Výpočet plochého solárního kolektoru
Praxe ukazuje, že průměrně 900 W tepelné energie na metr čtvereční plochy instalované kolmo na jasné sluneční paprsky (při bezmračné obloze). SC vypočítáme na základě modelu o ploše 1 m². Přední strana je matná, černá (má téměř 100% absorpci tepelné energie). Zadní strana je zateplena 10 cm vrstvou pěnového polystyrenu. Je třeba vypočítat tepelné ztráty, ke kterým dochází na opačné, stinné straně. Součinitel tepelné izolace pěnového polystyrenu - 0,05 W / m × st. Při znalosti tloušťky a za předpokladu, že teplotní rozdíl na opačných stranách materiálu je do 50 stupňů, vypočítáme tepelné ztráty:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Přibližně stejné ztráty se očekávají od konců a trubek, to znamená, že celkové množství bude 50 wattů. Obloha bez mráčku je vzácná a je třeba vzít v úvahu také vliv usazenin nečistot na kolektoru. Proto snížíme množství tepelné energie na 1 m² na 800 W. Voda používaná jako nosič tepla v plochých SC má tepelnou kapacitu 4200 J/kg × stupeň nebo 1,16 W/kg × stupeň. To znamená, že ke zvýšení teploty jednoho litru vody o jeden stupeň bude potřeba 1,16 W energie. Na základě těchto výpočtů získáme pro náš model solárního kolektoru o ploše 1 m² následující hodnotu:
Pro pohodlí zaokrouhlujeme až na 700 / kg × deg. Tento výraz udává množství vody, které lze ohřát v kolektoru (model 1 m²) za hodinu. To nezohledňuje tepelné ztráty z přední strany, které se s oteplením zvýší. Tyto ztráty omezí ohřev chladicí kapaliny v solárním kolektoru v rozmezí 70-90 stupňů. V tomto ohledu lze hodnotu 700 aplikovat na nízké teploty (od 10 do 60 stupňů). Výpočet solárního kolektoru ukazuje, že systém o ploše 1 m² je schopen ohřát 10 litrů vody o 70 stupních, což je docela dost na zásobení domu teplou vodou. Dobu ohřevu vody zkrátíte zmenšením objemu solárního kolektoru při zachování jeho plochy. Pokud počet osob žijících v domě vyžaduje větší objem vody, je vhodné použít více kolektorů této plochy, které jsou propojeny do jednoho systému. Aby sluneční světlo působilo na zářič co nejúčinněji, musí být kolektor orientován pod úhlem k horizontu rovnajícím se zeměpisné šířce oblasti. O tom již byla řeč v článku Jak vypočítat výkon solárních panelů, platí stejný princip. K zajištění života jednoho člověka je v průměru potřeba 50 litrů teplé vody. Vzhledem k tomu, že voda před ohřevem má teplotu cca 10 °C, je rozdíl teplot 70 - 10 = 60 °C. Množství tepla potřebného k ohřevu vody je následující:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW energie.
Vydělením W množstvím sluneční energie na 1 m² plochy v dané oblasti (údaje z hydrometeorologických center) dostaneme plochu kolektoru. Výpočet solárního kolektoru pro vytápění se provádí podobným způsobem. Ale objem vody (chladící kapaliny) je potřeba více, což závisí na objemu vytápěné místnosti. Lze konstatovat, že zlepšení účinnosti tohoto typu systému ohřevu vody lze dosáhnout zmenšením objemu a současným zvětšením plochy.
Ledové technologie
Vyvíjí se řada technologií, kde se led vyrábí v období mimo špičku a později se používá k chlazení. Například klimatizace může být hospodárnější tím, že se v noci použije levná elektřina k zmrazování vody a pak se během dne využije chladicí výkon ledu ke snížení množství energie potřebné k údržbě klimatizace. Akumulace tepelné energie pomocí ledu využívá vysoké teplo tání vody. Historicky se led dopravoval z hor do měst, aby se použil jako chladicí kapalina. Jedna metrická (= 1 m3) tuna vody může uložit 334 milionů joulů (J) nebo 317 000 britských tepelných jednotek (93 kWh).Relativně malá skladovací jednotka může uložit dostatek ledu pro chlazení velké budovy na celý den nebo týden.
