Berechnung eines Flachkollektors
Die Praxis zeigt, dass durchschnittlich 900 W Wärmeenergie pro Quadratmeter einer Oberfläche senkrecht zu hellem Sonnenlicht (bei wolkenlosem Himmel) installiert werden. Wir berechnen den SC anhand eines Modells mit einer Fläche von 1 m². Die Vorderseite ist matt, schwarz (hat fast 100% Absorption von Wärmeenergie). Die Rückseite ist mit einer 10 cm dicken Schicht aus expandiertem Polystyrol isoliert. Es ist erforderlich, die auf der rückwärtigen Schattenseite auftretenden Wärmeverluste zu berechnen. Wärmedämmungskoeffizient von expandiertem Polystyrol - 0,05 W / m × Grad. Wenn wir die Dicke kennen und davon ausgehen, dass der Temperaturunterschied auf gegenüberliegenden Seiten des Materials innerhalb von 50 Grad liegt, berechnen wir den Wärmeverlust:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Von den Enden und Rohren werden ungefähr die gleichen Verluste erwartet, dh die Gesamtmenge beträgt 50 Watt. Wolkenloser Himmel ist selten und auch der Einfluss von Schmutzablagerungen auf den Kollektor sollte berücksichtigt werden. Daher werden wir die Menge an thermischer Energie pro 1 m² auf 800 W reduzieren. Wasser, das als Wärmeträger in flachen SCs verwendet wird, hat eine Wärmekapazität von 4200 J/kg × Grad oder 1,16 W/kg × Grad. Das heißt, um die Temperatur von einem Liter Wasser um ein Grad zu erhöhen, werden 1,16 W Energie benötigt. Mit diesen Berechnungen erhalten wir für unser Solarkollektormodell von 1 m² Fläche folgenden Wert:
Wir runden der Einfachheit halber auf 700 / kg × deg. Dieser Ausdruck gibt die Wassermenge an, die in einem Kollektor (Modell 1 m²) eine Stunde lang erhitzt werden kann. Dabei ist der Wärmeverlust von der Vorderseite nicht berücksichtigt, der mit zunehmender Erwärmung zunimmt. Diese Verluste begrenzen die Erwärmung des Kühlmittels im Sonnenkollektor auf 70-90 Grad. Dabei kann der Wert 700 auf niedrige Temperaturen (von 10 bis 60 Grad) angewendet werden. Die Berechnung des Sonnenkollektors zeigt, dass eine 1 m² große Anlage 10 Liter Wasser um 70 Grad erwärmen kann, was völlig ausreicht, um ein Haus mit Warmwasser zu versorgen. Sie können die Zeit zum Erhitzen von Wasser verkürzen, indem Sie das Volumen des Sonnenkollektors verringern und gleichzeitig seine Fläche beibehalten. Benötigt die Anzahl der im Haus lebenden Personen eine größere Wassermenge, sollten mehrere Kollektoren dieser Fläche eingesetzt werden, die zu einem System verbunden werden. Damit das Sonnenlicht möglichst effizient auf den Heizkörper einwirken kann, muss der Kollektor in einem Winkel zur Horizontlinie ausgerichtet werden, der dem Breitengrad des Gebiets entspricht. Dies wurde bereits im Artikel Wie berechnet man die Leistung von Solarmodulen besprochen, es gilt das gleiche Prinzip. Im Durchschnitt werden 50 Liter heißes Wasser benötigt, um das Leben eines Menschen zu sichern. Da das Wasser vor dem Erhitzen eine Temperatur von etwa 10 °C hat, beträgt die Temperaturdifferenz 70 - 10 = 60 °C. Die zum Erhitzen von Wasser benötigte Wärmemenge ist wie folgt:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW Energie.
Dividiert man W durch die Menge an Sonnenenergie pro 1 m² Oberfläche in einem bestimmten Bereich (Daten von hydrometeorologischen Zentren), erhält man die Kollektorfläche. Die Berechnung eines Solarkollektors zum Heizen erfolgt ähnlich. Es wird jedoch mehr Wasser (Kühlmittel) benötigt, das vom Volumen des beheizten Raums abhängt. Es kann geschlussfolgert werden, dass eine Verbesserung des Wirkungsgrades einer solchen Warmwasserbereitung durch eine Reduzierung des Volumens bei gleichzeitiger Vergrößerung der Fläche erreicht werden kann.
Eistechnologien
Es werden eine Reihe von Technologien entwickelt, bei denen Eis in Schwachlastzeiten produziert und später zum Kühlen verwendet wird. So lässt sich beispielsweise eine Klimaanlage sparsamer gestalten, indem nachts mit günstigem Strom Wasser gefriert und tagsüber die Kühlkraft von Eis genutzt wird, um den Energiebedarf für die Aufrechterhaltung der Klimaanlage zu reduzieren. Die Speicherung thermischer Energie mittels Eis nutzt die hohe Schmelzwärme von Wasser. Früher wurde Eis von den Bergen in die Städte transportiert, um dort als Kühlmittel verwendet zu werden. Eine metrische (= 1 m3) Tonne Wasser kann 334 Millionen Joule (J) oder 317.000 British Thermal Units (93 kWh) speichern.Eine relativ kleine Speichereinheit kann genug Eis speichern, um ein großes Gebäude einen ganzen Tag oder eine ganze Woche lang zu kühlen.
