبي بأكمله.إنها تستمد طاقتها من اللب - الجزء المركزي من كرة ساخنة ضخمة ، حيث تحدث تفاعلات الاندماج النووي الحراري بقوة لا يمكن تصورها عند درجة حرارة تقاس بملايين الدرجات. لا يزيد نصف قطر النواة عن ربع نصف القطر الإجمالي للشمس ، ولكن في القلب تتولد الطاقة المشعة ، جزء صغير منها يكفي لدعم الحياة على كوكبنا.
تدخل الطاقة المنبعثة الطبقات الخارجية للشمس عبر منطقة الحمل الحراري وتصل إلى الغلاف الضوئي - السطح المشع للنجم. تقترب درجة حرارة الغلاف الضوئي من 6000 درجة ، فهو الذي يحول وينبعث إلى الفضاء الطاقة المشعة التي يتلقاها كوكبنا. في الواقع ، نحن نعيش بسبب الاحتراق التدريجي والبطيء للبلازما النجمية التي تتكون منها الشمس.
التركيب الطيفي للإشعاع الشمسي
يمثل فاصل الطول الموجي بين 0.1 و 4 ميكرون 99 ٪ من إجمالي طاقة الإشعاع الشمسي. تبقى 1٪ فقط من الإشعاع بأطوال موجية أقصر وأطول ، وصولاً إلى الأشعة السينية وموجات الراديو.
يشغل الضوء المرئي نطاقًا ضيقًا من الأطوال الموجية ، فقط من 0.40 إلى 0.75 ميكرون. ومع ذلك ، تحتوي هذه الفترة الزمنية على ما يقرب من نصف إجمالي الطاقة المشعة الشمسية (46٪). توجد نفس الكمية تقريبًا (47٪) في الأشعة تحت الحمراء ، والنسبة 7٪ المتبقية في الأشعة فوق البنفسجية.
في علم الأرصاد الجوية ، من المعتاد التمييز بين إشعاع الموجة القصيرة والموجة الطويلة. يطلق على إشعاع الموجة القصيرة إشعاع في نطاق الطول الموجي من 0.1 إلى 4 ميكرون. وتشمل ، بالإضافة إلى الضوء المرئي ، الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء الأقرب لها بأطوال موجية. الإشعاع الشمسي هو 99٪ من إشعاع الموجة القصيرة. يشمل إشعاع الموجة الطويلة إشعاع سطح الأرض والغلاف الجوي بأطوال موجية تتراوح من 4 إلى 100-120 ميكرون.
شدة الإشعاع الشمسي المباشر
يسمى الإشعاع الذي يأتي إلى سطح الأرض مباشرة من القرص الشمسي بالإشعاع الشمسي المباشر ، على عكس الإشعاع المنتشر في الغلاف الجوي. ينتشر الإشعاع الشمسي من الشمس في جميع الاتجاهات. لكن المسافة من الأرض إلى الشمس كبيرة جدًا لدرجة أن الإشعاع المباشر يسقط على أي سطح على الأرض في شكل حزمة من الأشعة المتوازية تنبعث من اللانهاية. حتى الكرة الأرضية ككل صغيرة جدًا مقارنة بالبعد عن الشمس بحيث يمكن اعتبار كل الإشعاع الشمسي الساقط عليها شعاعًا من الأشعة المتوازية بدون خطأ ملحوظ.
يتميز تدفق الإشعاع الشمسي المباشر إلى سطح الأرض أو إلى أي مستوى أعلى في الغلاف الجوي بكثافة الإشعاع أنا، أي مقدار الطاقة المشعة التي تدخل لكل وحدة زمنية (دقيقة واحدة) لكل وحدة مساحة (سنتيمتر مربع واحد) عموديًا على أشعة الشمس.
أرز. 1. تدفق الإشعاع الشمسي إلى السطح العمودي للأشعة (AB) وعلى سطح أفقي (تيار متردد).
من السهل أن نفهم أن مساحة الوحدة الموجودة بشكل عمودي على أشعة الشمس ستتلقى أكبر قدر ممكن من الإشعاع في ظل ظروف معينة. سيكون لوحدة المساحة الأفقية كمية أقل من الطاقة المشعة:
أنا = أنا سينه
أين ح هو ارتفاع الشمس (الشكل 1).