Kromě využití ledu pro přímé chlazení se používá také v tepelných čerpadlech, která napájejí topné systémy. V těchto oblastech poskytují fázové změny energie velmi vážnou tepelně vodivou vrstvu, blízkou spodnímu teplotnímu prahu, při kterém může fungovat tepelné čerpadlo využívající teplo vody. To umožňuje systému zvládnout nejtěžší topnou zátěž a prodloužit dobu, po kterou mohou prvky zdroje energie vracet teplo do systému.
Endotermické a exotermické chemické reakce
Technologie hydratace soli
Příkladem experimentální technologie skladování energie založené na energii chemických reakcí je technologie založená na hydrátech solí. Systém využívá energii reakce vzniklé v případě hydratace nebo dehydratace solí. Funguje tak, že akumuluje teplo v nádrži obsahující 50% roztok hydroxidu sodného. Teplo (například získané ze slunečního kolektoru) se ukládá díky odpařování vody během endotermické reakce. Když se znovu přidá voda, během exotermické reakce se při 50 °C (120F) uvolní teplo. V současné době systémy pracují s účinností 60 %. Systém je zvláště účinný pro sezónní skladování tepelné energie, protože sušenou sůl lze skladovat při pokojové teplotě po dlouhou dobu bez ztráty energie. Nádoby s dehydrovanou solí lze dokonce přepravovat na různá místa. Systém má vyšší hustotu energie než teplo uložené ve vodě a jeho kapacita umožňuje uchovat energii na několik měsíců nebo dokonce let.
V roce 2013 představil nizozemský technologický vývojář TNO výsledky projektu MERITS na akumulaci tepla v solné nádobě. Teplo, které lze odevzdat ze solárního kolektoru na plochou střechu, odpaří vodu obsaženou v soli. Po opětovném přidání vody se teplo uvolňuje prakticky bez ztráty energie. Nádoba s několika kubickými metry soli dokáže uchovat dostatek termochemické energie na vytápění domu po celou zimu. Při teplotách jako v Nizozemsku bude průměrná farma tolerantní vůči horku vyžadovat přes zimu asi 6,7 GJ energie. Uchovat tolik energie ve vodě (s teplotním rozdílem 70C) by vyžadovalo 23 m3 vody v izolované nádrži, což je více, než většina domácností dokáže uložit. Při použití technologie solných hydrátů s energetickou hustotou cca 1 GJ/m3 by stačilo 4-8 m3.
Od roku 2016 provádějí výzkumníci z několika zemí experimenty, aby určili nejlepší typ soli nebo směsi solí. Nízký tlak uvnitř nádoby se zdá být nejlepší pro přenos síly. Nadějné jsou zejména organické soli, tzv. „iontové kapaliny“. Ve srovnání s halogenidovými sorbenty lithia způsobují mnohem méně problémů v prostředí s omezenými zdroji a ve srovnání s většinou halogenidů a hydroxidu sodného jsou méně žíravé a nemají žádný negativní dopad prostřednictvím emisí oxidu uhličitého.
Molekulárně chemické vazby
V tuto chvíli se zkoumá možnost ukládání energie v molekulárně chemických vazbách. Již bylo dosaženo energetické hustoty ekvivalentní lithium-iontovým bateriím.
Distribuce záření na hranici atmosféry
Pro klimatologii je velmi zajímavá otázka rozložení přítoku a návratu záření po celé zeměkouli. Nejprve zvažte rozložení slunečního záření na vodorovném povrchu „na hranici atmosféry“. Dalo by se také říci: "v nepřítomnosti atmosféry." Tím předpokládáme, že nedochází k absorpci ani rozptylu záření, ani k jeho odrazu oblaky. Nejjednodušší je rozložení slunečního záření na hranici atmosféry.Skutečně existuje v nadmořské výšce několika desítek kilometrů. Toto rozdělení se nazývá sluneční klima.
Je známo, jak se během roku mění sluneční konstanta a následně i množství záření přicházejícího na Zemi. Pokud určíme sluneční konstantu pro skutečnou vzdálenost Země od Slunce, pak s průměrnou roční hodnotou 1,98 cal/cm2 min. bude se rovnat 2,05 cal/cm2 min. v lednu a 1,91 cal/cm2 min. v červenci.