Neben der Verwendung von Eis zur direkten Kühlung wird es auch in Wärmepumpen verwendet, die Heizsysteme antreiben. In diesen Bereichen bilden Phasenenergieänderungen eine sehr ernsthafte wärmeleitende Schicht nahe der unteren Temperaturschwelle, bei der eine Wärmepumpe, die die Wärme von Wasser nutzt, betrieben werden kann. Dadurch kann das System die schwersten Heizlasten handhaben und die Zeit verlängern, in der die Energiequellenelemente Wärme an das System zurückgeben können.
Endotherme und exotherme chemische Reaktionen
Salzhydrat-Technologie
Ein Beispiel für eine experimentelle Energiespeichertechnologie, die auf der Energie chemischer Reaktionen basiert, ist eine Technologie, die auf Salzhydraten basiert. Das System nutzt die Energie der Reaktion, die bei der Hydratation oder Dehydratisierung von Salzen entsteht. Es funktioniert, indem es Wärme in einem Tank speichert, der eine 50%ige Natriumhydroxidlösung enthält. Durch die Verdunstung von Wasser während einer endothermen Reaktion wird Wärme (z. B. aus einem Sonnenkollektor gewonnen) gespeichert. Bei erneuter Zugabe von Wasser wird während der exothermen Reaktion bei 50 °C (120 °F) Wärme freigesetzt. Derzeit arbeiten die Anlagen mit einem Wirkungsgrad von 60 %. Das System eignet sich besonders gut zur saisonalen Wärmespeicherung, da getrocknetes Salz ohne Energieverlust lange bei Raumtemperatur gelagert werden kann. Container mit Trockensalz können sogar an verschiedene Orte transportiert werden. Das System hat eine höhere Energiedichte als die in Wasser gespeicherte Wärme, und seine Kapazität ermöglicht es Ihnen, Energie für mehrere Monate oder sogar Jahre zu speichern.
2013 stellte der niederländische Technologieentwickler TNO die Ergebnisse des MERITS-Projekts zur Speicherung von Wärme in einem Salzbehälter vor. Die Wärme, die vom Solarkollektor an das Flachdach abgegeben werden kann, verdunstet das im Salz enthaltene Wasser. Bei erneuter Zugabe von Wasser wird Wärme praktisch ohne Energieverlust freigesetzt. Ein Behälter mit wenigen Kubikmetern Salz kann genug thermochemische Energie speichern, um ein Haus den ganzen Winter über zu heizen. Bei Temperaturen wie in den Niederlanden benötigt ein durchschnittlicher hitzetoleranter Betrieb im Winter etwa 6,7 GJ Energie. Um so viel Energie in Wasser zu speichern (bei einer Temperaturdifferenz von 70 °C), wären 23 m3 Wasser in einem isolierten Tank erforderlich, was mehr ist, als die meisten Haushalte speichern können. Beim Einsatz der Salzhydrat-Technologie mit einer Energiedichte von ca. 1 GJ/m3 wären 4-8 m3 ausreichend.
Seit 2016 führen Forscher aus mehreren Ländern Experimente durch, um die beste Art von Salz oder Salzmischung zu bestimmen. Niedriger Druck im Inneren des Behälters scheint für die Kraftübertragung am besten zu sein. Besonders vielversprechend sind organische Salze, die sogenannten „ionischen Flüssigkeiten“. Im Vergleich zu Lithiumhalogenid-Sorbentien verursachen sie weitaus weniger Probleme in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen, und im Vergleich zu den meisten Halogeniden und Natriumhydroxid sind sie weniger ätzend und haben keine negativen Auswirkungen durch Kohlendioxidemissionen.
Molekulare chemische Bindungen
Derzeit wird die Möglichkeit untersucht, Energie in molekularchemischen Bindungen zu speichern. Eine Energiedichte, die der von Lithium-Ionen-Batterien entspricht, wurde bereits erreicht.
Strahlungsverteilung an der Grenze der Atmosphäre
Für die Klimatologie ist die Frage nach der Verteilung von Ein- und Rückstrahlung über den Globus von großem Interesse. Betrachten Sie zunächst die Verteilung der Sonnenstrahlung auf einer horizontalen Fläche „an der Grenze zur Atmosphäre“. Man könnte auch sagen: "in Abwesenheit einer Atmosphäre". Dabei gehen wir davon aus, dass Strahlung weder absorbiert noch gestreut noch von Wolken reflektiert wird. Am einfachsten ist die Verteilung der Sonnenstrahlung an der Grenze zur Atmosphäre.Es existiert wirklich in einer Höhe von mehreren zehn Kilometern. Diese Verteilung wird als Sonnenklima bezeichnet.
Es ist bekannt, wie sich die Sonnenkonstante im Laufe des Jahres ändert und folglich die Strahlungsmenge, die auf die Erde trifft. Bestimmen wir die Sonnenkonstante für den tatsächlichen Abstand der Erde von der Sonne, dann ergibt sich bei einem Jahresmittelwert von 1,98 cal/cm2 min. sie beträgt 2,05 cal/cm2 min. im Januar und 1,91 cal/cm2 min. im Juli.
