Υπολογισμός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη
Η πρακτική δείχνει ότι κατά μέσο όρο 900 W θερμικής ενέργειας ανά τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας είναι εγκατεστημένα κάθετα στο έντονο ηλιακό φως (με έναν ουρανό χωρίς σύννεφα). Θα υπολογίσουμε το SC με βάση ένα μοντέλο με εμβαδόν 1 m². Η μπροστινή πλευρά είναι ματ, μαύρη (έχει κοντά στο 100% απορρόφηση θερμικής ενέργειας). Η πίσω πλευρά είναι μονωμένη με στρώμα διογκωμένης πολυστερίνης 10 cm. Απαιτείται ο υπολογισμός των απωλειών θερμότητας που συμβαίνουν στην πίσω, σκιερή πλευρά. Συντελεστής θερμομόνωσης διογκωμένης πολυστερίνης - 0,05 W / m × deg. Γνωρίζοντας το πάχος και υποθέτοντας ότι η διαφορά θερμοκρασίας στις αντίθετες πλευρές του υλικού είναι εντός 50 μοιρών, υπολογίζουμε την απώλεια θερμότητας:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Περίπου οι ίδιες απώλειες αναμένονται από τα άκρα και τους σωλήνες, δηλαδή η συνολική ποσότητα θα είναι 50 watt. Ο ουρανός χωρίς σύννεφα είναι σπάνιος και θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη η επίδραση των εναποθέσεων βρωμιάς στον συλλέκτη. Επομένως, θα μειώσουμε την ποσότητα θερμικής ενέργειας ανά 1 m² στα 800 W. Το νερό που χρησιμοποιείται ως φορέας θερμότητας σε επίπεδα SC έχει θερμοχωρητικότητα 4200 J/kg × deg ή 1,16 W/kg × deg. Αυτό σημαίνει ότι για να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός λίτρου νερού κατά ένα βαθμό, θα χρειαστεί 1,16 W ενέργειας. Λαμβάνοντας υπόψη αυτούς τους υπολογισμούς, λαμβάνουμε την ακόλουθη τιμή για το μοντέλο ηλιακού συλλέκτη μας επιφάνειας 1 m²:
Στρογγυλοποιούμε για ευκολία έως 700 / kg × deg. Αυτή η έκφραση υποδεικνύει την ποσότητα νερού που μπορεί να θερμανθεί σε έναν συλλέκτη (μοντέλο 1 m²) για μία ώρα. Αυτό δεν λαμβάνει υπόψη την απώλεια θερμότητας από την μπροστινή πλευρά, η οποία θα αυξάνεται καθώς ζεσταίνεται. Αυτές οι απώλειες θα περιορίσουν τη θέρμανση του ψυκτικού στον ηλιακό συλλέκτη στους 70-90 βαθμούς. Από αυτή την άποψη, η τιμή του 700 μπορεί να εφαρμοστεί σε χαμηλές θερμοκρασίες (από 10 έως 60 βαθμούς). Ο υπολογισμός του ηλιακού συλλέκτη δείχνει ότι ένα σύστημα 1 m² είναι ικανό να θερμάνει 10 λίτρα νερού κατά 70 μοίρες, κάτι που αρκεί για να παρέχει ένα σπίτι με ζεστό νερό. Μπορείτε να μειώσετε το χρόνο θέρμανσης του νερού μειώνοντας τον όγκο του ηλιακού συλλέκτη διατηρώντας παράλληλα την έκτασή του. Εάν ο αριθμός των ατόμων που ζουν στο σπίτι απαιτεί μεγαλύτερο όγκο νερού, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν αρκετοί συλλέκτες αυτής της περιοχής, οι οποίοι συνδέονται σε ένα σύστημα. Για να δράσει το ηλιακό φως στο ψυγείο όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά, ο συλλέκτης πρέπει να είναι προσανατολισμένος σε γωνία ως προς τη γραμμή του ορίζοντα ίση με το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής. Αυτό έχει ήδη συζητηθεί στο άρθρο Πώς να υπολογίσετε την ισχύ των ηλιακών συλλεκτών, ισχύει η ίδια αρχή. Κατά μέσο όρο, χρειάζονται 50 λίτρα ζεστού νερού για να εξασφαλιστεί η ζωή ενός ατόμου. Δεδομένου ότι το νερό πριν τη θέρμανση έχει θερμοκρασία περίπου 10 °C, η διαφορά θερμοκρασίας είναι 70 - 10 = 60 °C. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού είναι η εξής:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW ενέργειας.
Διαιρώντας το W με την ποσότητα της ηλιακής ενέργειας ανά 1 m² επιφάνειας σε μια δεδομένη περιοχή (στοιχεία από υδρομετεωρολογικά κέντρα), παίρνουμε την περιοχή συλλέκτη. Με παρόμοιο τρόπο πραγματοποιείται και ο υπολογισμός ενός ηλιακού συλλέκτη για θέρμανση. Αλλά ο όγκος του νερού (ψυκτικό) χρειάζεται περισσότερο, κάτι που εξαρτάται από τον όγκο του θερμαινόμενου δωματίου. Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η βελτίωση της απόδοσης αυτού του τύπου συστήματος θέρμανσης νερού μπορεί να επιτευχθεί με τη μείωση του όγκου και την ταυτόχρονη αύξηση της επιφάνειας.
Τεχνολογίες πάγου
Αναπτύσσονται διάφορες τεχνολογίες όπου παράγεται πάγος σε περιόδους εκτός αιχμής και αργότερα χρησιμοποιείται για ψύξη. Για παράδειγμα, ο κλιματισμός μπορεί να γίνει πιο οικονομικός χρησιμοποιώντας φθηνό ηλεκτρικό ρεύμα τη νύχτα για να παγώσει το νερό και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας τη δύναμη ψύξης του πάγου κατά τη διάρκεια της ημέρας για να μειώσει την ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη διατήρηση του κλιματισμού. Η αποθήκευση θερμικής ενέργειας χρησιμοποιώντας πάγο χρησιμοποιεί την υψηλή θερμότητα σύντηξης του νερού. Ιστορικά, ο πάγος μεταφέρθηκε από τα βουνά στις πόλεις για να χρησιμοποιηθεί ως ψυκτικό. Ένας μετρικός (= 1 m3) τόνος νερού μπορεί να αποθηκεύσει 334 εκατομμύρια joules (J) ή 317.000 βρετανικές θερμικές μονάδες (93 kWh).Μια σχετικά μικρή μονάδα αποθήκευσης μπορεί να αποθηκεύσει αρκετό πάγο για να κρυώσει ένα μεγάλο κτίριο για μια ολόκληρη μέρα ή εβδομάδα.
