Càlcul d'un col·lector solar pla
La pràctica demostra que una mitjana de 900 W d'energia tèrmica per metre quadrat d'una superfície instal·lada perpendicularment als raigs brillants del sol (amb un cel sense núvols). Calcularem el SC a partir d'un model amb una superfície d'1 m². La part frontal és mat, negre (té una absorció propera al 100% d'energia tèrmica). La part posterior està aïllada amb una capa de poliestirè expandit de 10 cm. Cal calcular les pèrdues de calor que es produeixen al revers, ombrívol. Coeficient d'aïllament tèrmic de poliestirè expandit - 0,05 W / m × graus. Coneixent el gruix i suposant que la diferència de temperatura en els costats oposats del material és de 50 graus, calculem la pèrdua de calor:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
S'esperen aproximadament les mateixes pèrdues dels extrems i canonades, és a dir, la quantitat total serà de 50 watts. Els cels sense núvols són rars i també s'ha de tenir en compte l'efecte dels dipòsits de brutícia sobre el col·lector. Per tant, reduirem la quantitat d'energia tèrmica per 1 m² a 800 W. L'aigua que s'utilitza com a portador de calor als SC plans té una capacitat calorífica de 4200 J/kg × grau o 1,16 W/kg × grau. Això vol dir que per augmentar un grau la temperatura d'un litre d'aigua, es necessitaran 1,16 W d'energia. Tenint en compte aquests càlculs, obtenim el valor següent per al nostre model de col·lector solar d'1 m² d'àrea:
Arrodonim per comoditat fins a 700 / kg × grau. Aquesta expressió indica la quantitat d'aigua que es pot escalfar en un col·lector (model d'1 m²) durant una hora. Això no té en compte la pèrdua de calor de la part frontal, que augmentarà a mesura que s'escalfa. Aquestes pèrdues limitaran l'escalfament del refrigerant al col·lector solar entre 70 i 90 graus. En aquest sentit, el valor de 700 es pot aplicar a temperatures baixes (de 10 a 60 graus). El càlcul del col·lector solar mostra que un sistema d'1 m² és capaç d'escalfar 10 litres d'aigua a 70 graus, la qual cosa és suficient per proporcionar aigua calenta a una casa. Podeu reduir el temps d'escalfament de l'aigua reduint el volum del col·lector solar mantenint la seva superfície. Si el nombre de persones que viuen a la casa requereix un volum d'aigua més gran, s'han d'utilitzar diversos col·lectors d'aquesta zona, connectats en un mateix sistema. Perquè la llum solar actuï sobre el radiador de la manera més eficient possible, el col·lector s'ha d'orientar en un angle amb la línia de l'horitzó igual a la latitud de la zona. Això ja s'ha comentat a l'article Com calcular la potència dels panells solars, s'aplica el mateix principi. De mitjana, es necessiten 50 litres d'aigua calenta per garantir la vida d'una persona. Atès que l'aigua abans d'escalfar té una temperatura d'uns 10 °C, la diferència de temperatura és de 70 - 10 = 60 °C. La quantitat de calor necessària per escalfar l'aigua és la següent:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW d'energia.
Dividint W per la quantitat d'energia solar per 1 m² de superfície en una àrea determinada (dades dels centres hidrometeorològics), obtenim l'àrea del col·lector. El càlcul d'un col·lector solar per a la calefacció es realitza de manera similar. Però el volum d'aigua (refrigerant) es necessita més, que depèn del volum de l'habitació climatitzada. Es pot concloure que la millora de l'eficiència d'aquest tipus de sistemes d'escalfament d'aigua es pot aconseguir reduint el volum i augmentant simultàniament la superfície.
Tecnologies del gel
S'estan desenvolupant una sèrie de tecnologies on es produeix gel durant els períodes no punta i després s'utilitza per a la refrigeració. Per exemple, l'aire condicionat es pot fer més econòmic utilitzant electricitat barata a la nit per congelar l'aigua i després utilitzar la potència de refrigeració del gel durant el dia per reduir la quantitat d'energia necessària per mantenir l'aire condicionat. L'emmagatzematge d'energia tèrmica mitjançant el gel utilitza l'elevat calor de fusió de l'aigua. Històricament, el gel es transportava de les muntanyes a les ciutats per ser utilitzat com a refrigerant. Una tona mètrica (= 1 m3) d'aigua pot emmagatzemar 334 milions de joules (J) o 317.000 unitats tèrmiques britàniques (93 kWh).Una unitat d'emmagatzematge relativament petita pot emmagatzemar prou gel per refredar un edifici gran durant un dia o una setmana sencers.