Daher erhält die Nordhalbkugel an einem Sommertag etwas weniger Strahlung an der Grenze zur Atmosphäre als die Südhalbkugel an ihrem Sommertag.
Die Menge an Strahlung, die pro Tag an der Grenze der Atmosphäre empfangen wird, hängt von der Jahreszeit und dem Breitengrad des Ortes ab. Unter jedem Breitengrad bestimmt die Jahreszeit die Dauer des Strahlungseintrags. Aber unter verschiedenen Breitengraden ist die Dauer des Tagesteils des Tages zur gleichen Zeit unterschiedlich.
Am Pol geht die Sonne im Sommer überhaupt nicht unter und im Winter 6 Monate lang nicht auf. Zwischen dem Pol und dem Polarkreis geht die Sonne im Sommer nicht unter und im Winter für einen Zeitraum von sechs Monaten bis zu einem Tag nicht auf. Am Äquator dauert der Tag immer 12 Stunden. Vom Polarkreis bis zum Äquator nehmen die Tageslichtstunden im Sommer ab und im Winter zu.
Der Einfall der Sonnenstrahlung auf eine horizontale Fläche hängt aber nicht nur von der Tageslänge, sondern auch vom Sonnenstand ab. Die Strahlungsmenge, die pro Einheit horizontaler Fläche am Rand der Atmosphäre ankommt, ist proportional zum Sinus der Sonnenhöhe. Und die Höhe der Sonne ändert sich nicht nur an jedem Ort im Laufe des Tages, sondern hängt auch von der Jahreszeit ab. Die Sonnenhöhe am Äquator variiert ganzjährig von 90 bis 66,5°, in den Tropen von 90 bis 43°, an den Polarkreisen von 47 bis 0° und an den Polen von 23,5 bis 0°.
Die Sphärizität der Erde und die Neigung der Äquatorialebene zur Ebene der Ekliptik erzeugen eine komplexe Verteilung des Strahlungseintrags über Breitengrade an der Grenze der Atmosphäre und ihrer Änderungen im Laufe des Jahres.
Im Winter nimmt der Strahlungseintrag vom Äquator zum Pol sehr schnell ab, im Sommer deutlich langsamer. In diesem Fall wird das Maximum im Sommer im Wendekreis beobachtet, und der Strahlungseintrag nimmt vom Wendekreis zum Äquator etwas ab. Der geringe Unterschied in der Strahlungszufuhr zwischen den tropischen und polaren Breiten im Sommer erklärt sich dadurch, dass die Sonnenhöhen in den polaren Breiten im Sommer zwar niedriger sind als in den Tropen, die Tageslänge aber lang ist. Am Tag der Sommersonnenwende würde der Pol daher ohne Atmosphäre mehr Strahlung erhalten als der Äquator. In der Nähe der Erdoberfläche ist jedoch der sommerliche Strahlungseintrag in polaren Breiten aufgrund der Strahlungsdämpfung durch die Atmosphäre, deren Reflexion durch Wolken usw. deutlich geringer als in niedrigeren Breiten.
An der oberen Grenze der Atmosphäre außerhalb der Tropen gibt es ein jährliches Strahlungsmaximum zum Zeitpunkt der Sommersonnenwende und ein Minimum zum Zeitpunkt der Wintersonnenwende. Aber zwischen den Tropen hat der Strahlungseintrag zwei Maxima pro Jahr, die auf die Zeiten zurückzuführen sind, in denen die Sonne ihren höchsten Mittagsstand erreicht. Am Äquator ist dies an den Tagen der Tagundnachtgleiche, in anderen intratropischen Breiten - nach der Frühlings- und vor der Herbst-Tagundnachtgleiche, je größer der Breitengrad, je weiter weg vom Zeitpunkt der Tagundnachtgleiche. Die Amplitude der Jahresschwankung am Äquator ist klein, innerhalb der Tropen ist sie klein; in gemäßigten und hohen Breiten ist es viel größer.
Verteilung von Wärme und Licht auf der Erde
Die Sonne ist der Stern des Sonnensystems, das die Quelle einer enormen Menge an Wärme und blendendem Licht für den Planeten Erde ist. Obwohl sich die Sonne in beträchtlicher Entfernung von uns befindet und uns nur ein kleiner Teil ihrer Strahlung erreicht, reicht dies für die Entwicklung des Lebens auf der Erde völlig aus. Unser Planet dreht sich auf einer Umlaufbahn um die Sonne. Beobachtet man die Erde unter dem Jahr von einem Raumschiff aus, so stellt man fest, dass die Sonne immer nur eine Hälfte der Erde beleuchtet, also dort Tag ist und zu dieser Zeit auf der gegenüberliegenden Hälfte Nacht. Die Erdoberfläche erhält nur tagsüber Wärme.