Εκτός από τη χρήση πάγου για άμεση ψύξη, χρησιμοποιείται επίσης σε αντλίες θερμότητας που τροφοδοτούν συστήματα θέρμανσης. Σε αυτές τις περιοχές, οι αλλαγές ενέργειας φάσης παρέχουν ένα πολύ σοβαρό στρώμα αγωγιμότητας της θερμότητας, κοντά στο κατώτερο όριο θερμοκρασίας στο οποίο μπορεί να λειτουργήσει μια αντλία θερμότητας που χρησιμοποιεί τη θερμότητα του νερού. Αυτό επιτρέπει στο σύστημα να χειρίζεται τα μεγαλύτερα φορτία θέρμανσης και να αυξάνει τον χρόνο που τα στοιχεία της πηγής ενέργειας μπορούν να επιστρέψουν θερμότητα στο σύστημα.
Ενδόθερμες και εξώθερμες χημικές αντιδράσεις
Τεχνολογία ένυδρου αλατιού
Ένα παράδειγμα πειραματικής τεχνολογίας αποθήκευσης ενέργειας που βασίζεται στην ενέργεια των χημικών αντιδράσεων είναι μια τεχνολογία που βασίζεται σε ένυδρα άλατα. Το σύστημα χρησιμοποιεί την ενέργεια της αντίδρασης που δημιουργείται σε περίπτωση ενυδάτωσης ή αφυδάτωσης αλάτων. Λειτουργεί με την αποθήκευση θερμότητας σε μια δεξαμενή που περιέχει διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου 50%. Η θερμότητα (για παράδειγμα, που λαμβάνεται από έναν ηλιακό συλλέκτη) αποθηκεύεται λόγω της εξάτμισης του νερού κατά τη διάρκεια μιας ενδόθερμης αντίδρασης. Όταν προστεθεί ξανά νερό, απελευθερώνεται θερμότητα κατά τη διάρκεια της εξώθερμης αντίδρασης στους 50C (120F). Αυτή τη στιγμή τα συστήματα λειτουργούν με απόδοση 60%. Το σύστημα είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικό για την εποχιακή αποθήκευση θερμικής ενέργειας, καθώς το αποξηραμένο αλάτι μπορεί να αποθηκευτεί σε θερμοκρασία δωματίου για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς απώλεια ενέργειας. Τα δοχεία με αφυδατωμένο αλάτι μπορούν ακόμη και να μεταφερθούν σε διαφορετικές τοποθεσίες. Το σύστημα έχει μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από τη θερμότητα που αποθηκεύεται στο νερό και η χωρητικότητά του σας επιτρέπει να αποθηκεύετε ενέργεια για αρκετούς μήνες ή και χρόνια.
Το 2013, η ολλανδική εταιρεία ανάπτυξης τεχνολογίας TNO παρουσίασε τα αποτελέσματα του έργου MERITS για την αποθήκευση θερμότητας σε δοχείο αλατιού. Η θερμότητα που μπορεί να παραδοθεί από τον ηλιακό συλλέκτη στην επίπεδη οροφή εξατμίζει το νερό που περιέχεται στο αλάτι. Όταν προστεθεί ξανά νερό, απελευθερώνεται θερμότητα χωρίς ουσιαστικά απώλεια ενέργειας. Ένα δοχείο με λίγα κυβικά μέτρα αλάτι μπορεί να αποθηκεύσει αρκετή θερμοχημική ενέργεια για να ζεστάνει ένα σπίτι όλο τον χειμώνα. Με θερμοκρασίες όπως στην Ολλανδία, μια μέση ανθεκτική στη θερμότητα αγρόκτημα θα απαιτεί περίπου 6,7 GJ ενέργειας κατά τη διάρκεια του χειμώνα. Για να αποθηκεύσετε τόση ενέργεια στο νερό (με διαφορά θερμοκρασίας 70 C) θα απαιτούσε 23 m3 νερού σε μια μονωμένη δεξαμενή, που είναι περισσότερα από όσα μπορούν να αποθηκεύσουν τα περισσότερα σπίτια. Με τη χρήση τεχνολογίας ένυδρου άλατος με ενεργειακή πυκνότητα περίπου 1 GJ/m3, θα αρκούσαν 4-8 m3.
Από το 2016, ερευνητές από διάφορες χώρες διεξάγουν πειράματα για να προσδιορίσουν τον καλύτερο τύπο αλατιού ή μείγμα αλάτων. Η χαμηλή πίεση μέσα στο δοχείο φαίνεται να είναι η καλύτερη για μεταφορά ισχύος. Ιδιαίτερα ελπιδοφόρα είναι τα οργανικά άλατα, τα λεγόμενα «ιονικά υγρά». Σε σύγκριση με τους ροφητές αλογονούχου λιθίου, προκαλούν πολύ λιγότερα προβλήματα σε περιβάλλοντα με περιορισμένους πόρους και σε σύγκριση με τα περισσότερα αλογονίδια και το υδροξείδιο του νατρίου, είναι λιγότερο καυστικά και δεν έχουν αρνητικό αντίκτυπο μέσω των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα.
Μοριακοί χημικοί δεσμοί
Αυτή τη στιγμή διερευνάται η πιθανότητα αποθήκευσης ενέργειας σε μοριακούς χημικούς δεσμούς. Έχει ήδη επιτευχθεί ενεργειακή πυκνότητα ισοδύναμη με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Κατανομή της ακτινοβολίας στα όρια της ατμόσφαιρας
Για την κλιματολογία, το ζήτημα της κατανομής της εισροής και της επιστροφής ακτινοβολίας σε όλο τον κόσμο παρουσιάζει σημαντικό ενδιαφέρον. Σκεφτείτε πρώτα την κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας σε μια οριζόντια επιφάνεια «στα όρια της ατμόσφαιρας». Θα μπορούσε να πει κανείς επίσης: «ελλείψει ατμόσφαιρας». Με αυτό υποθέτουμε ότι δεν υπάρχει ούτε απορρόφηση ούτε διασπορά της ακτινοβολίας, ούτε ανάκλασή της από τα σύννεφα. Η κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας στα όρια της ατμόσφαιρας είναι η απλούστερη.Πραγματικά υπάρχει σε υψόμετρο πολλών δεκάδων χιλιομέτρων. Αυτή η κατανομή ονομάζεται ηλιακό κλίμα.
Είναι γνωστό πώς μεταβάλλεται η ηλιακή σταθερά κατά τη διάρκεια του έτους και, κατά συνέπεια, η ποσότητα της ακτινοβολίας που έρχεται στη Γη. Αν προσδιορίσουμε την ηλιακή σταθερά για την πραγματική απόσταση της Γης από τον Ήλιο, τότε με μέση ετήσια τιμή 1,98 cal/cm2 min. θα είναι ίσο με 2,05 cal/cm2 min. τον Ιανουάριο και 1,91 θερμίδες/cm2 min. τον Ιούλιο.
Επομένως, το βόρειο ημισφαίριο κατά τη διάρκεια μιας καλοκαιρινής ημέρας δέχεται κάπως λιγότερη ακτινοβολία στα όρια της ατμόσφαιρας από το νότιο ημισφαίριο κατά τη διάρκεια της καλοκαιρινής του ημέρας.