A més d'utilitzar gel per a la refrigeració directa, també s'utilitza en bombes de calor que alimenten sistemes de calefacció. En aquestes zones, els canvis d'energia de fase proporcionen una capa conductora de calor molt seriosa, propera al llindar de temperatura inferior al qual pot funcionar una bomba de calor que utilitza la calor de l'aigua. Això permet al sistema gestionar les càrregues de calefacció més pesades i augmentar la quantitat de temps que els elements de la font d'energia poden retornar la calor al sistema.
Reaccions químiques endotèrmiques i exotèrmiques
Tecnologia d'hidratació de sal
Un exemple de tecnologia experimental d'emmagatzematge d'energia basada en l'energia de les reaccions químiques és una tecnologia basada en hidrats de sal. El sistema utilitza l'energia de la reacció creada en el cas d'hidratació o deshidratació de sals. Funciona emmagatzemant la calor en un dipòsit que conté una solució d'hidròxid de sodi al 50%. La calor (per exemple, obtinguda d'un col·lector solar) s'emmagatzema a causa de l'evaporació de l'aigua durant una reacció endotèrmica. Quan s'afegeix aigua de nou, s'allibera calor durant la reacció exotèrmica a 50C (120F). Actualment, els sistemes funcionen amb una eficiència del 60%. El sistema és especialment eficaç per a l'emmagatzematge d'energia tèrmica estacional, ja que la sal seca es pot emmagatzemar a temperatura ambient durant molt de temps sense pèrdua d'energia. Fins i tot els contenidors de sal deshidratada es poden transportar a diferents llocs. El sistema té una densitat energètica superior a la calor emmagatzemada a l'aigua, i la seva capacitat permet emmagatzemar energia durant diversos mesos o fins i tot anys.
L'any 2013, el desenvolupador tecnològic holandès TNO va presentar els resultats del projecte MERITS per emmagatzemar calor en un recipient de sal. La calor que es pot lliurar des del col·lector solar al sostre pla fa evaporar l'aigua continguda a la sal. Quan es torna a afegir aigua, s'allibera calor sense pràcticament pèrdua d'energia. Un recipient amb uns quants metres cúbics de sal pot emmagatzemar prou energia termoquímica per escalfar una casa durant tot l'hivern. Amb temperatures com als Països Baixos, una granja mitjana tolerant a la calor requerirà uns 6,7 GJ d'energia durant l'hivern. Per emmagatzemar tanta energia a l'aigua (amb una diferència de temperatura de 70C) caldria 23 m3 d'aigua en un dipòsit aïllat, que és més del que la majoria de les cases poden emmagatzemar. Amb l'ús de la tecnologia d'hidrats de sal amb una densitat energètica d'aproximadament 1 GJ/m3, 4-8 m3 serien suficients.
A partir del 2016, investigadors de diversos països estan duent a terme experiments per determinar el millor tipus de sal o barreja de sals. La baixa pressió dins del contenidor sembla ser la millor per a la transferència d'energia. Particularment prometedores són les sals orgàniques, els anomenats "líquids iònics". En comparació amb els sorbents d'halogenur de liti, causen molts menys problemes en entorns amb recursos limitats i, en comparació amb la majoria d'halogenurs i hidròxid de sodi, són menys càustics i no tenen impacte negatiu a través de les emissions de diòxid de carboni.
Enllaços químics moleculars
En aquests moments s'està investigant la possibilitat d'emmagatzemar energia en enllaços químics moleculars. Ja s'ha aconseguit una densitat d'energia equivalent a les bateries d'ions de liti.
Distribució de la radiació al límit de l'atmosfera
Per a la climatologia, la qüestió de la distribució de l'entrada i retorn de la radiació al món té un interès important. Considereu primer la distribució de la radiació solar sobre una superfície horitzontal "al límit de l'atmosfera". També es podria dir: "en absència d'atmosfera". Amb això assumim que no hi ha ni absorció ni dispersió de radiació, ni la seva reflexió pels núvols. La distribució de la radiació solar al límit de l'atmosfera és la més senzilla.Realment existeix a una altitud de diverses desenes de quilòmetres. Aquesta distribució s'anomena clima solar.