Unsere Erde erwärmt sich ungleichmäßig. Die ungleichmäßige Erwärmung der Erde erklärt sich durch ihre Kugelform, sodass der Einfallswinkel des Sonnenstrahls in verschiedenen Bereichen unterschiedlich ist, was bedeutet, dass verschiedene Teile der Erde unterschiedliche Wärmemengen erhalten. Am Äquator fallen die Sonnenstrahlen senkrecht ein und erwärmen die Erde stark.Je weiter vom Äquator entfernt, desto kleiner wird der Einfallswinkel des Strahls, und folglich erhalten diese Gebiete weniger Wärme. Der gleiche Energiestrahl der Sonnenstrahlung erwärmt einen viel kleineren Bereich in der Nähe des Äquators, da er vertikal einfällt. Außerdem legen Strahlen, die in einem kleineren Winkel als am Äquator einfallen und in die Atmosphäre eindringen, darin einen längeren Weg zurück, wodurch ein Teil der Sonnenstrahlen in der Troposphäre gestreut wird und die Erdoberfläche nicht erreicht. All dies deutet darauf hin, dass die Lufttemperatur mit abnehmendem Einfallswinkel des Sonnenstrahls abnimmt, wenn Sie sich vom Äquator nach Norden oder Süden entfernen.
Der Grad der Erwärmung der Erdoberfläche wird auch dadurch beeinflusst, dass die Erdachse in einem Winkel von 66,5 ° zur Ebene der Umlaufbahn geneigt ist, entlang der die Erde eine vollständige Umdrehung um die Sonne macht, und immer vorbei gerichtet ist das nördliche Ende in Richtung des Polarsterns.
Stellen Sie sich vor, dass die Erde, die sich um die Sonne bewegt, die Erdachse senkrecht zur Ebene der Rotationsbahn hat. Dann würde die Oberfläche in verschiedenen Breiten das ganze Jahr über eine konstante Wärmemenge erhalten, der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen wäre die ganze Zeit konstant, der Tag wäre immer gleich der Nacht, es gäbe keinen Wechsel der Jahreszeiten. Am Äquator würden sich diese Bedingungen kaum von den heutigen unterscheiden. Gerade in gemäßigten Breiten hat die Neigung der Erdachse einen erheblichen Einfluss auf die Erwärmung der Erdoberfläche und damit auf das gesamte Klima.
Im Jahresverlauf, also während des vollständigen Umlaufs der Erde um die Sonne, sind vier Tage besonders hervorzuheben: 21. März, 23. September, 22. Juni, 22. Dezember.
Die Wendekreise und Polarkreise unterteilen die Erdoberfläche in Gürtel, die sich in der Sonneneinstrahlung und der von der Sonne empfangenen Wärmemenge unterscheiden. Es gibt 5 Beleuchtungszonen: die nördlichen und südlichen Polarzonen, die wenig Licht und Wärme erhalten, die tropische Zone mit heißem Klima und die nördlichen und südlichen gemäßigten Zonen, die mehr Licht und Wärme erhalten als die polaren, aber weniger die tropischen.
Abschließend können wir also eine allgemeine Schlussfolgerung ziehen: Ungleichmäßige Erwärmung und Beleuchtung der Erdoberfläche hängen mit der Sphärizität unserer Erde und mit der Neigung der Erdachse bis zu 66,5 ° zur Rotationsbahn um die Sonne zusammen.
Hitzestau in heißem Gestein, Beton, Kieselsteinen usw.
Wasser hat eine der höchsten Wärmekapazitäten - 4,2 J / cm3 * K, während Beton nur ein Drittel dieses Wertes hat. Beton hingegen kann beispielsweise durch Elektroheizung auf weitaus höhere Temperaturen von 1200°C erhitzt werden und hat somit eine viel höhere Gesamtkapazität. Nach dem Beispiel unten kann ein isolierter Würfel mit einem Durchmesser von ca. 2,8 m in der Lage sein, genügend gespeicherte Wärme für ein Haus bereitzustellen, um 50 % des Heizbedarfs zu decken. Im Prinzip könnte dies genutzt werden, um überschüssige Wind- oder Photovoltaik-Wärmeenergie zu speichern, da elektrische Heizungen hohe Temperaturen erreichen können.
Auf Kreisebene erregte das Projekt Wiggenhausen-Süd im deutschen Friedrichshafen internationale Aufmerksamkeit. Hierbei handelt es sich um eine 12.000 m3 (420.000 cu.ft.) große Wärmespeichereinheit aus Stahlbeton, die mit einer 4.300 m2 (46.000 sq.
ft.) und deckt die Hälfte des Bedarfs an Warmwasser und Heizung für 570 Haushalte. Siemens errichtet in der Nähe von Hamburg einen Wärmespeicher mit einer Kapazität von 36 MWh, der aus auf 600 °C erhitztem Basalt besteht und 1,5 MW Leistung erzeugt. Ein ähnliches System ist für den Bau in der dänischen Stadt Sorø geplant, wo 41-58 % der gespeicherten Wärme mit einer Kapazität von 18 MWh an das Fernwärmenetz der Stadt und 30-41 % als Strom übertragen werden.
So berechnen Sie die Amortisation der Solarheizung
Anhand der folgenden Tabelle können Sie berechnen, wie stark Ihre Heizkosten durch den Einsatz von Sonnenkollektoren reduziert werden, wie lange sich dieses System amortisiert und welche Vorteile Sie über verschiedene Betriebszeiten erzielen können. Dieses Modell wurde für die Region Primorsky entwickelt, kann aber auch verwendet werden, um die Nutzung von Solarwärme in der Region Chabarowsk, der Oblast Amur, Sachalin, Kamtschatka und Südsibirien abzuschätzen.In diesem Fall haben Sonnenkollektoren in höheren Breitengraden von Dezember bis Januar weniger Wirkung, aber die Gesamtvorteile sind angesichts der längeren Heizperiode nicht geringer.