Η ποσότητα της ακτινοβολίας που λαμβάνεται ανά ημέρα στα όρια της ατμόσφαιρας εξαρτάται από την εποχή του χρόνου και το γεωγραφικό πλάτος του τόπου. Κάτω από κάθε γεωγραφικό πλάτος, η εποχή καθορίζει τη διάρκεια της εισροής ακτινοβολίας. Αλλά σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη, η διάρκεια του ημερήσιου μέρους της ημέρας την ίδια στιγμή είναι διαφορετική.
Στον Πόλο, ο ήλιος δεν δύει καθόλου το καλοκαίρι, και δεν ανατέλλει για 6 μήνες το χειμώνα. Μεταξύ του Πόλου και του Αρκτικού Κύκλου, ο ήλιος δεν δύει το καλοκαίρι και δεν ανατέλλει το χειμώνα για μια περίοδο από έξι μήνες έως μία ημέρα. Στον ισημερινό, η ημέρα διαρκεί πάντα 12 ώρες. Από τον Αρκτικό Κύκλο μέχρι τον ισημερινό, οι ώρες της ημέρας μειώνονται το καλοκαίρι και αυξάνονται το χειμώνα.
Όμως η εισροή ηλιακής ακτινοβολίας σε μια οριζόντια επιφάνεια εξαρτάται όχι μόνο από τη διάρκεια της ημέρας, αλλά και από το ύψος του ήλιου. Η ποσότητα της ακτινοβολίας που φτάνει στα όρια της ατμόσφαιρας ανά μονάδα οριζόντιας επιφάνειας είναι ανάλογη με το ημίτονο του ύψους του ήλιου. Και το ύψος του ήλιου όχι μόνο αλλάζει σε κάθε μέρος κατά τη διάρκεια της ημέρας, αλλά εξαρτάται και από την εποχή του χρόνου. Το ύψος του ήλιου στον ισημερινό ποικίλλει καθ' όλη τη διάρκεια του έτους από 90 έως 66,5°, στους τροπικούς από 90 έως 43°, στους πολικούς κύκλους από 47 έως 0° και στους πόλους από 23,5 έως 0°.
Η σφαιρικότητα της Γης και η κλίση του ισημερινού επιπέδου προς το επίπεδο της εκλειπτικής δημιουργούν μια πολύπλοκη κατανομή της εισροής ακτινοβολίας στα γεωγραφικά πλάτη στα όρια της ατμόσφαιρας και τις μεταβολές της κατά τη διάρκεια του έτους.
Το χειμώνα, η εισροή ακτινοβολίας μειώνεται πολύ γρήγορα από τον ισημερινό στον πόλο, το καλοκαίρι μειώνεται πολύ πιο αργά. Σε αυτή την περίπτωση, το μέγιστο το καλοκαίρι παρατηρείται στον τροπικό και η εισροή ακτινοβολίας μειώνεται κάπως από τον τροπικό στον ισημερινό. Η μικρή διαφορά στην εισροή ακτινοβολίας μεταξύ των τροπικών και πολικών γεωγραφικών πλάτη το καλοκαίρι εξηγείται από το γεγονός ότι αν και τα ύψη του ήλιου στα πολικά γεωγραφικά πλάτη είναι χαμηλότερα το καλοκαίρι από ό,τι στους τροπικούς, η διάρκεια της ημέρας είναι μεγάλη. Την ημέρα του θερινού ηλιοστασίου, λοιπόν, ελλείψει ατμόσφαιρας, ο πόλος θα δεχόταν περισσότερη ακτινοβολία από τον ισημερινό. Ωστόσο, κοντά στην επιφάνεια της γης, ως αποτέλεσμα της εξασθένησης της ακτινοβολίας από την ατμόσφαιρα, της ανάκλασής της από τα σύννεφα κ.λπ., η καλοκαιρινή εισροή ακτινοβολίας στα πολικά γεωγραφικά πλάτη είναι σημαντικά μικρότερη από ό,τι στα χαμηλότερα γεωγραφικά πλάτη.
Στο ανώτερο όριο της ατμόσφαιρας έξω από τις τροπικές περιοχές, υπάρχει μία ετήσια μέγιστη ακτινοβολία κατά τη στιγμή του θερινού ηλιοστασίου και μία ελάχιστη τη στιγμή του χειμερινού ηλιοστασίου. Αλλά μεταξύ των τροπικών περιοχών, η εισροή ακτινοβολίας έχει δύο μέγιστα ετησίως, που αποδίδονται σε εκείνες τις στιγμές που ο ήλιος φτάνει στο υψηλότερο μεσημεριανό ύψος του. Στον ισημερινό, αυτό θα είναι τις ημέρες των ισημεριών, σε άλλα ενδοτροπικά γεωγραφικά πλάτη - μετά την άνοιξη και πριν από τη φθινοπωρινή ισημερία, απομακρυνόμενοι από το χρονοδιάγραμμα των ισημεριών, τόσο μεγαλύτερο είναι το γεωγραφικό πλάτος. Το πλάτος της ετήσιας διακύμανσης στον ισημερινό είναι μικρό, εντός των τροπικών είναι μικρό. σε εύκρατα και μεγάλα γεωγραφικά πλάτη είναι πολύ μεγαλύτερο.
Κατανομή της θερμότητας και του φωτός στη Γη
Ο ήλιος είναι το αστέρι του ηλιακού συστήματος, το οποίο είναι η πηγή μιας τεράστιας ποσότητας θερμότητας και εκτυφλωτικού φωτός για τον πλανήτη Γη. Παρά το γεγονός ότι ο Ήλιος βρίσκεται σε σημαντική απόσταση από εμάς και μόνο ένα μικρό μέρος της ακτινοβολίας του φτάνει σε εμάς, αυτό είναι αρκετά αρκετό για την ανάπτυξη της ζωής στη Γη. Ο πλανήτης μας περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο σε τροχιά. Εάν η Γη παρατηρηθεί από ένα διαστημόπλοιο κατά τη διάρκεια του έτους, τότε μπορεί κανείς να παρατηρήσει ότι ο Ήλιος πάντα φωτίζει μόνο το μισό της Γης, επομένως, θα υπάρχει μέρα εκεί και εκείνη την ώρα θα υπάρχει νύχτα στο αντίθετο μισό. Η επιφάνεια της γης δέχεται θερμότητα μόνο κατά τη διάρκεια της ημέρας.