Se sap com canvia la constant solar durant l'any i, en conseqüència, la quantitat de radiació que arriba a la Terra. Si determinem la constant solar per a la distància real de la Terra al Sol, llavors amb un valor mitjà anual d'1,98 cal/cm2 min. serà igual a 2,05 cal/cm2 min. al gener i 1,91 cal/cm2 min. a juliol.
Per tant, l'hemisferi nord durant un dia d'estiu rep una mica menys de radiació al límit de l'atmosfera que l'hemisferi sud durant el seu dia d'estiu.
La quantitat de radiació rebuda per dia al límit de l'atmosfera depèn de l'època de l'any i de la latitud del lloc. Sota cada latitud, l'estació determina la durada de l'afluència de radiació. Però sota diferents latituds, la durada de la part del dia al mateix temps és diferent.
Al Pol, el sol no es pon gens a l'estiu, i no surt durant 6 mesos a l'hivern. Entre el pol i el cercle polar àrtic, el sol no es pon a l'estiu, i no surt a l'hivern durant un període de sis mesos a un dia. A l'equador, el dia sempre dura 12 hores. Des del cercle polar àrtic fins a l'equador, les hores de llum diürnes disminueixen a l'estiu i augmenten a l'hivern.
Però l'entrada de radiació solar a una superfície horitzontal depèn no només de la durada del dia, sinó també de l'alçada del sol. La quantitat de radiació que arriba al límit de l'atmosfera per unitat de superfície horitzontal és proporcional al sinus de l'alçada del sol. I l'alçada del sol no només canvia a cada lloc durant el dia, sinó que també depèn de l'època de l'any. L'alçada del sol a l'equador varia al llarg de l'any de 90 a 66,5°, als tròpics de 90 a 43°, als cercles polars de 47 a 0° i als pols de 23,5 a 0°.
L'esfericitat de la Terra i la inclinació del pla equatorial respecte al pla de l'eclíptica creen una distribució complexa de l'afluència de radiació per les latituds al límit de l'atmosfera i els seus canvis durant l'any.
A l'hivern, l'afluència de radiació disminueix molt ràpidament des de l'equador fins al pol, a l'estiu disminueix molt més lentament. En aquest cas, el màxim a l'estiu s'observa al tròpic, i l'afluència de radiació disminueix una mica del tròpic a l'equador. La petita diferència en l'afluència de radiació entre les latituds tropical i polar a l'estiu s'explica pel fet que, tot i que les altures del sol a les latituds polars són més baixes a l'estiu que als tròpics, la durada del dia és llarga. El dia del solstici d'estiu, per tant, en absència d'atmosfera, el pol rebria més radiació que l'equador. Tanmateix, a prop de la superfície terrestre, com a conseqüència de l'atenuació de la radiació per part de l'atmosfera, la seva reflexió pels núvols, etc., l'afluència de radiació estival a latituds polars és significativament menor que a latituds inferiors.
Al límit superior de l'atmosfera fora dels tròpics, hi ha una radiació màxima anual en el moment del solstici d'estiu i una mínima en el moment del solstici d'hivern. Però entre els tròpics, l'entrada de radiació té dos màxims per any, atribuïbles a aquells moments en què el sol arriba a la seva alçada màxima al migdia. A l'equador, això serà els dies dels equinoccis, en altres latituds intratropicals, després de la primavera i abans de l'equinocci de tardor, allunyant-se del moment dels equinoccis, com més gran sigui la latitud. L'amplitud de la variació anual a l'equador és petita, dins dels tròpics és petita; a les latituds temperades i altes és molt més gran.
Distribució de la calor i la llum a la Terra
El sol és l'estrella del sistema solar, que és la font d'una enorme quantitat de calor i llum encegadora per al planeta Terra. Tot i que el Sol es troba a una distància considerable de nosaltres i només ens arriba una petita part de la seva radiació, això és suficient per al desenvolupament de la vida a la Terra. El nostre planeta gira al voltant del sol en una òrbita. Si s'observa la Terra des d'una nau espacial durant l'any, es pot notar que el Sol sempre il·lumina només la meitat de la Terra, per tant, hi haurà dia, i en aquest moment hi haurà nit a la meitat oposada. La superfície terrestre només rep calor durant el dia.