Geben Sie in der ersten Tabelle die Parameter Ihres Hauses, Heizungsanlage und Energiepreise ein. Alle grün markierten Felder können modifiziert werden und simulieren ein bestehendes oder geplantes Haus.
Geben Sie zunächst in der ersten Spalte die beheizte Fläche Ihres Hauses ein.
Bewerten Sie dann die Qualität der Wärmedämmung des Gebäudes und der Heizmethode, indem Sie die entsprechenden Werte auswählen.
Geben Sie die Anzahl der Familienmitglieder und den Warmwasserverbrauch an - dies hilft, die Vorteile der Warmwasserversorgung von Sonnenkollektoren zu bewerten.
Geben Sie Preise für Ihren üblichen Heizenergieträger ein - Strom, Diesel oder Kohle.
Geben Sie den Wert des üblichen Einkommens eines Familienmitglieds ein, das in Ihrem Haushalt heizt. Dies hilft, die Arbeitskosten für die Heizperiode abzuschätzen und spielt eine besonders wichtige Rolle bei Festbrennstoffanlagen, wo es notwendig ist, Kohle zu bringen und zu entladen, sie in den Ofen zu werfen, Asche zu entsorgen usw.
Der Preis der Solarkollektoranlage wird anhand der von Ihnen angegebenen Gebäudeparameter automatisch ermittelt. Dieser Preis ist ungefähr - die tatsächlichen Installationskosten und Parameter der Solarthermieanlage können abweichen und werden von Fachleuten jeweils individuell berechnet.
In der Spalte „Installationskosten“ können Sie die Kosten für Ausstattung und Installation einer herkömmlichen Heizungsanlage – bestehend oder geplant – eintragen
Wenn das System bereits installiert ist, können Sie „0“ eingeben.
Achten Sie auf die Höhe der Ausgaben für die Heizperiode und vergleichen Sie diese mit Ihren üblichen Ausgaben. Wenn sie unterschiedlich sind, versuchen Sie, die Einstellungen zu ändern.
In der Spalte „Heizkosten pro Saison“ berücksichtigen Kohleheizungen den monetären Wert der Arbeitskosten. Wenn Sie diese nicht berücksichtigen möchten, können Sie das Einkommen eines Familienmitglieds, das an der Heizung beteiligt ist, wertmäßig mindern. Die Arbeitskosten werden bei Flüssigbrennstoffsystemen in geringerem Umfang berücksichtigt und bei Elektroboilersystemen nicht berücksichtigt. Die Anpassung der Sonnenkollektoren erfolgt automatisch und erfordert keine ständige Aufmerksamkeit.
In der Spalte „Lebensdauer“ sind 20 Jahre voreingestellt – das ist die übliche Lebensdauer von Solarheizungen mit Sonnenkollektoren. Je nach Betriebsbedingungen können Sonnenkollektoren länger halten als diese Zeit. Sie können die Lebensdauer ändern und das folgende Diagramm zeigt den Unterschied zwischen Installations- und Wartungskosten und die Vorteile der Verwendung von Sonnenkollektoren zum Heizen. So sehen Sie, wie stark die Heizkosten gesenkt werden und wie lange sich durch diese Differenz die Kosten für die Installation von Sonnenkollektoren amortisieren lassen.
Die Endergebnisse sind ungefähre Angaben, geben aber eine gute Vorstellung davon, wie viel eine Solaranlage kosten kann und wie lange sie sich amortisieren kann.
Bitte beachten Sie, dass die Heizperiodenkosten durch den Einsatz von Sonnenkollektoren, Fußbodenheizungen und eine Verbesserung der Wärmedämmung des Gebäudes erheblich reduziert werden können. Auch die Heizkosten können gesenkt werden, wenn das Gebäude im Voraus auf die Nutzung von Solarwärme und den Einsatz von Öko-Haus-Technologien ausgelegt wird.
svetdv.ru
Was ist solarwärme
Seit jeher sind sich die Menschen der Rolle der Sonne in ihrem Leben bewusst. In fast allen Nationen fungierte es als die Hauptgottheit oder eine der Hauptgottheiten und gab allen Lebewesen Leben und Licht. Heute hat die Menschheit eine viel bessere Vorstellung davon, woher die Wärme der Sonne kommt.
Aus wissenschaftlicher Sicht ist unsere Sonne ein gelber Stern, der der Leuchtkörper für unser gesamtes Planetensystem ist.Es bezieht seine Energie aus dem Kern - dem zentralen Teil einer riesigen heißen Kugel, in der thermonukleare Fusionsreaktionen von unvorstellbarer Kraft bei einer Temperatur von Millionen Grad stattfinden. Der Radius des Kerns beträgt nicht mehr als ein Viertel des Gesamtradius der Sonne, aber im Kern wird Strahlungsenergie erzeugt, von der ein kleiner Bruchteil ausreicht, um das Leben auf unserem Planeten zu unterstützen.