Proto severní polokoule během letního dne dostává o něco méně záření na hranici atmosféry než jižní polokoule během letního dne.
Množství záření přijatého za den na hranici atmosféry závisí na roční době a zeměpisné šířce místa. V každé zeměpisné šířce určuje roční období dobu trvání přílivu záření. Ale v různých zeměpisných šířkách je trvání denní části dne ve stejnou dobu různé.
Na pólu slunce v létě vůbec nezapadá a v zimě nevychází 6 měsíců. Mezi pólem a polárním kruhem slunce nezapadá v létě a nevychází v zimě po dobu šesti měsíců až jednoho dne. Na rovníku trvá den vždy 12 hodin. Od polárního kruhu k rovníku se denní hodiny v létě snižují a v zimě zvyšují.
Ale příliv slunečního záření na vodorovnou plochu závisí nejen na délce dne, ale také na výšce slunce. Množství záření přicházející na hranici atmosféry na jednotku vodorovného povrchu je úměrné sinusu výšky slunce. A výška slunce se nemění jen na každém místě během dne, ale závisí i na roční době. Výška slunce na rovníku se v průběhu roku mění od 90 do 66,5°, v tropech od 90 do 43°, na polárních kruzích od 47 do 0° a na pólech od 23,5 do 0°.
Kulovitost Země a sklon rovníkové roviny k rovině ekliptiky vytváří složité rozložení toku záření přes zeměpisné šířky na hranici atmosféry a jeho změny v průběhu roku.
V zimě příliv záření od rovníku k pólu klesá velmi rychle, v létě klesá mnohem pomaleji. V tomto případě je maximum v létě pozorováno v obratníku a příliv záření poněkud klesá z obratníku k rovníku. Malý rozdíl v přílivu záření mezi tropickými a polárními zeměpisnými šířkami v létě se vysvětluje tím, že ačkoli jsou výšky slunce v polárních šířkách v létě nižší než v tropech, délka dne je dlouhá. V den letního slunovratu by tedy při absenci atmosféry pól dostal více záření než rovník. V blízkosti zemského povrchu je však v důsledku útlumu záření atmosférou, jeho odrazu oblačností apod. letní příliv záření v polárních šířkách výrazně menší než v nižších zeměpisných šířkách.
Na horní hranici atmosféry mimo tropy je jedno roční radiační maximum v době letního slunovratu a jedno minimum v době zimního slunovratu. Ale mezi tropy má příliv radiace dvě maxima za rok, což lze připsat dobám, kdy slunce dosáhne nejvyšší polední výšky. Na rovníku to bude ve dnech rovnodenností, v jiných intratropických zeměpisných šířkách - po jarní a před podzimní rovnodenností, vzdalující se od načasování rovnodenností, tím větší je zeměpisná šířka. Amplituda roční variace na rovníku je malá, uvnitř tropů je malá; v mírných a vysokých zeměpisných šířkách je mnohem větší.
Distribuce tepla a světla na Zemi
Slunce je hvězdou sluneční soustavy, která je zdrojem obrovského množství tepla a oslepujícího světla pro planetu Zemi. Navzdory tomu, že Slunce je od nás ve značné vzdálenosti a k nám dopadá jen malá část jeho záření, pro rozvoj života na Zemi to docela stačí. Naše planeta obíhá kolem Slunce po oběžné dráze. Pokud je Země pozorována z kosmické lodi během roku, pak si lze všimnout, že Slunce osvětluje vždy jen jednu polovinu Země, takže tam bude den a v tu dobu bude noc na opačné polovině. Zemský povrch přijímá teplo pouze ve dne.
Naše Země se zahřívá nerovnoměrně. Nerovnoměrné zahřívání Země se vysvětluje jejím kulovým tvarem, takže úhel dopadu slunečního paprsku v různých oblastech je různý, což znamená, že různé části Země dostávají různé množství tepla. Na rovníku dopadají sluneční paprsky vertikálně a silně ohřívají Zemi.Čím dále od rovníku, tím se úhel dopadu paprsku zmenšuje a následně tato území dostávají méně tepla. Stejný paprsek slunečního záření ohřívá mnohem menší oblast blízko rovníku, protože dopadá vertikálně. Navíc paprsky dopadající pod menším úhlem než na rovníku, pronikající do atmosféry, v ní urazí delší dráhu, v důsledku čehož se část slunečních paprsků rozptýlí v troposféře a nedostane se na zemský povrch. To vše svědčí o tom, že jak se vzdalujete od rovníku na sever nebo jih, teplota vzduchu klesá, jak se zmenšuje úhel dopadu slunečního paprsku.