جميع أنواع الطاقة متكافئة بشكل متبادل. لذلك ، يمكن التعبير عن الطاقة المشعة بوحدات من أي نوع من الطاقة ، على سبيل المثال ، الحرارية أو الميكانيكية. من الطبيعي التعبير عنها بالوحدات الحرارية ، لأن أدوات القياس تعتمد على التأثير الحراري للإشعاع: يتم تحويل الطاقة المشعة ، التي يمتصها الجهاز بالكامل تقريبًا ، إلى حرارة يتم قياسها. وبالتالي ، سيتم التعبير عن شدة الإشعاع الشمسي المباشر بالسعرات الحرارية لكل سنتيمتر مربع في الدقيقة (كال / سم 2 دقيقة).
توليد الطاقة
تعمل الطاقة الشمسية عن طريق تحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.يمكن أن يحدث هذا إما بشكل مباشر ، باستخدام الخلايا الكهروضوئية ، أو بشكل غير مباشر ، باستخدام أنظمة الطاقة الشمسية المركزة ، حيث تجمع العدسات والمرايا ضوء الشمس من مساحة كبيرة إلى شعاع رفيع ، وتتبع آلية التتبع موقع الشمس. تقوم الخلايا الكهروضوئية بتحويل الضوء إلى كهرباء باستخدام التأثير الكهروضوئي.
من المتوقع أن تصبح الطاقة الشمسية أكبر مصدر للكهرباء بحلول عام 2050 ، حيث تمثل الخلايا الكهروضوئية والطاقة الشمسية المركزة 16٪ و 11٪ من توليد الكهرباء العالمي ، على التوالي.
ظهرت محطات الطاقة التجارية التي تستخدم الطاقة الشمسية المركزة لأول مرة في الثمانينيات. بعد عام 1985 ، أصبح تركيب 354 ميجاوات SEGS من هذا النوع في صحراء موهافي (كاليفورنيا) أكبر محطة للطاقة الشمسية في العالم. تشمل محطات الطاقة الشمسية الأخرى من هذا النوع SPP Solnova (الإنجليزية) (150 ميجاوات) و SPP Andasol (الإنجليزية) (100 ميجاوات) ، وكلاهما في إسبانيا. من بين أكبر محطات الطاقة الكهروضوئية (باللغة الإنجليزية) مشروع Agua Caliente Solar Project (250 ميجاوات) في الولايات المتحدة الأمريكية ، و Charanka Solar Park (221 ميجاوات) في الهند. المشاريع التي يزيد حجمها عن 1 جيجاوات قيد التطوير ، لكن معظم التركيبات الكهروضوئية التي تصل إلى 5 كيلوواط صغيرة وسقفية.اعتبارًا من 2013 ، شكلت الطاقة الشمسية أقل من 1 ٪ من الكهرباء في الشبكة العالمية.
أنواع الإشعاع الشمسي
في الغلاف الجوي ، يُمتص الإشعاع الشمسي وهو في طريقه إلى سطح الأرض جزئيًا ، ويتناثر جزئيًا وينعكس من السحب وسطح الأرض. يتم ملاحظة ثلاثة أنواع من الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي: المباشر والمنتشر والإجمالي.
الإشعاع الشمسي المباشر - إشعاع يأتي إلى سطح الأرض مباشرة من قرص الشمس. ينتشر الإشعاع الشمسي من الشمس في جميع الاتجاهات. لكن المسافة من الأرض إلى الشمس كبيرة جدًا لدرجة أن الإشعاع المباشر يسقط على أي سطح على الأرض في شكل حزمة من الأشعة المتوازية تنبعث من اللانهاية. حتى الكرة الأرضية بأكملها صغيرة جدًا مقارنة بالمسافة إلى الشمس بحيث يمكن اعتبار كل الإشعاع الشمسي الساقط عليها شعاعًا من الأشعة المتوازية بدون خطأ ملحوظ.
يصل الإشعاع المباشر فقط إلى الحد الأعلى للغلاف الجوي. ينعكس حوالي 30٪ من حوادث الإشعاع على الأرض في الفضاء الخارجي. الأكسجين والنيتروجين والأوزون وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء (السحب) وجزيئات الهباء الجوي تمتص 23٪ من الإشعاع الشمسي المباشر في الغلاف الجوي. الأوزون يمتص الأشعة فوق البنفسجية والمرئية. على الرغم من أن محتواه في الهواء صغير جدًا ، إلا أنه يمتص كل الأشعة فوق البنفسجية (حوالي 3٪)
وبالتالي ، لا يتم ملاحظته على سطح الأرض على الإطلاق ، وهو أمر مهم جدًا للحياة على الأرض.