Die freigesetzte Energie tritt durch die Konvektionszone in die äußeren Schichten der Sonne ein und erreicht die Photosphäre - die strahlende Oberfläche des Sterns. Die Temperatur der Photosphäre nähert sich 6.000 Grad, sie wandelt die Strahlungsenergie, die unser Planet empfängt, um und strahlt sie in den Weltraum ab. Tatsächlich leben wir aufgrund des allmählichen, langsamen Brennens des stellaren Plasmas, aus dem die Sonne besteht.
Spektrale Zusammensetzung der Sonnenstrahlung
Das Wellenlängenintervall zwischen 0,1 und 4 Mikrometern macht 99 % der Gesamtenergie der Sonnenstrahlung aus. Nur 1 % bleibt für kurz- und langwellige Strahlung bis hin zu Röntgen- und Radiowellen übrig.
Sichtbares Licht nimmt einen schmalen Wellenlängenbereich ein, nur von 0,40 bis 0,75 Mikrometer. Dieses Intervall enthält jedoch fast die Hälfte der gesamten Sonnenstrahlungsenergie (46 %). Fast die gleiche Menge (47 %) liegt in Infrarotstrahlen und die restlichen 7 % in Ultraviolett.
In der Meteorologie ist es üblich, zwischen kurzwelliger und langwelliger Strahlung zu unterscheiden. Als kurzwellige Strahlung bezeichnet man Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,1 bis 4 Mikrometer. Es umfasst neben sichtbarem Licht auch die ihm in Wellenlängen am nächsten kommende ultraviolette und infrarote Strahlung. Sonnenstrahlung ist zu 99 % eine solche kurzwellige Strahlung. Langwellige Strahlung umfasst die Strahlung der Erdoberfläche und der Atmosphäre mit Wellenlängen von 4 bis 100-120 Mikrometer.
Intensität der direkten Sonneneinstrahlung
Strahlung, die direkt von der Sonnenscheibe auf die Erdoberfläche trifft, wird als direkte Sonnenstrahlung bezeichnet, im Gegensatz zu Strahlung, die in der Atmosphäre gestreut wird. Sonnenstrahlung breitet sich von der Sonne in alle Richtungen aus. Aber die Entfernung von der Erde zur Sonne ist so groß, dass direkte Strahlung in Form eines Strahls paralleler Strahlen, die sozusagen aus der Unendlichkeit kommen, auf jede Oberfläche der Erde fällt. Auch die Erdkugel als Ganzes ist im Vergleich zur Entfernung von der Sonne so klein, dass alle auf sie fallende Sonnenstrahlung ohne merklichen Fehler als Bündel paralleler Strahlen betrachtet werden kann.
Der Einfall direkter Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche oder auf eine höhere Schicht in der Atmosphäre wird durch die Strahlungsintensität charakterisiert ich, d. h. die Menge an Strahlungsenergie, die pro Zeiteinheit (eine Minute) pro Flächeneinheit (ein Quadratzentimeter) senkrecht zu den Sonnenstrahlen einfällt.
Reis. 1. Der Einfall von Sonnenstrahlung auf die Oberfläche senkrecht zu den Strahlen (AB) und auf einer horizontalen Fläche (AC).
Es ist leicht zu verstehen, dass eine senkrecht zu den Sonnenstrahlen stehende Flächeneinheit unter gegebenen Bedingungen die maximal mögliche Strahlungsmenge erhält. Eine Einheit der horizontalen Fläche hat eine geringere Menge an Strahlungsenergie:
I' = ich sündige
wo h ist die Höhe der Sonne (Abb. 1).
Alle Energiearten sind einander gleichwertig. Daher kann Strahlungsenergie in Einheiten jeder Art von Energie ausgedrückt werden, beispielsweise in thermischer oder mechanischer. Die Angabe in thermischen Einheiten ist naheliegend, denn Messgeräte basieren auf der thermischen Wirkung von Strahlung: Strahlungsenergie, die im Gerät fast vollständig absorbiert wird, wird in Wärme umgewandelt, die gemessen wird. Somit wird die Intensität der direkten Sonneneinstrahlung in Kalorien pro Quadratzentimeter pro Minute (cal/cm2min) ausgedrückt.
Stromerzeugung
Solarenergie funktioniert, indem sie Sonnenlicht in Strom umwandelt.Dies kann entweder direkt durch Photovoltaik oder indirekt durch konzentrierte Solarenergiesysteme geschehen, bei denen Linsen und Spiegel das Sonnenlicht von einem großen Bereich zu einem dünnen Strahl sammeln und ein Nachführmechanismus die Position der Sonne verfolgt. Die Photovoltaik wandelt Licht mithilfe des photoelektrischen Effekts in Strom um.
Solarenergie wird voraussichtlich bis 2050 zur größten Stromquelle werden, wobei Photovoltaik und konzentrierte Solarenergie 16 % bzw. 11 % der weltweiten Stromerzeugung ausmachen.