Η Γη μας θερμαίνεται άνισα. Η ανομοιόμορφη θέρμανση της Γης εξηγείται από το σφαιρικό της σχήμα, επομένως η γωνία πρόσπτωσης της ακτίνας του ήλιου σε διαφορετικές περιοχές είναι διαφορετική, πράγμα που σημαίνει ότι διαφορετικά μέρη της Γης δέχονται διαφορετικές ποσότητες θερμότητας. Στον ισημερινό, οι ακτίνες του ήλιου πέφτουν κατακόρυφα και θερμαίνουν πολύ τη Γη.Όσο πιο μακριά από τον ισημερινό, η γωνία πρόσπτωσης της δέσμης γίνεται μικρότερη, και κατά συνέπεια, αυτές οι περιοχές λαμβάνουν λιγότερη θερμότητα. Η ίδια δέσμη ισχύος ηλιακής ακτινοβολίας θερμαίνει μια πολύ μικρότερη περιοχή κοντά στον ισημερινό, αφού πέφτει κατακόρυφα. Επιπλέον, οι ακτίνες που πέφτουν σε μικρότερη γωνία από τον ισημερινό, διαπερνώντας την ατμόσφαιρα, διανύουν μεγαλύτερη διαδρομή σε αυτήν, με αποτέλεσμα μέρος των ακτίνων του ήλιου να διασκορπίζονται στην τροπόσφαιρα και να μην φτάνουν στην επιφάνεια της γης. Όλα αυτά δείχνουν ότι καθώς απομακρύνεστε από τον ισημερινό προς τα βόρεια ή τα νότια, η θερμοκρασία του αέρα μειώνεται, καθώς μειώνεται η γωνία πρόσπτωσης της ακτίνας του ήλιου.
Ο βαθμός θέρμανσης της επιφάνειας της γης επηρεάζεται επίσης από το γεγονός ότι ο άξονας της γης είναι κεκλιμένος προς το επίπεδο της τροχιάς, κατά μήκος του οποίου η Γη κάνει μια πλήρη περιστροφή γύρω από τον Ήλιο, υπό γωνία 66,5 ° και κατευθύνεται πάντα από το βόρειο άκρο προς τον πολικό αστέρα.
Φανταστείτε ότι η Γη, κινούμενη γύρω από τον Ήλιο, έχει τον άξονα της Γης κάθετο στο επίπεδο της τροχιάς της περιστροφής. Τότε η επιφάνεια σε διαφορετικά γεωγραφικά πλάτη θα λάμβανε σταθερή ποσότητα θερμότητας καθ' όλη τη διάρκεια του έτους, η γωνία πρόσπτωσης της ακτίνας του ήλιου θα ήταν σταθερή όλη την ώρα, η ημέρα θα ήταν πάντα ίση με τη νύχτα, δεν θα υπήρχε αλλαγή των εποχών. Στον ισημερινό, αυτές οι συνθήκες θα διέφεραν ελάχιστα από τις σημερινές. Η κλίση του άξονα της γης έχει σημαντική επίδραση στη θέρμανση της επιφάνειας της γης, και ως εκ τούτου σε ολόκληρο το κλίμα, ακριβώς σε εύκρατα γεωγραφικά πλάτη.
Κατά τη διάρκεια του έτους, δηλαδή κατά την πλήρη περιστροφή της Γης γύρω από τον Ήλιο, τέσσερις ημέρες είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτες: 21 Μαρτίου, 23 Σεπτεμβρίου, 22 Ιουνίου, 22 Δεκεμβρίου.
Οι τροπικοί και οι πολικοί κύκλοι χωρίζουν την επιφάνεια της Γης σε ζώνες που διαφέρουν ως προς τον ηλιακό φωτισμό και την ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από τον Ήλιο. Υπάρχουν 5 ζώνες φωτισμού: οι βόρειες και νότιες πολικές ζώνες, που λαμβάνουν λίγο φως και θερμότητα, η τροπική ζώνη με ζεστό κλίμα και οι βόρειες και νότιες εύκρατες ζώνες, που λαμβάνουν περισσότερο φως και θερμότητα από τις πολικές, αλλά λιγότερο από τα τροπικά.
Έτσι, εν κατακλείδι, μπορούμε να βγάλουμε ένα γενικό συμπέρασμα: η ανομοιόμορφη θέρμανση και ο φωτισμός της επιφάνειας της γης συνδέονται με τη σφαιρικότητα της Γης μας και με την κλίση του άξονα της γης έως 66,5 ° στην τροχιά περιστροφής γύρω από τον Ήλιο.
Συσσώρευση θερμότητας σε θερμούς βράχους, σκυρόδεμα, βότσαλα κ.λπ.
Το νερό έχει μία από τις υψηλότερες θερμικές ικανότητες - 4,2 J / cm3 * K, ενώ το σκυρόδεμα έχει μόνο το ένα τρίτο αυτής της τιμής. Το σκυρόδεμα, από την άλλη πλευρά, μπορεί να θερμανθεί σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες 1200C με, για παράδειγμα, ηλεκτρική θέρμανση και έτσι έχει πολύ μεγαλύτερη συνολική χωρητικότητα. Ακολουθώντας το παρακάτω παράδειγμα, ένας μονωμένος κύβος πλάτους περίπου 2,8 m μπορεί να παρέχει αρκετή αποθηκευμένη θερμότητα για ένα σπίτι ώστε να καλύψει το 50% της ζήτησης θέρμανσης. Κατ' αρχήν, αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση περίσσειας αιολικής ή φωτοβολταϊκής θερμικής ενέργειας λόγω της ικανότητας της ηλεκτρικής θέρμανσης να φτάσει σε υψηλές θερμοκρασίες.
Σε επίπεδο κομητείας, το έργο Wiggenhausen-Süd στη γερμανική πόλη Friedrichshafen προσέλκυσε τη διεθνή προσοχή. Αυτή είναι μια μονάδα αποθήκευσης θερμότητας από οπλισμένο σκυρόδεμα 12.000 m3 (420.000 cu.ft.) συνδεδεμένη με 4.300 m2 (46.000 τ.
πόδια), καλύπτοντας τις μισές ανάγκες σε ζεστό νερό και θέρμανση για 570 σπίτια. Η Siemens κατασκευάζει μια εγκατάσταση αποθήκευσης θερμότητας κοντά στο Αμβούργο, χωρητικότητας 36 MWh, που αποτελείται από βασάλτη που θερμαίνεται στους 600 C και παράγει ισχύ 1,5 MW. Παρόμοιο σύστημα σχεδιάζεται να κατασκευαστεί στην πόλη Sorø της Δανίας, όπου το 41-58% της αποθηκευμένης θερμότητας ισχύος 18 MWh θα μεταφερθεί στην τηλεθέρμανση της πόλης και το 30-41% ως ηλεκτρική ενέργεια.
Πώς να υπολογίσετε την απόσβεση της ηλιακής θέρμανσης
Χρησιμοποιώντας τον παρακάτω πίνακα, μπορείτε να υπολογίσετε πόσο θα μειωθεί το κόστος θέρμανσης όταν χρησιμοποιείτε ηλιακούς συλλέκτες, πόσο καιρό μπορεί να αποδώσει αυτό το σύστημα και ποια οφέλη μπορεί να αποκομίσει σε διάφορες περιόδους λειτουργίας. Αυτό το μοντέλο αναπτύχθηκε για το Primorsky Krai, αλλά μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της χρήσης ηλιακής θέρμανσης σε Khabarovsk Krai, Amur Oblast, Sakhalin, Kamchatka και νότια Σιβηρία.Σε αυτήν την περίπτωση, οι ηλιακοί συλλέκτες θα έχουν μικρότερη επίδραση τον Δεκέμβριο-Ιανουάριο σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη, αλλά τα συνολικά οφέλη δεν θα είναι λιγότερα, δεδομένης της μεγαλύτερης περιόδου θέρμανσης.