La nostra Terra s'està escalfant de manera desigual. L'escalfament desigual de la Terra s'explica per la seva forma esfèrica, de manera que l'angle d'incidència del raig solar en diferents zones és diferent, la qual cosa significa que diferents parts de la Terra reben diferents quantitats de calor. A l'equador, els raigs del sol cauen verticalment i escalfen molt la Terra.Com més lluny de l'equador, l'angle d'incidència del feix es fa més petit i, en conseqüència, aquests territoris reben menys calor. El mateix feix de potència de radiació solar escalfa una àrea molt més petita prop de l'equador, ja que cau verticalment. A més, els raigs que cauen en un angle més petit que a l'equador, que penetren a l'atmosfera, recorren un camí més llarg, com a conseqüència del qual part dels raigs solars es dispersen per la troposfera i no arriben a la superfície terrestre. Tot això indica que a mesura que s'allunya de l'equador cap al nord o cap al sud, la temperatura de l'aire disminueix, a mesura que disminueix l'angle d'incidència del raig solar.
El grau d'escalfament de la superfície terrestre també es veu afectat pel fet que l'eix terrestre està inclinat respecte al pla de l'òrbita, al llarg del qual la Terra fa una revolució completa al voltant del Sol, amb un angle de 66,5 ° i sempre està dirigida per l'extrem nord cap a l'estrella polar.
Imagineu que la Terra, en moviment al voltant del Sol, té l'eix terrestre perpendicular al pla de l'òrbita de rotació. Llavors la superfície a diferents latituds rebria una quantitat constant de calor durant tot l'any, l'angle d'incidència del raig solar seria constant tot el temps, el dia sempre seria igual a la nit, no hi hauria canvi d'estació. A l'equador, aquestes condicions diferirien poc de les actuals. La inclinació de l'eix terrestre té un efecte significatiu en l'escalfament de la superfície terrestre i, per tant, en tot el clima, precisament en latituds temperades.
Durant l'any, és a dir, durant la revolució completa de la Terra al voltant del Sol, destaquen especialment quatre dies: 21 de març, 23 de setembre, 22 de juny, 22 de desembre.
Els tròpics i els cercles polars divideixen la superfície de la Terra en cinturons que difereixen en la il·luminació solar i la quantitat de calor rebuda del Sol. Hi ha 5 zones d'il·luminació: les zones polars nord i sud, que reben poca llum i calor, la zona tropical amb un clima càlid, i les zones temperades nord i sud, que reben més llum i calor que les polars, però menys de els tropicals.
Així, en conclusió, podem extreure una conclusió general: l'escalfament i la il·luminació desiguals de la superfície terrestre s'associen amb l'esfericitat de la nostra Terra i amb la inclinació de l'eix terrestre fins a 66,5 ° a l'òrbita de rotació al voltant del Sol.
Acumulació de calor en roca calenta, formigó, còdols, etc.
L'aigua té una de les capacitats calorífices més altes: 4,2 J / cm3 * K, mentre que el formigó només té un terç d'aquest valor. El formigó, d'altra banda, es pot escalfar a temperatures molt més altes de 1200C mitjançant, per exemple, calefacció elèctrica i, per tant, té una capacitat global molt més gran. Seguint l'exemple següent, un cub aïllat d'aproximadament 2,8 m de diàmetre pot proporcionar prou calor emmagatzemada per a una casa per satisfer el 50% de la demanda de calefacció. En principi, es podria utilitzar per emmagatzemar l'excés d'energia eòlica o tèrmica fotovoltaica a causa de la capacitat de la calefacció elèctrica per assolir altes temperatures.
A nivell de comtat, el projecte Wiggenhausen-Süd a la ciutat alemanya de Friedrichshafen va atreure l'atenció internacional. Es tracta d'una unitat d'emmagatzematge de calor de formigó armat de 12.000 m3 (420.000 peus cúbiques) connectada a una unitat de 4.300 m2 (46.000 metres quadrats).
ft.), cobrint la meitat de la necessitat d'aigua calenta i calefacció per a 570 habitatges. Siemens està construint una instal·lació d'emmagatzematge de calor prop d'Hamburg amb una capacitat de 36 MWh, que consisteix en basalt escalfat a 600ºC i que genera 1,5 MW d'energia. Un sistema similar està previst per a la construcció a la ciutat danesa de Sorø, on el 41-58% de la calor emmagatzemada amb una capacitat de 18 MWh es transferirà a la calefacció de districte de la ciutat, i el 30-41% com a electricitat.