Stupeň ohřevu zemského povrchu je ovlivněn i tím, že zemská osa je skloněna k rovině oběžné dráhy, po níž Země provádí úplnou rotaci kolem Slunce, pod úhlem 66,5° a je vždy směrována o severním konci směrem k Polární hvězdě.
Představte si, že Země, která se pohybuje kolem Slunce, má zemskou osu kolmou k rovině oběžné dráhy. Pak by povrch v různých zeměpisných šířkách dostával konstantní množství tepla po celý rok, úhel dopadu slunečního paprsku by byl po celou dobu konstantní, den by se vždy rovnal noci, nedocházelo by ke střídání ročních období. Na rovníku by se tyto podmínky jen málo lišily od současnosti. Sklon zemské osy má právě v mírných zeměpisných šířkách výrazný vliv na zahřívání zemského povrchu, potažmo na celé klima.
Během roku, tedy během úplného obratu Země kolem Slunce, stojí za pozornost především čtyři dny: 21. března, 23. září, 22. června, 22. prosince.
Obratníky a polární kruhy rozdělují zemský povrch na pásy, které se liší slunečním osvětlením a množstvím tepla přijatého ze Slunce. Existuje 5 zón osvětlení: severní a jižní polární zóny, které dostávají málo světla a tepla, tropická zóna s horkým klimatem a severní a jižní mírné zóny, které dostávají více světla a tepla než polární, ale méně než ty tropické.
Na závěr tedy můžeme vyvodit obecný závěr: nerovnoměrné zahřívání a osvětlení zemského povrchu souvisí s kulovitostí naší Země a se sklonem zemské osy až 66,5° k oběžné dráze rotace kolem Slunce.
Akumulace tepla v horké skále, betonu, oblázcích atd.
Voda má jednu z nejvyšších tepelných kapacit - 4,2 J / cm3 * K, zatímco beton má pouze jednu třetinu této hodnoty. Beton lze naopak ohřát na mnohem vyšší teploty 1200 C například elektrickým ohřevem a má tak mnohem vyšší celkovou kapacitu. Podle níže uvedeného příkladu může být izolovaná kostka o průměru přibližně 2,8 m schopna poskytnout dostatek akumulovaného tepla pro jeden dům k pokrytí 50 % potřeby vytápění. V zásadě by to mohlo být použito k ukládání přebytečné větrné nebo fotovoltaické tepelné energie díky schopnosti elektrického ohřevu dosahovat vysokých teplot.
Na okresní úrovni vzbudil mezinárodní pozornost projekt Wiggenhausen-Süd v německém městě Friedrichshafen. Jedná se o železobetonovou tepelnou akumulační jednotku o ploše 12 000 m3 (420 000 m3) napojenou na 4 300 m2 (46 000 m2.
ft.), pokrývající polovinu potřeby teplé vody a vytápění pro 570 domů. Siemens staví nedaleko Hamburku tepelný zásobník o kapacitě 36 MWh, který se skládá z čediče ohřátého na 600 C a generuje 1,5 MW energie. Podobný systém je plánován pro výstavbu v dánském městě Sorø, kde bude 41-58 % akumulovaného tepla o kapacitě 18 MWh převedeno do dálkového vytápění města a 30-41 % jako elektřina.
Jak vypočítat návratnost solárního ohřevu
Pomocí níže uvedené tabulky si můžete spočítat, o kolik se sníží vaše náklady na vytápění při použití solárních kolektorů, jak dlouho se tento systém může splácet a jaké výhody lze získat v různých obdobích provozu. Tento model byl vyvinut pro Přímořský kraj, ale může být také použit k odhadu využití solárního ohřevu v Chabarovském kraji, Amurské oblasti, Sachalinu, Kamčatce a jižní Sibiři.V tomto případě budou mít solární kolektory menší účinek v prosinci až lednu ve vyšších zeměpisných šířkách, ale celkové přínosy nebudou menší, vzhledem k delší topné sezóně.