كما أن الإشعاع الشمسي المباشر في طريقه عبر الغلاف الجوي منتشر أيضًا. جسيم (قطرة أو بلورة أو جزيء) من الهواء ، يكون في مسار موجة كهرومغناطيسية ، "يستخرج" باستمرار الطاقة من الموجة الساقطة ويعيد إشعاعها في جميع الاتجاهات ، ليصبح باعثًا للطاقة.
يتم تبديد حوالي 25٪ من الطاقة من إجمالي تدفق الإشعاع الشمسي الذي يمر عبر الغلاف الجوي بواسطة جزيئات الغاز الجوي والهباء الجوي ويتم تحويلها في الغلاف الجوي إلى إشعاع شمسي منتشر. وبالتالي ، فإن الإشعاع الشمسي المتناثر هو إشعاع شمسي يتعرض للتناثر في الغلاف الجوي. يأتي الإشعاع المتناثر على سطح الأرض ليس من القرص الشمسي ، ولكن من الغلاف الجوي بأكمله. يختلف الإشعاع المبعثر عن الإشعاع المباشر في التركيب الطيفي ، حيث تنتشر الأشعة ذات الأطوال الموجية المختلفة بدرجات مختلفة.
نظرًا لأن المصدر الأساسي للإشعاع المنتشر هو الإشعاع الشمسي المباشر ، فإن تدفق الإشعاع المنتشر يعتمد على نفس العوامل التي تؤثر على تدفق الإشعاع المباشر. على وجه الخصوص ، يزداد تدفق الإشعاع المتناثر مع زيادة ارتفاع الشمس والعكس صحيح.كما أنه يزداد مع زيادة عدد الجزيئات المتناثرة في الغلاف الجوي ، أي مع انخفاض شفافية الغلاف الجوي ، وتناقص مع الارتفاع فوق مستوى سطح البحر نتيجة لانخفاض عدد الجزيئات المتناثرة في طبقات الغلاف الجوي. للغيوم والغطاء الثلجي تأثير كبير جدًا على الإشعاع المنتشر ، والذي يمكن أن يؤدي إلى زيادة انتشار الإشعاع الشمسي بعدة مرات بسبب تبعثر وانعكاس الإشعاع المباشر والمنتشر عليها وإعادة تبعثرها في الغلاف الجوي.
يكمل الإشعاع المتناثر بشكل كبير الإشعاع الشمسي المباشر ويزيد بشكل كبير من تدفق الطاقة الشمسية إلى سطح الأرض. دوره عظيم بشكل خاص في فصل الشتاء عند خطوط العرض العالية وفي المناطق الأخرى ذات الغيوم العالية ، حيث قد يتجاوز جزء الإشعاع المنتشر جزء الإشعاع المباشر. على سبيل المثال ، في الكمية السنوية للطاقة الشمسية ، يمثل الإشعاع المتناثر 56٪ في أرخانجيلسك و 51٪ في سانت بطرسبرغ.
إجمالي الإشعاع الشمسي هو مجموع تدفقات الإشعاع المباشر والمنتشر التي تصل إلى سطح أفقي. قبل شروق الشمس وبعد غروبها ، وكذلك في النهار مع غيوم مستمر ، يكون إجمالي الإشعاع كاملًا ، وفي الارتفاعات المنخفضة من الشمس يتكون أساسًا من إشعاع متناثر. في سماء صافية أو غائمة قليلاً ، مع زيادة ارتفاع الشمس ، تزداد نسبة الإشعاع المباشر في تكوين الإجمالي بسرعة وفي النهار يكون تدفقها أكبر بعدة مرات من تدفق الإشعاع المتناثر. يؤدي الغيوم في المتوسط إلى إضعاف الإشعاع الكلي (بنسبة 20-30٪) ، ومع ذلك ، مع وجود غيوم جزئي لا يغطي القرص الشمسي ، فقد يكون تدفقه أكبر مما هو عليه في سماء صافية. يزيد الغطاء الثلجي بشكل كبير من تدفق الإشعاع الكلي عن طريق زيادة تدفق الإشعاع المتناثر.
يتم امتصاص الإشعاع الكلي ، الساقط على سطح الأرض ، في الغالب عن طريق الطبقة العليا من التربة أو طبقة سميكة من الماء (الإشعاع الممتص) ويتحول إلى حرارة ، وينعكس جزئيًا (الإشعاع المنعكس).