Com calcular el retorn de la calefacció solar
Mitjançant la taula següent, podeu calcular quant es reduiran els vostres costos de calefacció en utilitzar col·lectors solars, quant de temps pot pagar aquest sistema i quins beneficis es poden obtenir durant els diferents períodes de funcionament. Aquest model es va desenvolupar per a Primorsky Krai, però també es pot utilitzar per estimar l'ús de la calefacció solar a Khabarovsk Krai, Amur Oblast, Sakhalin, Kamtxatka i el sud de Sibèria.En aquest cas, els col·lectors solars tindran menys efecte entre desembre i gener a latituds més altes, però els beneficis globals no seran menors, donada la temporada de calefacció més llarga.
A la primera taula, introduïu els paràmetres de la vostra casa, el sistema de calefacció i els preus de l'energia. Tots els camps marcats amb verd es poden modificar i simular una casa existent o planificada.
Primer, introduïu la zona climatitzada de la vostra casa a la primera columna.
A continuació, avalueu la qualitat del mètode d'aïllament tèrmic i de calefacció de l'edifici seleccionant els valors adequats.
Indiqueu el nombre de membres de la família i el consum d'aigua calenta: això ajudarà a avaluar els beneficis del subministrament d'aigua calenta dels col·lectors solars.
Introduïu els preus de la vostra font d'energia de calefacció habitual: electricitat, gasoil o carbó.
Introduïu el valor dels ingressos habituals d'un familiar que es dedica a la calefacció a la vostra llar. Això ajuda a estimar els costos laborals de la temporada de calefacció i té un paper especialment important per als sistemes de combustible sòlid, on cal portar i descarregar carbó, llençar-lo al forn, llençar les cendres, etc.
El preu del sistema de col·lectors solars es determinarà automàticament, en funció dels paràmetres de l'edifici especificat. Aquest preu és aproximat: els costos reals d'instal·lació i els paràmetres dels equips de calefacció solar poden diferir i són calculats per especialistes individualment en cada cas.
A la columna "Costos d'instal·lació", podeu introduir el cost de l'equip i la instal·lació d'un sistema de calefacció tradicional, existent o previst.
Si el sistema ja està instal·lat, podeu introduir "0".
Fixeu-vos en l'import de les despeses de la temporada de calefacció i compareu amb les vostres despeses habituals. Si són diferents, proveu de canviar la configuració.
A la columna "Costos de calefacció per temporada", els sistemes de calefacció de carbó tenen en compte el valor monetari dels costos laborals. Si no els voleu tenir en compte, podeu reduir el valor dels ingressos d'un familiar implicat en la calefacció. Els costos laborals es consideren en menor mesura per als sistemes de combustible líquid i no es tenen en compte per als sistemes de calderes elèctriques. L'ajust dels col·lectors solars es realitza automàticament i no requereix atenció constant.
A la columna "Vida útil", el valor predeterminat és de 20 anys: aquesta és la vida habitual dels sistemes de calefacció solar amb col·lectors solars. Depenent de les condicions de funcionament, els col·lectors solars poden durar més que aquest període. Podeu canviar la vida útil i el gràfic següent reflectirà la diferència entre els costos d'instal·lació i manteniment i els avantatges d'utilitzar col·lectors solars per a la calefacció. Així, veureu fins a quin punt es reduiran les despeses de calefacció i quant de temps aquesta diferència permetrà recuperar les despeses d'instal·lació de col·lectors solars.
Els resultats finals són aproximats, però donen una bona idea de quant pot costar un sistema de calefacció solar i quant de temps es pot pagar per si mateix.
Tingueu en compte que els costos de la temporada de calefacció es poden reduir significativament utilitzant col·lectors solars, sistemes de calefacció per terra radiant i millorant l'aïllament tèrmic de l'edifici. A més, els costos de calefacció es poden reduir si l'edifici està dissenyat per endavant per a l'ús de la calefacció solar i utilitzant tecnologies d'ecohouse.
svetdv.ru
Què és la calor solar
Des de l'antiguitat, les persones han estat ben conscients del paper del Sol en les seves vides. A gairebé totes les nacions, va actuar com a principal o una de les divinitats principals, donant vida i llum a tots els éssers vius. Avui, la humanitat té una idea molt millor d'on prové la calor del sol.
Des del punt de vista de la ciència, el nostre Sol és una estrella groga, que és la lluminària de tot el nostre sistema planetari.Treu la seva energia del nucli, la part central d'una enorme bola calenta, on es produeixen reaccions de fusió termonuclear d'una potència inimaginable a una temperatura mesurada en milions de graus. El radi del nucli no supera la quarta part del radi total del Sol, però és al nucli on es genera energia radiant, una petita fracció de la qual és suficient per mantenir la vida al nostre planeta.