V první tabulce zadejte parametry vašeho domu, topný systém a ceny energií. Všechna pole, která jsou označena zeleně, lze upravit a simulovat stávající nebo plánovaný dům.
Nejprve zadejte do prvního sloupce vytápěnou oblast vašeho domu.
Následně zhodnoťte kvalitu tepelné izolace objektu a způsob vytápění výběrem příslušných hodnot.
Uveďte počet členů rodiny a spotřebu teplé vody – to pomůže vyhodnotit přínosy zásobování teplou vodou solárních kolektorů.
Zadejte ceny za váš obvyklý zdroj energie na vytápění – elektřinu, naftu nebo uhlí.
Zadejte hodnotu obvyklého příjmu člena rodiny, který se zabývá vytápěním ve vaší domácnosti. To pomáhá odhadnout mzdové náklady na topnou sezónu a hraje zvláště důležitou roli u systémů na tuhá paliva, kde je nutné přivážet a vykládat uhlí, vhazovat ho do topeniště, vyhazovat popel atd.
Cena solárního kolektorového systému bude stanovena automaticky na základě vámi zadaných parametrů budovy. Tato cena je přibližná - skutečné náklady na instalaci a parametry solárního zařízení se mohou lišit a jsou kalkulovány odborníky individuálně pro každý případ.
Ve sloupci "Náklady na instalaci" můžete zadat náklady na vybavení a instalaci tradičního topného systému - stávajícího nebo plánovaného
Pokud je systém již nainstalován, můžete zadat "0".
Věnujte pozornost výši výdajů za topnou sezónu a porovnejte se svými obvyklými výdaji. Pokud se liší, zkuste změnit nastavení.
Ve sloupci „Náklady na vytápění za sezónu“ systémy vytápění na uhlí zohledňují peněžní hodnotu mzdových nákladů. Pokud je nechcete zohledňovat, můžete snížit hodnotu příjmu člena rodiny podílejícího se na vytápění. Mzdové náklady jsou u systémů na kapalná paliva uvažovány v menší míře a u systémů elektrokotlů se neberou v úvahu. Nastavení solárních kolektorů se provádí automaticky a nevyžaduje neustálou pozornost.
Ve sloupci "Životnost" je výchozí hodnota 20 let - to je obvyklá životnost solárních topných systémů se solárními kolektory. V závislosti na provozních podmínkách mohou solární kolektory vydržet déle než toto období. Můžete změnit životnost a níže uvedený graf bude odrážet rozdíl mezi náklady na instalaci a údržbu a výhody použití solárních kolektorů k vytápění. Uvidíte tak, o kolik se sníží náklady na vytápění a jak dlouho vám tento rozdíl umožní vrátit náklady na instalaci solárních kolektorů.
Konečné výsledky jsou přibližné, ale poskytují dobrou představu o tom, kolik může solární systém stát a jak dlouho se může splácet.
Upozorňujeme, že náklady na topnou sezónu lze výrazně snížit použitím solárních kolektorů, systémů podlahového vytápění a zlepšením tepelné izolace budovy. Také náklady na vytápění lze snížit, pokud je budova předem navržena pro využití solárního ohřevu a s využitím technologií eko-domu.
svetdv.ru
Co je sluneční teplo
Od pradávna si lidé dobře uvědomovali roli Slunce ve svém životě. Téměř u všech národů působila jako hlavní nebo jedno z hlavních božstev, dávala život a světlo všemu živému. Dnes má lidstvo mnohem lepší představu o tom, odkud pochází sluneční teplo.
Z hlediska vědy je naše Slunce žlutá hvězda, která je svítidlem pro celý náš planetární systém.Energii čerpá z jádra – centrální části obrovské horké koule, kde probíhají termonukleární fúzní reakce nepředstavitelné síly při teplotě měřené v milionech stupňů. Poloměr jádra není větší než čtvrtina celkového poloměru Slunce, ale právě v jádru se generuje zářivá energie, jejíž malý zlomek stačí k podpoře života na naší planetě.
Uvolněná energie se přes konvektivní zónu dostává do vnějších vrstev Slunce a dostává se až do fotosféry – zářivého povrchu hvězdy. Teplota fotosféry se blíží 6000 stupňům, právě ona přeměňuje a vysílá do vesmíru zářivou energii, kterou naše planeta přijímá. Ve skutečnosti žijeme díky postupnému, pomalému spalování hvězdného plazmatu, který tvoří Slunce.