سيور حرارية
اعتمادًا على كمية الإشعاع الشمسي الذي يدخل سطح الأرض ، يتم تمييز 7 مناطق حرارية على الكرة الأرضية: حار ، واثنتان معتدلتان ، واثنتان باردتان ، ومنطقتان من الصقيع الأبدي. حدود المناطق الحرارية هي متساوي الحرارة. الحزام الساخن محدود بمتوسط درجات الحرارة السنوية + 20 درجة مئوية من الشمال والجنوب (الشكل 9). منطقتان معتدلتان شمال وجنوب المنطقة الساخنة مقيدان من جانب خط الاستواء بمتوسط درجة حرارة سنوية +20 درجة مئوية ، ومن جانب خطوط العرض المرتفعة بمقدار +10 درجة مئوية (متوسط درجة حرارة الهواء لـ الأشهر الأكثر دفئًا هي يوليو في الشمال ويناير في نصف الكرة الجنوبي). تتطابق الحدود الشمالية تقريبًا مع حدود توزيع الغابات. تقع المنطقتان الباردتان شمال وجنوب المنطقة المعتدلة في نصفي الكرة الشمالي والجنوبي بين +10 درجة مئوية و 0 درجة مئوية متساوي الحرارة في الشهر الأكثر دفئًا. يحد حزامي الصقيع الأبدي من درجة حرارة 0 درجة مئوية في الشهر الأكثر دفئًا من الأحزمة الباردة. يمتد عالم الثلج والجليد الأبدي إلى القطبين الشمالي والجنوبي.
نتائج قياس الاشعاع الشمسي المباشر
مع عدم تغيير شفافية الغلاف الجوي ، تعتمد شدة الإشعاع الشمسي المباشر على الكتلة الضوئية للغلاف الجوي ، أي في النهاية على ارتفاع الشمس. لذلك ، خلال النهار ، يجب أن يزيد الإشعاع الشمسي بسرعة أولاً ، ثم بشكل أبطأ من شروق الشمس حتى الظهر ، وفي البداية ببطء ، ثم ينخفض بسرعة من الظهر حتى غروب الشمس.
لكن شفافية الجو أثناء النهار تختلف في حدود معينة. لذلك ، يُظهر منحنى مسار الإشعاع خلال النهار ، حتى في يوم خالٍ تمامًا من الغيوم ، بعض المخالفات.
ترجع الاختلافات في شدة الإشعاع عند الظهيرة بشكل أساسي إلى الاختلافات في ارتفاع ظهيرة الشمس ، والتي تكون أقل في الشتاء عنها في الصيف. الحد الأدنى من الشدة في خطوط العرض المعتدلة يحدث في ديسمبر ، عندما تكون الشمس في أدنى مستوياتها. لكن الشدة القصوى ليست في أشهر الصيف ، ولكن في الربيع.الحقيقة هي أنه في الربيع يكون الهواء أقل غيومًا بمنتجات التكثيف وقليلًا من الغبار. في الصيف ، يزداد الغبار ويزداد محتوى بخار الماء في الغلاف الجوي أيضًا ، مما يقلل إلى حد ما من شدة الإشعاع.
الحد الأقصى لقيم شدة الإشعاع المباشر لبعض النقاط هي كما يلي (بالكال / سم 2 دقيقة): خليج تيكسي 1.30 ، بافلوفسك 1.43 ، إيركوتسك 1.47 ، موسكو 1.48 ، كورسك 1.51 ، تبليسي 1.51 ، فلاديفوستوك 1 ، 46 ، طشقند 1.52.
يمكن أن نرى من هذه البيانات أن القيم القصوى لكثافة الإشعاع تنمو بشكل ضئيل للغاية مع تناقص خط العرض الجغرافي ، على الرغم من الزيادة في ارتفاع الشمس. ويرجع ذلك إلى زيادة المحتوى الرطوبي وجزئيًا بسبب الغبار الجوي في خطوط العرض الجنوبية. عند خط الاستواء ، لا تتجاوز القيم القصوى للإشعاع بشكل كبير الحد الأقصى الصيفي لخطوط العرض المعتدلة. في الهواء الجاف للصحارى شبه الاستوائية (الصحراء) ، لوحظت قيم تصل إلى 1.58 كالوري / سم 2 دقيقة.
مع الارتفاع فوق مستوى سطح البحر ، تزداد القيم القصوى للإشعاع بسبب انخفاض الكتلة الضوئية للغلاف الجوي عند نفس ارتفاع الشمس. لكل 100 متر من الارتفاع ، تزداد كثافة الإشعاع في طبقة التروبوسفير بمقدار 0.01-0.02 كالوري / سم 2 دقيقة. لقد قلنا بالفعل أن القيم القصوى لشدة الإشعاع التي لوحظت في الجبال تصل إلى 1.7 كالوري / سم 2 دقيقة وأكثر.