L'energia alliberada entra a les capes exteriors del Sol a través de la zona convectiva i arriba a la fotosfera, la superfície radiant de l'estrella. La temperatura de la fotosfera s'acosta als 6.000 graus, és ella la que converteix i emet a l'espai l'energia radiant que rep el nostre planeta. De fet, vivim a causa de la crema gradual i lenta del plasma estel·lar que forma el Sol.
Composició espectral de la radiació solar
L'interval de longitud d'ona entre 0,1 i 4 micres representa el 99% de l'energia total de la radiació solar. Només queda un 1% de radiació amb longituds d'ona més curtes i més llargues, fins als raigs X i ones de ràdio.
La llum visible ocupa un rang estret de longituds d'ona, només de 0,40 a 0,75 micres. Tanmateix, aquest interval conté gairebé la meitat de tota l'energia radiant solar (46%). Gairebé la mateixa quantitat (47%) es troba en raigs infrarojos, i el 7% restant és en raigs ultraviolats.
En meteorologia, s'acostuma a distingir entre radiació d'ona curta i d'ona llarga. La radiació d'ona curta s'anomena radiació en el rang de longitud d'ona de 0,1 a 4 micres. Inclou, a més de la llum visible, la radiació ultraviolada i infraroja més propera a ella en longituds d'ona. La radiació solar és el 99% d'aquesta radiació d'ona curta. La radiació d'ona llarga inclou la radiació de la superfície terrestre i de l'atmosfera amb longituds d'ona de 4 a 100-120 micres.
Intensitat de la radiació solar directa
La radiació que arriba a la superfície terrestre directament des del disc solar s'anomena radiació solar directa, en contrast amb la radiació dispersa a l'atmosfera. La radiació solar es propaga des del Sol en totes direccions. Però la distància de la Terra al Sol és tan gran que la radiació directa cau sobre qualsevol superfície de la Terra en forma de feix de raigs paral·lels que emanen, per dir-ho, de l'infinit. Fins i tot el globus en el seu conjunt és tan petit en comparació amb la distància del Sol que tota la radiació solar que cau sobre ell es pot considerar com un feix de raigs paral·lels sense error notable.
L'entrada de radiació solar directa a la superfície terrestre o a qualsevol nivell superior de l'atmosfera es caracteritza per la intensitat de la radiació. jo, és a dir, la quantitat d'energia radiant que entra per unitat de temps (un minut) per unitat d'àrea (un centímetre quadrat) perpendicular als raigs solars.
Arròs. 1. L'afluència de radiació solar a la superfície perpendicular als raigs (AB), i en una superfície horitzontal (AU).
És fàcil entendre que una unitat d'àrea situada perpendicularment als raigs solars rebrà la màxima quantitat possible de radiació en condicions determinades. Una unitat d'àrea horitzontal tindrà una quantitat menor d'energia radiant:
jo = jo sinh
on h és l'alçada del sol (Fig. 1).
Tots els tipus d'energia són mútuament equivalents. Per tant, l'energia radiant es pot expressar en unitats de qualsevol tipus d'energia, per exemple, en tèrmica o mecànica. És natural expressar-ho en unitats tèrmiques, perquè els instruments de mesura es basen en l'efecte tèrmic de la radiació: l'energia radiant, gairebé totalment absorbida a l'aparell, es converteix en calor, que es mesura. Així, la intensitat de la radiació solar directa s'expressarà en calories per centímetre quadrat per minut (cal/cm2min).
Generació d'energia
L'energia solar funciona convertint la llum solar en electricitat.Això pot passar directament, utilitzant la fotovoltaica, o indirectament, utilitzant sistemes d'energia solar concentrada, en què les lents i els miralls recullen la llum solar d'una gran àrea en un feix prim i un mecanisme de seguiment rastreja la posició del Sol. La fotovoltaica converteix la llum en electricitat mitjançant l'efecte fotoelèctric.
Es preveu que l'energia solar esdevingui la font d'electricitat més gran l'any 2050, amb la fotovoltaica i l'energia solar concentrada que representen el 16% i l'11% de la generació d'electricitat mundial, respectivament.