Spektrální složení slunečního záření
Interval vlnových délek mezi 0,1 a 4 mikrony představuje 99 % celkové energie slunečního záření. Pouze 1 % zbývá pro záření s kratšími a delšími vlnovými délkami, až po rentgenové záření a rádiové vlny.
Viditelné světlo zaujímá úzký rozsah vlnových délek, pouze od 0,40 do 0,75 mikronů. Tento interval však obsahuje téměř polovinu veškeré sluneční radiační energie (46 %). Téměř stejné množství (47 %) je v infračervených paprscích a zbývajících 7 % je v ultrafialovém záření.
V meteorologii je zvykem rozlišovat krátkovlnné a dlouhovlnné záření. Krátkovlnné záření se nazývá záření v rozsahu vlnových délek od 0,1 do 4 mikronů. Zahrnuje kromě viditelného světla i ultrafialové a infračervené záření, které je mu ve vlnových délkách nejbližší. Sluneční záření je z 99 % takové krátkovlnné záření. Dlouhovlnné záření zahrnuje záření zemského povrchu a atmosféry o vlnových délkách od 4 do 100-120 mikronů.
Intenzita přímého slunečního záření
Záření přicházející na zemský povrch přímo ze slunečního disku se nazývá přímé sluneční záření, na rozdíl od záření rozptýleného v atmosféře. Sluneční záření se šíří od Slunce všemi směry. Ale vzdálenost Země ke Slunci je tak velká, že přímé záření dopadá na jakýkoli povrch na Zemi ve formě paprsku rovnoběžných paprsků vycházejících jakoby z nekonečna. I zeměkoule jako celek je ve srovnání se vzdáleností od Slunce tak malá, že veškeré sluneční záření na ni dopadající lze bez znatelné chyby považovat za paprsek rovnoběžných paprsků.
Příliv přímého slunečního záření na zemský povrch nebo na jakoukoli vyšší úroveň v atmosféře je charakterizován intenzitou záření já, tj. množství zářivé energie vstupující za jednotku času (jedna minuta) na jednotku plochy (jeden centimetr čtvereční) kolmo ke slunečním paprskům.
Rýže. 1. Příliv slunečního záření na povrch kolmý k paprskům (AB) a na vodorovném povrchu (AC).
Je snadné pochopit, že jednotková plocha umístěná kolmo na sluneční paprsky dostane za daných podmínek maximální možné množství záření. Jednotka horizontální plochy bude mít menší množství zářivé energie:
Já' = hřeším
kde h je výška slunce (obr. 1).
Všechny druhy energie jsou vzájemně ekvivalentní. Energii záření lze proto vyjádřit v jednotkách jakéhokoli druhu energie, například v tepelné nebo mechanické. Je přirozené vyjadřovat to v tepelných jednotkách, protože měřicí přístroje jsou založeny na tepelném účinku záření: zářivá energie, téměř úplně absorbovaná v zařízení, se přeměňuje na teplo, které se měří. Intenzita přímého slunečního záření bude tedy vyjádřena v kaloriích na centimetr čtvereční za minutu (cal/cm2min).
Výroba elektřiny
Solární energie funguje tak, že přeměňuje sluneční světlo na elektřinu.To se může stát buď přímo pomocí fotovoltaiky, nebo nepřímo pomocí systémů koncentrované sluneční energie, ve kterých čočky a zrcadla shromažďují sluneční světlo z velké oblasti do tenkého paprsku a sledovací mechanismus sleduje polohu Slunce. Fotovoltaika přeměňuje světlo na elektřinu pomocí fotoelektrického jevu.
Předpokládá se, že solární energie se do roku 2050 stane největším zdrojem elektřiny, přičemž fotovoltaika a koncentrovaná solární energie budou představovat 16 % a 11 % celosvětové výroby elektřiny.