Kommerzielle Kraftwerke mit konzentrierter Solarenergie tauchten erstmals in den 1980er Jahren auf. Nach 1985 wurde eine solche SEGS-Anlage mit 354 MW in der Mojave-Wüste (Kalifornien) zum größten Solarkraftwerk der Welt. Weitere Solarkraftwerke dieser Art sind Solnova (150 MW) und Andasol (100 MW), beide in Spanien. Zu den größten Photovoltaik-Kraftwerken (Englisch) gehören das Agua Caliente Solar Project (250 MW) in den USA und der Charanka Solar Park (221 MW) in Indien. Projekte über 1 GW sind in der Entwicklung, aber die meisten Photovoltaikanlagen bis 5 kW sind klein und befinden sich auf dem Dach. Ab 2013 machte Solarenergie weniger als 1 % des Stroms im globalen Netz aus.
Arten von Sonnenstrahlung
In der Atmosphäre wird Sonnenstrahlung auf ihrem Weg zur Erdoberfläche teilweise absorbiert, teilweise von Wolken und der Erdoberfläche gestreut und reflektiert. In der Atmosphäre werden drei Arten von Sonnenstrahlung beobachtet: direkt, diffus und total.
Direkte Sonnenstrahlung - Strahlung, die direkt von der Sonnenscheibe auf die Erdoberfläche gelangt. Sonnenstrahlung breitet sich von der Sonne in alle Richtungen aus. Aber die Entfernung von der Erde zur Sonne ist so groß, dass direkte Strahlung in Form eines Strahls paralleler Strahlen, die sozusagen aus der Unendlichkeit kommen, auf jede Oberfläche der Erde fällt. Auch die gesamte Erdkugel ist im Vergleich zur Entfernung zur Sonne so klein, dass alle auf sie fallende Sonnenstrahlung ohne merklichen Fehler als Bündel paralleler Strahlen betrachtet werden kann.
Nur direkte Strahlung erreicht die obere Grenze der Atmosphäre. Etwa 30 % der auf die Erde einfallenden Strahlung wird in den Weltraum reflektiert. Sauerstoff, Stickstoff, Ozon, Kohlendioxid, Wasserdampf (Wolken) und Aerosolpartikel absorbieren 23 % der direkten Sonnenstrahlung in der Atmosphäre. Ozon absorbiert ultraviolette und sichtbare Strahlung. Obwohl sein Gehalt in der Luft sehr gering ist, absorbiert es die gesamte ultraviolette Strahlung (etwa 3 %).
Daher wird es an der Erdoberfläche überhaupt nicht beobachtet, was für das Leben auf der Erde sehr wichtig ist.
Auch die direkte Sonnenstrahlung wird auf ihrem Weg durch die Atmosphäre gestreut. Ein Luftpartikel (Tropfen, Kristall oder Molekül), das sich im Weg einer elektromagnetischen Welle befindet, „entzieht“ kontinuierlich Energie aus der einfallenden Welle und strahlt sie in alle Richtungen zurück, wodurch es zu einem Energiesender wird.
Etwa 25 % der Energie des gesamten Sonnenstrahlungsflusses, der die Atmosphäre durchdringt, wird durch atmosphärische Gasmoleküle und Aerosole dissipiert und in der Atmosphäre in gestreute Sonnenstrahlung umgewandelt. Somit ist gestreute Sonnenstrahlung Sonnenstrahlung, die in der Atmosphäre gestreut wurde. Streustrahlung kommt nicht von der Sonnenscheibe, sondern vom gesamten Firmament auf die Erdoberfläche. Streustrahlung unterscheidet sich von Direktstrahlung in ihrer spektralen Zusammensetzung, da Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge unterschiedlich stark gestreut werden.
Da die Hauptquelle der diffusen Strahlung die direkte Sonnenstrahlung ist, hängt der Fluss der diffusen Strahlung von den gleichen Faktoren ab, die den Fluss der direkten Strahlung beeinflussen. Insbesondere nimmt der Streustrahlungsfluss mit zunehmender Sonnenhöhe zu und umgekehrt.Sie steigt auch mit zunehmender Anzahl streuender Teilchen in der Atmosphäre, d.h. mit einer Abnahme der Transparenz der Atmosphäre und mit der Höhe über dem Meeresspiegel aufgrund einer Abnahme der Anzahl von Streupartikeln in den darüber liegenden Schichten der Atmosphäre. Bewölkung und Schneebedeckung haben einen sehr großen Einfluss auf die diffuse Strahlung, die durch die Streuung und Reflexion der auf sie einfallenden direkten und diffusen Strahlung und deren Rückstreuung in der Atmosphäre die diffuse Sonnenstrahlung um ein Vielfaches erhöhen kann.
Streustrahlung ergänzt die direkte Sonnenstrahlung erheblich und erhöht den Zufluss von Sonnenenergie zur Erdoberfläche erheblich. Seine Rolle ist besonders groß im Winter in hohen Breiten und in anderen Regionen mit hoher Bewölkung, wo der Anteil der diffusen Strahlung den Anteil der direkten Strahlung übersteigen kann. Beispielsweise macht die Streustrahlung in Archangelsk 56 % und in St. Petersburg 51 % der jährlichen Menge an Sonnenenergie aus.