Στον πρώτο πίνακα εισάγετε τις παραμέτρους του σπιτιού σας, το σύστημα θέρμανσης και τις τιμές ενέργειας. Όλα τα πεδία που επισημαίνονται με πράσινο μπορούν να τροποποιηθούν και να προσομοιώσουν ένα υπάρχον ή προγραμματισμένο σπίτι.
Πρώτα, εισάγετε τη θερμαινόμενη περιοχή του σπιτιού σας στην πρώτη στήλη.
Στη συνέχεια αξιολογήστε την ποιότητα της θερμομόνωσης του κτιρίου και τον τρόπο θέρμανσης επιλέγοντας τις κατάλληλες τιμές.
Αναφέρετε τον αριθμό των μελών της οικογένειας και την κατανάλωση ζεστού νερού - αυτό θα σας βοηθήσει να αξιολογήσετε τα οφέλη της παροχής ζεστού νερού ηλιακών συλλεκτών.
Εισαγάγετε τιμές για τη συνήθη πηγή ενέργειας θέρμανσης - ηλεκτρισμό, ντίζελ ή άνθρακα.
Εισαγάγετε την αξία του συνήθους εισοδήματος ενός μέλους της οικογένειας που ασχολείται με τη θέρμανση στο νοικοκυριό σας. Αυτό βοηθά στην εκτίμηση του κόστους εργασίας για την περίοδο θέρμανσης και παίζει ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο για τα συστήματα στερεών καυσίμων, όπου είναι απαραίτητο να φέρετε και να ξεφορτώσετε άνθρακα, να το πετάξετε στον κλίβανο, να πετάξετε στάχτη κ.λπ.
Η τιμή του συστήματος ηλιακού συλλέκτη θα καθοριστεί αυτόματα, με βάση τις κτιριακές παραμέτρους που καθορίζετε. Αυτή η τιμή είναι κατά προσέγγιση - το πραγματικό κόστος εγκατάστασης και οι παράμετροι του εξοπλισμού ηλιακής θέρμανσης μπορεί να διαφέρουν και υπολογίζονται από τους ειδικούς ξεχωριστά σε κάθε περίπτωση.
Στη στήλη «Κόστος εγκατάστασης» μπορείτε να καταχωρίσετε το κόστος εξοπλισμού και εγκατάστασης παραδοσιακού συστήματος θέρμανσης - υπάρχον ή προγραμματισμένο
Εάν το σύστημα είναι ήδη εγκατεστημένο, μπορείτε να εισαγάγετε "0".
Προσέξτε το ύψος των εξόδων για την περίοδο θέρμανσης και συγκρίνετε με τα συνηθισμένα σας έξοδα. Εάν είναι διαφορετικά, δοκιμάστε να αλλάξετε τις ρυθμίσεις.
Στη στήλη «Κόστος θέρμανσης ανά εποχή», τα συστήματα θέρμανσης με καύση άνθρακα λαμβάνουν υπόψη τη χρηματική αξία του κόστους εργασίας. Εάν δεν θέλετε να τα λάβετε υπόψη, μπορείτε να μειώσετε την αξία του εισοδήματος ενός μέλους της οικογένειας που ασχολείται με τη θέρμανση. Το κόστος εργασίας λαμβάνεται υπόψη σε μικρότερο βαθμό για συστήματα υγρών καυσίμων και δεν λαμβάνεται υπόψη για συστήματα ηλεκτρικών λεβήτων. Η ρύθμιση των ηλιακών συλλεκτών πραγματοποιείται αυτόματα και δεν απαιτεί συνεχή προσοχή.
Στη στήλη "Διάρκεια ζωής", η προεπιλογή είναι 20 χρόνια - αυτή είναι η συνήθης διάρκεια ζωής των ηλιακών συστημάτων θέρμανσης με ηλιακούς συλλέκτες. Ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας, οι ηλιακοί συλλέκτες μπορούν να διαρκέσουν περισσότερο από αυτό το διάστημα. Μπορείτε να αλλάξετε τη διάρκεια ζωής και το παρακάτω γράφημα θα αντικατοπτρίζει τη διαφορά μεταξύ του κόστους εγκατάστασης και συντήρησης και τα οφέλη από τη χρήση ηλιακών συλλεκτών για θέρμανση. Έτσι, θα δείτε πόσο θα μειωθεί το κόστος θέρμανσης και πόσο καιρό αυτή η διαφορά θα καταστήσει δυνατή την ανάκτηση του κόστους εγκατάστασης ηλιακών συλλεκτών.
Τα τελικά αποτελέσματα είναι κατά προσέγγιση, αλλά δίνουν μια καλή ιδέα για το πόσο μπορεί να κοστίσει ένα σύστημα ηλιακής θέρμανσης και πόσο χρόνο μπορεί να πληρώσει για τον εαυτό του.
Σημειώστε ότι το κόστος της περιόδου θέρμανσης μπορεί να μειωθεί σημαντικά με τη χρήση ηλιακών συλλεκτών, συστημάτων ενδοδαπέδιας θέρμανσης και τη βελτίωση της θερμομόνωσης του κτιρίου. Επίσης, το κόστος θέρμανσης μπορεί να μειωθεί εάν το κτίριο έχει σχεδιαστεί εκ των προτέρων για χρήση ηλιακής θέρμανσης και χρήση τεχνολογιών οικολογικών σπιτιών.
svetdv.ru
Τι είναι η ηλιακή θερμότητα
Από την αρχαιότητα, οι άνθρωποι γνώριζαν καλά τον ρόλο του Ήλιου στη ζωή τους. Σχεδόν σε όλα τα έθνη, έδρασε ως η κύρια ή μία από τις κύριες θεότητες, δίνοντας ζωή και φως σε όλα τα έμβια όντα. Σήμερα, η ανθρωπότητα έχει μια πολύ καλύτερη ιδέα για το από πού προέρχεται η θερμότητα του ήλιου.
Από την άποψη της επιστήμης, ο Ήλιος μας είναι ένα κίτρινο αστέρι, το οποίο είναι το φωτιστικό για ολόκληρο το πλανητικό μας σύστημα.Αντλεί την ενέργειά του από τον πυρήνα - το κεντρικό τμήμα μιας τεράστιας καυτής μπάλας, όπου λαμβάνουν χώρα αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης ασύλληπτης ισχύος σε θερμοκρασία μετρούμενη σε εκατομμύρια βαθμούς. Η ακτίνα του πυρήνα δεν είναι μεγαλύτερη από το ένα τέταρτο της συνολικής ακτίνας του Ήλιου, αλλά στον πυρήνα παράγεται η ακτινοβόλος ενέργεια, ένα μικρό κλάσμα της οποίας είναι αρκετό για να υποστηρίξει τη ζωή στον πλανήτη μας.