Komerční elektrárny využívající koncentrovanou sluneční energii se poprvé objevily v 80. letech 20. století. Po roce 1985 se instalace tohoto typu SEGS o výkonu 354 MW v poušti Mojave (Kalifornie) stala největší solární elektrárnou na světě. Mezi další solární elektrárny tohoto typu patří Solnova (150 MW) a Andasol (100 MW), obě ve Španělsku. Mezi největší fotovoltaické elektrárny (anglicky) patří Agua Caliente Solar Project (250 MW) v USA a Charanka Solar Park (221 MW) v Indii. Projekty nad 1 GW jsou ve vývoji, ale většina fotovoltaických instalací do 5 kW je malých a střešních.V roce 2013 solární energie tvořila méně než 1 % elektřiny v celosvětové síti.
Druhy slunečního záření
V atmosféře je sluneční záření na cestě k zemskému povrchu částečně absorbováno a částečně rozptýleno a odraženo od mraků a zemského povrchu. V atmosféře jsou pozorovány tři druhy slunečního záření: přímé, difúzní a celkové.
Přímé sluneční záření – záření přicházející na zemský povrch přímo ze slunečního kotouče. Sluneční záření se šíří od Slunce všemi směry. Ale vzdálenost Země ke Slunci je tak velká, že přímé záření dopadá na jakýkoli povrch na Zemi ve formě paprsku rovnoběžných paprsků vycházejících jakoby z nekonečna. I celá zeměkoule jako celek je ve srovnání se vzdáleností ke Slunci tak malá, že veškeré sluneční záření dopadající na ni lze bez znatelné chyby považovat za svazek rovnoběžných paprsků.
K horní hranici atmosféry se dostane pouze přímé záření. Asi 30 % záření dopadajícího na Zemi se odráží do vesmíru. Kyslík, dusík, ozón, oxid uhličitý, vodní pára (oblaka) a aerosolové částice absorbují 23 % přímého slunečního záření v atmosféře. Ozón pohlcuje ultrafialové a viditelné záření. Navzdory skutečnosti, že jeho obsah ve vzduchu je velmi malý, absorbuje veškeré ultrafialové záření (asi 3%).
Není tedy vůbec pozorován u zemského povrchu, což je pro život na Zemi velmi důležité.
Přímé sluneční záření na cestě atmosférou je také rozptýleno. Částice (kapka, krystal nebo molekula) vzduchu, která je v dráze elektromagnetické vlny, nepřetržitě „vytahuje“ energii z dopadající vlny a znovu ji vyzařuje do všech směrů a stává se emitorem energie.
Asi 25 % energie z celkového toku slunečního záření procházejícího atmosférou je rozptýleno molekulami atmosférického plynu a aerosolem a v atmosféře se přeměňuje na rozptýlené sluneční záření. Rozptýlené sluneční záření je tedy sluneční záření, které prošlo rozptylem v atmosféře. Rozptýlené záření nepřichází na zemský povrch ze slunečního disku, ale z celé nebeské klenby. Rozptýlené záření se liší od přímého záření svým spektrálním složením, protože paprsky různých vlnových délek jsou rozptýleny v různé míře.
Protože primárním zdrojem difúzního záření je přímé sluneční záření, závisí tok difúzního záření na stejných faktorech, které ovlivňují tok přímého záření. Zejména se tok rozptýleného záření zvyšuje s rostoucí výškou Slunce a naopak.Zvyšuje se také s nárůstem počtu rozptylujících částic v atmosféře, tzn. s poklesem průhlednosti atmosféry a klesá s výškou nad hladinou moře v důsledku poklesu počtu rozptylujících částic v nadložních vrstvách atmosféry. Oblačnost a sněhová pokrývka mají velmi velký vliv na difúzní záření, které rozptylem a odrazem na ně dopadajícího přímého a difúzního záření a jejich opětovným rozptylem v atmosféře může difúzní sluneční záření několikanásobně zvýšit.
Rozptýlené záření výrazně doplňuje přímé sluneční záření a výrazně zvyšuje tok sluneční energie k zemskému povrchu. Jeho role je zvláště velká v zimě ve vysokých zeměpisných šířkách a v jiných oblastech s vysokou oblačností, kde podíl difúzního záření může převyšovat podíl přímého záření. Například v ročním množství sluneční energie tvoří rozptýlené záření 56 % v Archangelsku a 51 % v Petrohradu.