Les centrals elèctriques comercials que utilitzaven energia solar concentrada van aparèixer per primera vegada a la dècada de 1980. Després de 1985, una instal·lació SEGS de 354 MW d'aquest tipus al desert de Mojave (Califòrnia) es va convertir en la central d'energia solar més gran del món. Altres centrals solars d'aquest tipus són Solnova (150 MW) i Andasol (100 MW), ambdues a Espanya. Entre les centrals fotovoltaiques més grans (anglès) es troben Agua Caliente Solar Project (250 MW) als EUA i Charanka Solar Park (221 MW) a l'Índia. S'estan desenvolupant projectes de més d'1 GW, però la majoria de les instal·lacions fotovoltaiques de fins a 5 kW són petites i cobertes.A partir del 2013, l'energia solar representava menys de l'1% de l'electricitat de la xarxa mundial.
Tipus de radiació solar
A l'atmosfera, la radiació solar en el seu camí cap a la superfície terrestre és parcialment absorbida, i parcialment dispersa i reflectida pels núvols i la superfície terrestre. A l'atmosfera s'observen tres tipus de radiació solar: directa, difusa i total.
Radiació solar directa: radiació que arriba a la superfície terrestre directament des del disc del sol. La radiació solar es propaga des del Sol en totes direccions. Però la distància de la Terra al Sol és tan gran que la radiació directa cau sobre qualsevol superfície de la Terra en forma de feix de raigs paral·lels que emanen, per dir-ho, de l'infinit. Fins i tot el globus en conjunt és tan petit en comparació amb la distància al Sol que tota la radiació solar que cau sobre ell es pot considerar un feix de raigs paral·lels sense error notable.
Només la radiació directa arriba al límit superior de l'atmosfera. Al voltant del 30% de la radiació incident a la Terra es reflecteix a l'espai exterior. Les partícules d'oxigen, nitrogen, ozó, diòxid de carboni, vapor d'aigua (núvols) i aerosol absorbeixen el 23% de la radiació solar directa a l'atmosfera. L'ozó absorbeix la radiació ultraviolada i visible. Tot i que el seu contingut a l'aire és molt petit, absorbeix tota la radiació ultraviolada (aproximadament un 3%).
Per tant, no s'observa en absolut a la superfície terrestre, la qual cosa és molt important per a la vida a la Terra.
La radiació solar directa al seu pas per l'atmosfera també es dispersa. Una partícula (gota, cristall o molècula) d'aire, que es troba en el camí d'una ona electromagnètica, "extreu" contínuament energia de l'ona incident i la torna a irradiar en totes direccions, convertint-se en un emissor d'energia.
Al voltant del 25% de l'energia del flux total de radiació solar que travessa l'atmosfera es dissipa per les molècules de gas atmosfèric i l'aerosol i es converteix a l'atmosfera en radiació solar dispersa. Així, la radiació solar dispersa és la radiació solar que ha sofert dispersió a l'atmosfera. La radiació dispersa arriba a la superfície terrestre no des del disc solar, sinó de tot el firmament. La radiació dispersa difereix de la radiació directa en la seva composició espectral, ja que els raigs de diferents longituds d'ona es dispersen en diferents graus.
Com que la font principal de radiació difusa és la radiació solar directa, el flux de radiació difusa depèn dels mateixos factors que afecten el flux de radiació directa. En particular, el flux de radiació dispersa augmenta a mesura que augmenta l'alçada del Sol i viceversa.També augmenta amb l'augment del nombre de partícules disperses a l'atmosfera, és a dir. amb una disminució de la transparència de l'atmosfera, i disminueix amb l'alçada sobre el nivell del mar a causa d'una disminució del nombre de partícules disperses a les capes superiors de l'atmosfera. La nuvolositat i la coberta de neu tenen una influència molt gran en la radiació difusa, que, a causa de la dispersió i reflexió de la radiació directa i difusa que incideix sobre elles i la seva redispersió a l'atmosfera, pot augmentar la radiació solar difusa en diverses vegades.
La radiació dispersa complementa significativament la radiació solar directa i augmenta significativament el flux d'energia solar a la superfície terrestre. El seu paper és especialment gran a l'hivern a latituds altes i en altres regions amb gran nuvolositat, on la fracció de radiació difusa pot superar la fracció de radiació directa. Per exemple, en la quantitat anual d'energia solar, la radiació dispersa representa el 56% a Arkhangelsk i el 51% a Sant Petersburg.