Η απελευθερωμένη ενέργεια εισέρχεται στα εξωτερικά στρώματα του Ήλιου μέσω της ζώνης μεταφοράς και φτάνει στη φωτόσφαιρα - την επιφάνεια ακτινοβολίας του άστρου. Η θερμοκρασία της φωτόσφαιρας πλησιάζει τους 6.000 βαθμούς, είναι αυτή που μετατρέπει και εκπέμπει στο διάστημα την ακτινοβολούμενη ενέργεια που δέχεται ο πλανήτης μας. Στην πραγματικότητα, ζούμε λόγω της σταδιακής, αργής καύσης του αστρικού πλάσματος που αποτελεί τον Ήλιο.
Φασματική σύνθεση ηλιακής ακτινοβολίας
Το διάστημα μήκους κύματος μεταξύ 0,1 και 4 microns αντιπροσωπεύει το 99% της συνολικής ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας. Μόνο το 1% απομένει για ακτινοβολία με μικρότερα και μεγαλύτερα μήκη κύματος, μέχρι τις ακτίνες Χ και τα ραδιοκύματα.
Το ορατό φως καταλαμβάνει ένα στενό εύρος μηκών κύματος, μόνο από 0,40 έως 0,75 μικρά. Ωστόσο, αυτό το διάστημα περιέχει σχεδόν το ήμισυ της ηλιακής ακτινοβολίας (46%). Σχεδόν το ίδιο ποσό (47%) βρίσκεται στις υπέρυθρες ακτίνες και το υπόλοιπο 7% είναι στις υπεριώδεις ακτίνες.
Στη μετεωρολογία, συνηθίζεται να γίνεται διάκριση μεταξύ ακτινοβολίας βραχέων και μακρών κυμάτων. Η ακτινοβολία βραχέων κυμάτων ονομάζεται ακτινοβολία στην περιοχή μήκους κύματος από 0,1 έως 4 μικρά. Περιλαμβάνει, εκτός από το ορατό φως, την υπεριώδη και την υπέρυθρη ακτινοβολία που βρίσκεται πλησιέστερα σε αυτό σε μήκη κύματος. Η ηλιακή ακτινοβολία είναι κατά 99% τέτοια ακτινοβολία βραχέων κυμάτων. Η ακτινοβολία μακρών κυμάτων περιλαμβάνει ακτινοβολία της επιφάνειας και της ατμόσφαιρας της γης με μήκη κύματος από 4 έως 100-120 μικρά.
Ένταση άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας
Η ακτινοβολία που έρχεται στην επιφάνεια της γης απευθείας από τον ηλιακό δίσκο ονομάζεται άμεση ηλιακή ακτινοβολία, σε αντίθεση με την ακτινοβολία που διαχέεται στην ατμόσφαιρα. Η ηλιακή ακτινοβολία διαδίδεται από τον Ήλιο προς όλες τις κατευθύνσεις. Αλλά η απόσταση από τη Γη στον Ήλιο είναι τόσο μεγάλη που η άμεση ακτινοβολία πέφτει σε οποιαδήποτε επιφάνεια της Γης με τη μορφή μιας δέσμης παράλληλων ακτίνων που εκπέμπονται, σαν να λέγαμε, από το άπειρο. Ακόμη και η υδρόγειος στο σύνολό της είναι τόσο μικρή σε σύγκριση με την απόσταση από τον Ήλιο που όλη η ηλιακή ακτινοβολία που πέφτει πάνω της μπορεί να θεωρηθεί ως μια δέσμη παράλληλων ακτίνων χωρίς αξιοσημείωτο σφάλμα.
Η εισροή άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης ή σε οποιοδήποτε υψηλότερο επίπεδο στην ατμόσφαιρα χαρακτηρίζεται από την ένταση της ακτινοβολίας Εγώ, δηλαδή η ποσότητα της ακτινοβολούμενης ενέργειας που εισέρχεται ανά μονάδα χρόνου (ένα λεπτό) ανά μονάδα επιφάνειας (ένα τετραγωνικό εκατοστό) κάθετα στις ακτίνες του ήλιου.
Ρύζι. 1. Η εισροή της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια κάθετη προς τις ακτίνες (ΑΒ), και σε οριζόντια επιφάνεια (ΜΕΤΑ ΧΡΙΣΤΟΝ).
Είναι εύκολο να γίνει κατανοητό ότι μια μονάδα επιφάνειας που βρίσκεται κάθετα στις ακτίνες του ήλιου θα λάβει τη μέγιστη δυνατή ποσότητα ακτινοβολίας υπό δεδομένες συνθήκες. Μια μονάδα οριζόντιας επιφάνειας θα έχει μικρότερη ποσότητα ενέργειας ακτινοβολίας:
Ι' = αμαρτώ
που η είναι το ύψος του ήλιου (Εικ. 1).
Όλα τα είδη ενέργειας είναι αμοιβαία ισοδύναμα. Επομένως, η ενέργεια ακτινοβολίας μπορεί να εκφραστεί σε μονάδες οποιουδήποτε είδους ενέργειας, για παράδειγμα, σε θερμική ή μηχανική. Είναι φυσικό να εκφράζεται σε θερμικές μονάδες, επειδή τα όργανα μέτρησης βασίζονται στη θερμική επίδραση της ακτινοβολίας: η ακτινοβολούμενη ενέργεια, σχεδόν πλήρως απορροφημένη στη συσκευή, μετατρέπεται σε θερμότητα, η οποία μετράται. Έτσι, η ένταση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας θα εκφράζεται σε θερμίδες ανά τετραγωνικό εκατοστό ανά λεπτό (cal/cm2min).
Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας
Η ηλιακή ενέργεια λειτουργεί μετατρέποντας το ηλιακό φως σε ηλεκτρική.Αυτό μπορεί να συμβεί είτε άμεσα, χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά, είτε έμμεσα, χρησιμοποιώντας συστήματα συμπυκνωμένης ηλιακής ενέργειας, στα οποία οι φακοί και οι καθρέφτες συλλέγουν το ηλιακό φως από μια μεγάλη περιοχή σε μια λεπτή δέσμη και ένας μηχανισμός παρακολούθησης παρακολουθεί τη θέση του Ήλιου. Τα φωτοβολταϊκά μετατρέπουν το φως σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
Η ηλιακή ενέργεια προβλέπεται να γίνει η μεγαλύτερη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας έως το 2050, με τα φωτοβολταϊκά και τη συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια να αντιπροσωπεύουν το 16% και το 11% της παγκόσμιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, αντίστοιχα.