Celkové sluneční záření je součtem toků přímého a difúzního záření dopadajícího na vodorovný povrch. Před východem a po západu Slunce, stejně jako ve dne se souvislou oblačností, je celkové záření úplné a v malých výškách Slunce se skládá především z rozptýleného záření. Na bezoblačné nebo mírně zatažené obloze se s přibývající výškou Slunce rychle zvyšuje podíl přímého záření na složení celku a ve dne je jeho tok mnohonásobně větší než tok rozptýleného záření. Oblačnost v průměru oslabuje celkovou radiaci (o 20-30 %), nicméně při částečné oblačnosti, která sluneční disk nezakrývá, může být její tok větší než u bezoblačné oblohy. Sněhová pokrývka výrazně zvyšuje tok celkového záření tím, že zvyšuje tok rozptýleného záření.
Celkové záření dopadající na zemský povrch je většinou pohlceno horní vrstvou půdy nebo silnější vrstvou vody (absorbované záření) a mění se v teplo a částečně se odráží (odražené záření).
Tepelné pásy
V závislosti na množství slunečního záření vstupujícího na zemský povrch se na zeměkouli rozlišuje 7 tepelných zón: horké, dvě mírné, dvě studené a dvě zóny věčného mrazu. Hranice tepelných zón jsou izotermy. Horký pás je ohraničen průměrnými ročními izotermami +20°С ze severu a jihu (obr. 9). Dvě mírné zóny na sever a jih od horké zóny jsou omezeny ze strany rovníku průměrnou roční izotermou +20 ° С a ze strany vysokých zeměpisných šířek izotermou +10 ° С (průměrná teplota vzduchu nejteplejším měsícem je červenec na severní a leden na jižní polokouli). Severní hranice se přibližně shoduje s hranicí lesního rozšíření. Dvě studené zóny severně a jižně od mírného pásma na severní a jižní polokouli leží mezi izotermami +10°C a 0°C nejteplejšího měsíce. Dva pásy věčného mrazu jsou ohraničeny izotermou 0°C nejteplejšího měsíce ze studených pásů. Říše věčného sněhu a ledu sahá až k severnímu a jižnímu pólu.
Výsledky měření přímého slunečního záření
Při nezměněné průhlednosti atmosféry závisí intenzita přímého slunečního záření na optické hmotnosti atmosféry, tedy v konečném důsledku na výšce Slunce. Sluneční záření musí proto během dne nejprve rychle přibývat, poté od východu do poledne pomaleji a nejprve pomalu, poté od poledne do západu rychle klesat.
Průhlednost atmosféry se ale během dne mění v určitých mezích. Křivka denního průběhu záření proto i za zcela bezoblačného dne vykazuje určité nepravidelnosti.
Rozdíly v intenzitě záření v poledne jsou způsobeny především rozdíly v polední výšce slunce, která je v zimě nižší než v létě. Minimální intenzita v mírných zeměpisných šířkách nastává v prosinci, kdy je slunce nejníže. Maximální intenzita ale není v letních měsících, ale na jaře.Faktem je, že na jaře je vzduch nejméně zakalený kondenzačními produkty a málo prašný. V létě se zvyšuje prašnost, zvyšuje se i obsah vodní páry v atmosféře, což poněkud snižuje intenzitu záření.
Maximální hodnoty intenzity přímého záření pro některé body jsou následující (v cal/cm2min): Tiksi Bay 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moskva 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostok 1, 46, Taškent 1,52.
Z těchto údajů je vidět, že maximální hodnoty intenzity záření rostou s klesající zeměpisnou šířkou velmi málo, a to i přes nárůst výšky slunce. To se vysvětluje zvýšením obsahu vlhkosti a částečně prašností vzduchu v jižních zeměpisných šířkách. Na rovníku maximální hodnoty radiace výrazně nepřekračují letní maxima mírných zeměpisných šířek. V suchém vzduchu subtropických pouští (Sahara) však byly pozorovány hodnoty až 1,58 cal/cm2 min.
S výškou nad hladinou moře se maximální hodnoty záření zvyšují v důsledku poklesu optické hmoty atmosféry ve stejné výšce slunce. Na každých 100 m výšky se intenzita záření v troposféře zvyšuje o 0,01-0,02 cal/cm2 min. Již jsme řekli, že maximální hodnoty intenzity záření pozorované v horách dosahují 1,7 cal/cm2 min a více.