Die gesamte Sonnenstrahlung ist die Summe der direkten und diffusen Strahlungsflüsse, die auf eine horizontale Fläche treffen. Vor Sonnenaufgang und nach Sonnenuntergang sowie tagsüber bei durchgehender Bewölkung ist die Gesamtstrahlung vollständig und besteht in niedrigen Sonnenhöhen hauptsächlich aus Streustrahlung. Bei wolkenlosem oder leicht bewölktem Himmel nimmt mit zunehmender Sonnenhöhe der Anteil der Direktstrahlung an der Gesamtzusammensetzung schnell zu und tagsüber ist ihr Fluss um ein Vielfaches größer als der Fluss der Streustrahlung. Bewölkung schwächt im Durchschnitt die Gesamtstrahlung (um 20-30%), jedoch kann ihr Fluss bei teilweiser Bewölkung, die die Sonnenscheibe nicht bedeckt, größer sein als bei einem wolkenlosen Himmel. Die Schneedecke erhöht den Fluss der Gesamtstrahlung erheblich, indem sie den Fluss der Streustrahlung erhöht.
Die auf die Erdoberfläche einfallende Gesamtstrahlung wird größtenteils von der oberen Erdschicht oder einer dickeren Wasserschicht absorbiert (absorbierte Strahlung) und wird in Wärme umgewandelt und teilweise reflektiert (reflektierte Strahlung).
Thermogürtel
Abhängig von der Menge der auf die Erdoberfläche einfallenden Sonnenstrahlung werden auf dem Globus 7 thermische Zonen unterschieden: heiße, zwei gemäßigte, zwei kalte und zwei Zonen ewigen Frosts. Die Grenzen der thermischen Zonen sind Isothermen. Der heiße Gürtel wird von Norden und Süden durch durchschnittliche jährliche Isothermen von +20 ° C begrenzt (Abb. 9). Zwei gemäßigte Zonen nördlich und südlich der heißen Zone werden von der Äquatorseite durch eine durchschnittliche jährliche Isotherme von +20 ° C und von der Seite der hohen Breiten durch eine Isotherme von +10 ° C (die durchschnittliche Lufttemperatur von die wärmsten Monate sind Juli auf der Nordhalbkugel und Januar auf der Südhalbkugel). Die nördliche Grenze fällt ungefähr mit der Grenze der Waldverbreitung zusammen. Die beiden Kaltzonen nördlich und südlich der gemäßigten Zone auf der Nord- und Südhalbkugel liegen zwischen den +10°C- und 0°C-Isothermen des wärmsten Monats. Die beiden Gürtel des ewigen Frosts werden durch die 0°C-Isotherme des wärmsten Monats von den kalten Gürteln begrenzt. Das Reich des ewigen Schnees und Eises erstreckt sich bis zum Nord- und Südpol.
Messergebnisse der direkten Sonneneinstrahlung
Bei unveränderter Transparenz der Atmosphäre hängt die Intensität der direkten Sonnenstrahlung von der optischen Masse der Atmosphäre ab, also letztlich von der Höhe der Sonne. Daher muss die Sonneneinstrahlung tagsüber zunächst schnell zunehmen, dann von Sonnenaufgang bis Mittag langsamer und von Mittag bis Sonnenuntergang zunächst langsam, dann schnell abnehmen.
Aber die Transparenz der Atmosphäre während des Tages schwankt innerhalb gewisser Grenzen. Daher weist die Kurve des Tagesverlaufs der Strahlung selbst an einem völlig wolkenlosen Tag einige Unregelmäßigkeiten auf.
Unterschiede in der Strahlungsintensität am Mittag sind vor allem auf Unterschiede in der Mittagshöhe der Sonne zurückzuführen, die im Winter geringer ist als im Sommer. Die minimale Intensität in gemäßigten Breiten tritt im Dezember auf, wenn die Sonne am niedrigsten steht. Die maximale Intensität liegt aber nicht in den Sommermonaten, sondern im Frühjahr.Tatsache ist, dass die Luft im Frühjahr am wenigsten durch Kondensationsprodukte getrübt und wenig staubig ist. Im Sommer nimmt die Staubbildung zu und auch der Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre nimmt zu, was die Strahlungsintensität etwas verringert.
Die maximalen direkten Strahlungsintensitätswerte für einige Punkte sind wie folgt (in cal/cm2min): Tiksi Bay 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moskau 1,48, Kursk 1,51, Tiflis 1,51, Wladiwostok 1, 46, Taschkent 1,52.
Aus diesen Daten ist ersichtlich, dass die Maximalwerte der Strahlungsintensität trotz zunehmender Sonnenhöhe mit abnehmender geografischer Breite nur sehr wenig wachsen. Dies erklärt sich durch einen Anstieg des Feuchtigkeitsgehalts und teilweise durch Luftverstaubung in südlichen Breiten. Am Äquator überschreiten die Strahlungshöchstwerte die Sommermaxima der gemäßigten Breiten nicht wesentlich. In der trockenen Luft subtropischer Wüsten (Sahara) wurden hingegen Werte bis zu 1,58 cal/cm2 min beobachtet.
Mit der Höhe über dem Meeresspiegel steigen die Maximalwerte der Strahlung aufgrund einer Abnahme der optischen Masse der Atmosphäre bei gleicher Sonnenhöhe. Pro 100 m Höhe nimmt die Strahlungsintensität in der Troposphäre um 0,01-0,02 cal/cm2 min zu. Wir haben bereits gesagt, dass die in den Bergen beobachteten Maximalwerte der Strahlungsintensität 1,7 cal/cm2 min und mehr erreichen.