Οι εμπορικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που χρησιμοποιούν συγκεντρωμένη ηλιακή ενέργεια εμφανίστηκαν για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1980. Μετά το 1985, μια εγκατάσταση SEGS 354 MW αυτού του τύπου στην έρημο Μοχάβε (Καλιφόρνια) έγινε ο μεγαλύτερος σταθμός ηλιακής ενέργειας στον κόσμο. Άλλοι σταθμοί ηλιακής ενέργειας αυτού του τύπου περιλαμβάνουν τη Solnova (150 MW) και την Andasol (100 MW), αμφότερες στην Ισπανία. Μεταξύ των μεγαλύτερων φωτοβολταϊκών σταθμών παραγωγής ενέργειας (αγγλικά) είναι το Agua Caliente Solar Project (250 MW) στις ΗΠΑ και το Charanka Solar Park (221 MW) στην Ινδία. Έργα άνω του 1 GW βρίσκονται υπό ανάπτυξη, αλλά οι περισσότερες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις έως 5 kW είναι μικρές και στον τελευταίο όροφο. Από το 2013, η ηλιακή ενέργεια αντιπροσώπευε λιγότερο από το 1% της ηλεκτρικής ενέργειας στο παγκόσμιο δίκτυο.
Τύποι ηλιακής ακτινοβολίας
Στην ατμόσφαιρα, η ηλιακή ακτινοβολία στο δρόμο της προς την επιφάνεια της γης απορροφάται εν μέρει και εν μέρει διασκορπίζεται και αντανακλάται από τα σύννεφα και την επιφάνεια της γης. Τρεις τύποι ηλιακής ακτινοβολίας παρατηρούνται στην ατμόσφαιρα: άμεση, διάχυτη και ολική.
Άμεση ηλιακή ακτινοβολία - ακτινοβολία που έρχεται στην επιφάνεια της γης απευθείας από τον δίσκο του ήλιου. Η ηλιακή ακτινοβολία διαδίδεται από τον Ήλιο προς όλες τις κατευθύνσεις. Αλλά η απόσταση από τη Γη στον Ήλιο είναι τόσο μεγάλη που η άμεση ακτινοβολία πέφτει σε οποιαδήποτε επιφάνεια της Γης με τη μορφή μιας δέσμης παράλληλων ακτίνων που εκπέμπονται, σαν να λέγαμε, από το άπειρο. Ακόμη και ολόκληρη η υδρόγειος στο σύνολό της είναι τόσο μικρή σε σύγκριση με την απόσταση από τον Ήλιο που όλη η ηλιακή ακτινοβολία που πέφτει πάνω της μπορεί να θεωρηθεί μια δέσμη παράλληλων ακτίνων χωρίς αξιοσημείωτο σφάλμα.
Μόνο η άμεση ακτινοβολία φτάνει στο ανώτερο όριο της ατμόσφαιρας. Περίπου το 30% της ακτινοβολίας που προσπίπτει στη Γη αντανακλάται στο διάστημα. Το οξυγόνο, το άζωτο, το όζον, το διοξείδιο του άνθρακα, οι υδρατμοί (σύννεφα) και τα σωματίδια αερολύματος απορροφούν το 23% της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Το όζον απορροφά την υπεριώδη και την ορατή ακτινοβολία. Παρά το γεγονός ότι η περιεκτικότητά του στον αέρα είναι πολύ μικρή, απορροφά όλη την υπεριώδη ακτινοβολία (περίπου 3%)
Έτσι, δεν παρατηρείται καθόλου στην επιφάνεια της γης, κάτι που είναι πολύ σημαντικό για τη ζωή στη Γη.
Η άμεση ηλιακή ακτινοβολία στο δρόμο της μέσα από την ατμόσφαιρα είναι επίσης διάσπαρτη. Ένα σωματίδιο (σταγόνα, κρύσταλλος ή μόριο) αέρα, το οποίο βρίσκεται στην πορεία ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος, «εξάγει» συνεχώς ενέργεια από το προσπίπτον κύμα και την εκπέμπει εκ νέου προς όλες τις κατευθύνσεις, μετατρέποντας σε εκπομπή ενέργειας.
Περίπου το 25% της ενέργειας της συνολικής ροής ηλιακής ακτινοβολίας που διέρχεται από την ατμόσφαιρα διαχέεται από μόρια ατμοσφαιρικού αερίου και αεροζόλ και μετατρέπεται στην ατμόσφαιρα σε διάσπαρτη ηλιακή ακτινοβολία. Έτσι, η διάσπαρτη ηλιακή ακτινοβολία είναι η ηλιακή ακτινοβολία που έχει υποστεί σκέδαση στην ατμόσφαιρα. Η διάσπαρτη ακτινοβολία έρχεται στην επιφάνεια της γης όχι από τον ηλιακό δίσκο, αλλά από ολόκληρο το στερέωμα. Η διάσπαρτη ακτινοβολία διαφέρει από την άμεση ακτινοβολία ως προς τη φασματική της σύνθεση, αφού ακτίνες διαφορετικού μήκους κύματος διασκορπίζονται σε διαφορετικούς βαθμούς.
Δεδομένου ότι η κύρια πηγή της διάχυτης ακτινοβολίας είναι η άμεση ηλιακή ακτινοβολία, η ροή της διάχυτης ακτινοβολίας εξαρτάται από τους ίδιους παράγοντες που επηρεάζουν τη ροή της άμεσης ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, η ροή της διάσπαρτης ακτινοβολίας αυξάνεται όσο αυξάνεται το ύψος του Ήλιου και αντίστροφα.Αυξάνεται επίσης με την αύξηση του αριθμού των σωματιδίων που διασκορπίζονται στην ατμόσφαιρα, δηλ. με μείωση της διαφάνειας της ατμόσφαιρας και μειώνεται με το ύψος πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας λόγω της μείωσης του αριθμού των σωματιδίων διασποράς στα υπερκείμενα στρώματα της ατμόσφαιρας. Η συννεφιά και η χιονοκάλυψη έχουν πολύ μεγάλη επίδραση στη διάχυτη ακτινοβολία, η οποία, λόγω της σκέδασης και της ανάκλασης της άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω τους και της επανασκέδασής τους στην ατμόσφαιρα, μπορεί να αυξήσει τη διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία κατά αρκετές φορές.
Η διάσπαρτη ακτινοβολία συμπληρώνει σημαντικά την άμεση ηλιακή ακτινοβολία και αυξάνει σημαντικά τη ροή της ηλιακής ενέργειας προς την επιφάνεια της γης. Ο ρόλος του είναι ιδιαίτερα μεγάλος το χειμώνα σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη και σε άλλες περιοχές με υψηλή νεφελότητα, όπου το κλάσμα της διάχυτης ακτινοβολίας μπορεί να υπερβαίνει το κλάσμα της άμεσης ακτινοβολίας. Για παράδειγμα, στην ετήσια ποσότητα ηλιακής ενέργειας, η διάσπαρτη ακτινοβολία αντιστοιχεί στο 56% στο Αρχάγγελσκ και στο 51% στην Αγία Πετρούπολη.