La radiació solar total és la suma dels fluxos de radiació directa i difusa que arriben a una superfície horitzontal. Abans de la sortida i després de la posta del sol, així com durant el dia amb nuvolositat contínua, la radiació total és completament, i a baixes altituds del Sol consisteix principalment en radiació dispersa. En un cel sense núvols o una mica ennuvolat, amb un augment de l'alçada del Sol, la proporció de radiació directa en la composició del total augmenta ràpidament i durant el dia el seu flux és moltes vegades més gran que el flux de radiació dispersa. La nuvolositat de mitjana debilita la radiació total (en un 20-30%), però, amb una nuvolositat parcial que no cobreix el disc solar, el seu flux pot ser més gran que amb un cel sense núvols. La capa de neu augmenta significativament el flux de radiació total augmentant el flux de radiació dispersa.
La radiació total, que cau a la superfície terrestre, és absorbida majoritàriament per la capa superior del sòl o una capa més gruixuda d'aigua (radiació absorbida) i es converteix en calor, i es reflecteix parcialment (radiació reflectida).
Cinturons tèrmics
En funció de la quantitat de radiació solar que entra a la superfície de la Terra, al globus es distingeixen 7 zones tèrmiques: calentes, dues de moderades, dues de fredes i dues zones de gelades eternes. Els límits de les zones tèrmiques són isotermes. El cinturó calent està limitat per isotermes anuals mitjanes de +20°С des del nord i del sud (Fig. 9). Dues zones temperades al nord i al sud de la zona calenta estan limitades des del costat de l'equador per una isoterma mitjana anual de +20 ° С, i des del costat de les latituds altes per una isoterma de +10 ° С (la temperatura mitjana de l'aire de els mesos més càlids són juliol a l'hemisferi nord i gener a l'hemisferi sud). El límit nord coincideix aproximadament amb el límit de distribució forestal. Les dues zones fredes al nord i al sud de la zona temperada als hemisferis nord i sud es troben entre les isotermes de +10 °C i 0 °C del mes més càlid. Els dos cinturons de gelades eternes estan delimitats per la isoterma de 0 °C del mes més càlid dels cinturons de fred. El regne de la neu i el gel eterns s'estén als pols nord i sud.
Resultats de mesura de la radiació solar directa
Amb la transparència de l'atmosfera sense canvis, la intensitat de la radiació solar directa depèn de la massa òptica de l'atmosfera, és a dir, en última instància, de l'alçada del sol. Per tant, durant el dia, la radiació solar primer ha d'augmentar ràpidament, després més lentament des de la sortida del sol fins al migdia, i al principi lentament, després disminuir ràpidament des del migdia fins a la posta del sol.
Però la transparència de l'atmosfera durant el dia varia dins de certs límits. Per tant, la corba del curs diürn de la radiació, fins i tot en un dia completament sense núvols, mostra algunes irregularitats.
Les diferències en la intensitat de la radiació al migdia es deuen principalment a les diferències en l'alçada del migdia del sol, que és menor a l'hivern que a l'estiu. La intensitat mínima a les latituds temperades es produeix al desembre, quan el sol està en el seu punt més baix. Però la màxima intensitat no és als mesos d'estiu, sinó a la primavera.El cas és que a la primavera l'aire és el menys ennuvolat pels productes de condensació i poc polsós. A l'estiu, augmenta la pols i també augmenta el contingut de vapor d'aigua a l'atmosfera, fet que redueix una mica la intensitat de la radiació.
Els valors màxims d'intensitat de radiació directa per a alguns punts són els següents (en cal/cm2min): Tiksi Bay 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moscou 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostok 1, 46, Tashkent.
D'aquestes dades es pot veure que els valors màxims de la intensitat de la radiació creixen molt poc amb la disminució de la latitud geogràfica, malgrat l'augment de l'alçada del sol. Això s'explica per un augment del contingut d'humitat i, en part, per la pols a les latituds meridionals. A l'equador, els valors màxims de radiació no superen molt els màxims d'estiu de latituds temperades. A l'aire sec dels deserts subtropicals (Sàhara), però, es van observar valors de fins a 1,58 cal/cm2 min.
Amb l'alçada sobre el nivell del mar, els valors màxims de radiació augmenten a causa d'una disminució de la massa òptica de l'atmosfera a la mateixa alçada del sol. Per cada 100 m d'altitud, la intensitat de radiació a la troposfera augmenta en 0,01-0,02 cal/cm2 min. Ja hem dit que els valors màxims d'intensitat de radiació observats a les muntanyes arriben a 1,7 cal/cm2 min i més.