Η συνολική ηλιακή ακτινοβολία είναι το άθροισμα των ροών της άμεσης και της διάχυτης ακτινοβολίας που φθάνει σε μια οριζόντια επιφάνεια. Πριν την ανατολή και μετά τη δύση του ηλίου, καθώς και κατά τη διάρκεια της ημέρας με συνεχή συννεφιά, η συνολική ακτινοβολία είναι πλήρης και σε χαμηλά υψόμετρα του Ήλιου αποτελείται κυρίως από διάσπαρτη ακτινοβολία. Σε έναν ουρανό χωρίς σύννεφα ή ελαφρώς συννεφιασμένο, με αύξηση του ύψους του Ήλιου, η αναλογία της άμεσης ακτινοβολίας στη σύνθεση του συνόλου αυξάνεται γρήγορα και κατά τη διάρκεια της ημέρας η ροή της είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από τη ροή της διάσπαρτης ακτινοβολίας. Η νεφελότητα κατά μέσο όρο εξασθενεί τη συνολική ακτινοβολία (κατά 20-30%), ωστόσο, με μερική νεφελότητα που δεν καλύπτει τον ηλιακό δίσκο, η ροή της μπορεί να είναι μεγαλύτερη από ό,τι με έναν ουρανό χωρίς σύννεφα. Η χιονοκάλυψη αυξάνει σημαντικά τη ροή της συνολικής ακτινοβολίας αυξάνοντας τη ροή της διάσπαρτης ακτινοβολίας.
Η συνολική ακτινοβολία, που πέφτει στην επιφάνεια της γης, απορροφάται ως επί το πλείστον από το ανώτερο στρώμα του εδάφους ή ένα παχύτερο στρώμα νερού (απορροφημένη ακτινοβολία) και μετατρέπεται σε θερμότητα, και μερικώς ανακλάται (ανακλώμενη ακτινοβολία).
Θερμικές ζώνες
Ανάλογα με την ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται στην επιφάνεια της Γης, διακρίνονται 7 θερμικές ζώνες στον πλανήτη: θερμές, δύο μέτριες, δύο ψυχρές και δύο ζώνες αιώνιου παγετού. Τα όρια των θερμικών ζωνών είναι ισόθερμα. Η θερμή ζώνη οριοθετείται από μέσες ετήσιες ισόθερμες +20°С από βορρά και νότο (Εικ. 9). Δύο εύκρατες ζώνες στα βόρεια και νότια της θερμής ζώνης περιορίζονται από την πλευρά του ισημερινού από μια μέση ετήσια ισόθερμη +20 ° C και από την πλευρά των μεγάλων γεωγραφικών πλάτη από μια ισόθερμη +10 ° C (η μέση θερμοκρασία του αέρα οι θερμότεροι μήνες είναι ο Ιούλιος στο βόρειο ημισφαίριο και ο Ιανουάριος στα νότια ημισφαίρια). Τα βόρεια σύνορα συμπίπτουν περίπου με τα όρια κατανομής των δασών. Οι δύο ψυχρές ζώνες βόρεια και νότια της εύκρατης ζώνης στο βόρειο και νότιο ημισφαίριο βρίσκονται μεταξύ των +10°C και 0°C ισόθερμων του θερμότερου μήνα. Οι δύο ζώνες του αιώνιου παγετού οριοθετούνται από την ισόθερμο 0°C του θερμότερου μήνα από τις ψυχρές ζώνες. Το βασίλειο του αιώνιου χιονιού και του πάγου εκτείνεται στον Βόρειο και τον Νότιο Πόλο.
Αποτελέσματα μετρήσεων άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας
Με τη διαφάνεια της ατμόσφαιρας αμετάβλητη, η ένταση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας εξαρτάται από την οπτική μάζα της ατμόσφαιρας, δηλαδή τελικά από το ύψος του ήλιου. Επομένως, κατά τη διάρκεια της ημέρας, η ηλιακή ακτινοβολία πρέπει πρώτα να αυξάνεται γρήγορα, στη συνέχεια πιο αργά από την ανατολή του ηλίου έως το μεσημέρι και στην αρχή αργά και στη συνέχεια να μειωθεί γρήγορα από το μεσημέρι έως τη δύση του ηλίου.
Όμως η διαφάνεια της ατμόσφαιρας κατά τη διάρκεια της ημέρας ποικίλλει εντός ορισμένων ορίων. Ως εκ τούτου, η καμπύλη της ημερήσιας πορείας της ακτινοβολίας, ακόμη και σε μια εντελώς συννεφιασμένη μέρα, εμφανίζει ορισμένες ανωμαλίες.
Οι διαφορές στην ένταση της ακτινοβολίας το μεσημέρι οφείλονται κυρίως στις διαφορές στο μεσημεριανό ύψος του ήλιου, το οποίο είναι χαμηλότερο το χειμώνα από το καλοκαίρι. Η ελάχιστη ένταση στα εύκρατα γεωγραφικά πλάτη εμφανίζεται τον Δεκέμβριο, όταν ο ήλιος βρίσκεται στο χαμηλότερο σημείο του. Όμως η μέγιστη ένταση δεν είναι τους καλοκαιρινούς μήνες, αλλά την άνοιξη.Το γεγονός είναι ότι την άνοιξη ο αέρας είναι λιγότερο θολωμένος από τα προϊόντα συμπύκνωσης και λίγο σκονισμένος. Το καλοκαίρι, η σκόνη αυξάνεται και η περιεκτικότητα σε υδρατμούς στην ατμόσφαιρα αυξάνεται επίσης, γεγονός που μειώνει κάπως την ένταση της ακτινοβολίας.
Οι μέγιστες τιμές άμεσης έντασης ακτινοβολίας για ορισμένα σημεία είναι οι εξής (σε θερμίδες/cm2min): Tiksi Bay 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moscow 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostok 1, 46, Tashkent 1.
Από αυτά τα δεδομένα φαίνεται ότι οι μέγιστες τιμές της έντασης της ακτινοβολίας αυξάνονται πολύ λίγο με τη μείωση του γεωγραφικού πλάτους, παρά την αύξηση του ύψους του ήλιου. Αυτό εξηγείται από την αύξηση της περιεκτικότητας σε υγρασία και εν μέρει από τη σκόνη του αέρα στα νότια γεωγραφικά πλάτη. Στον ισημερινό, οι μέγιστες τιμές ακτινοβολίας δεν υπερβαίνουν κατά πολύ τα θερινά μέγιστα των εύκρατων γεωγραφικών πλάτη. Στον ξηρό αέρα των υποτροπικών ερήμων (Σαχάρα), ωστόσο, παρατηρήθηκαν τιμές έως 1,58 cal/cm2 min.
Με ύψος πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, οι μέγιστες τιμές ακτινοβολίας αυξάνονται λόγω μείωσης της οπτικής μάζας της ατμόσφαιρας στο ίδιο ύψος του ήλιου. Για κάθε 100 m υψομέτρου, η ένταση της ακτινοβολίας στην τροπόσφαιρα αυξάνεται κατά 0,01-0,02 cal/cm2 min. Έχουμε ήδη πει ότι οι μέγιστες τιμές της έντασης της ακτινοβολίας που παρατηρούνται στα βουνά φτάνουν τις 1,7 cal/cm2 min και περισσότερο.