Tasaisen aurinkokeräimen laskenta
Käytäntö osoittaa, että keskimäärin 900 W lämpöenergiaa neliömetriä kohden, joka on asennettu kohtisuoraan auringon kirkkaisiin säteisiin nähden (pilvetttömällä taivaalla). Laskemme SC:n mallin perusteella, jonka pinta-ala on 1 m². Etupuoli on matta, musta (lämpöenergian absorptio on lähes 100 %). Takapuoli on eristetty 10 cm paksuisella polystyreenikerroksella. On tarpeen laskea lämpöhäviöt, jotka tapahtuvat kääntöpuolella, varjoisalla puolella. Paisutetun polystyreenin lämmöneristyskerroin - 0,05 W / m × astetta. Kun tiedetään paksuus ja oletetaan, että lämpötilaero materiaalin vastakkaisilla puolilla on 50 astetta, laskemme lämpöhäviön:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Suunnilleen samat häviöt odotetaan päistä ja putkista, eli kokonaismäärä on 50 wattia. Pilvetön taivas on harvinainen, ja myös likakertymien vaikutus keräilijään tulee ottaa huomioon. Siksi vähennämme lämpöenergian 1 m²:n määrässä 800 W:iin. Tasaisissa SC:issä lämmönsiirtoaineena käytetyn veden lämpökapasiteetti on 4200 J/kg × astetta tai 1,16 W/kg × astetta. Tämä tarkoittaa, että yhden litran vesilitran lämpötilan nostamiseen yhdellä asteella tarvitaan 1,16 W energiaa. Näiden laskelmien perusteella saamme seuraavan arvon 1 m²:n aurinkokeräimellemme:
Pyöristämme mukavuuden vuoksi jopa 700 / kg × astetta. Tämä lauseke ilmaisee veden määrän, joka voidaan lämmittää keräimessä (1 m² malli) tunnin ajan. Tässä ei oteta huomioon etupuolen lämpöhäviötä, joka kasvaa lämmetessään. Nämä häviöt rajoittavat jäähdytysnesteen kuumenemista aurinkokeräimessä 70-90 asteeseen. Tässä suhteessa arvoa 700 voidaan soveltaa alhaisiin lämpötiloihin (10 - 60 astetta). Aurinkokeräimen laskelma osoittaa, että 1 m²:n järjestelmä pystyy lämmittämään 10 litraa vettä 70 astetta, mikä riittää varsin riittävän lämpimän veden tuottamiseen taloon. Voit lyhentää veden lämmitysaikaa vähentämällä aurinkokeräimen tilavuutta säilyttäen samalla sen pinta-alan. Jos talossa asuvien ihmisten määrä vaatii suuremman vesimäärän, tulee käyttää useita tämän alueen kerääjiä, jotka on liitetty yhteen järjestelmään. Jotta auringonvalo vaikuttaisi patteriin mahdollisimman tehokkaasti, keräin on suunnattava horisonttiviivaan nähden kulmaan, joka on yhtä suuri kuin alueen leveysaste. Tästä on jo keskusteltu artikkelissa Kuinka laskea aurinkopaneelien teho, sama periaate pätee. Keskimäärin 50 litraa kuumaa vettä tarvitaan yhden ihmisen hengen turvaamiseen. Ottaen huomioon, että veden lämpötila ennen lämmitystä on noin 10 °C, lämpötilaero on 70 - 10 = 60 °C. Veden lämmittämiseen tarvittava lämpömäärä on seuraava:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW energiaa.
Jakamalla W aurinkoenergian määrällä 1 m² pinta-alaa kohden tietyllä alueella (tiedot hydrometeorologisista keskuksista), saadaan keräimen pinta-ala. Aurinkokeräimen laskenta lämmitykseen suoritetaan samalla tavalla. Mutta veden (jäähdytysnesteen) määrää tarvitaan enemmän, mikä riippuu lämmitetyn huoneen tilavuudesta. Voidaan päätellä, että tämän tyyppisen vesilämmitysjärjestelmän tehokkuutta voidaan parantaa vähentämällä tilavuutta ja samalla lisäämällä pinta-alaa.
Jääteknologiat
Useita teknologioita kehitetään, joissa jäätä tuotetaan ruuhka-ajan ulkopuolella ja käytetään myöhemmin jäähdytykseen. Esimerkiksi ilmastointia voidaan tehdä taloudellisemmaksi käyttämällä halpaa sähköä yöllä veden jäädyttämiseen ja sitten jään jäähdytystehoa päivällä vähentämään ilmastoinnin ylläpitämiseen tarvittavaa energiaa. Lämpöenergian varastointi jään avulla hyödyntää veden korkeaa sulamislämpöä. Historiallisesti jäätä kuljetettiin vuorilta kaupunkeihin käytettäväksi jäähdytysnesteenä. Yksi metrinen (= 1 m3) tonni vettä voi varastoida 334 miljoonaa joulea (J) tai 317 000 brittiläistä lämpöyksikköä (93 kWh).Suhteellisen pieneen säilytysyksikköön mahtuu tarpeeksi jäätä suuren rakennuksen jäähdyttämiseen koko päiväksi tai viikoksi.
Sen lisäksi, että jäätä käytetään suorassa jäähdytyksessä, sitä käytetään myös lämpöpumpuissa, jotka tehostavat lämmitysjärjestelmiä. Näillä alueilla vaiheenergian muutokset muodostavat erittäin vakavan lämpöä johtavan kerroksen, joka on lähellä alempaa lämpötilakynnystä, jossa veden lämpöä käyttävä lämpöpumppu voi toimia. Näin järjestelmä pystyy käsittelemään raskaimmat lämmityskuormat ja pidentää aikaa, jonka energialähdeelementit voivat palauttaa lämpöä järjestelmään.
Endotermiset ja eksotermiset kemialliset reaktiot
Suolahydraattitekniikka
Esimerkki kemiallisten reaktioiden energiaan perustuvasta kokeellisesta energian varastointitekniikasta on suolahydraatteihin perustuva tekniikka. Järjestelmä käyttää reaktion energiaa, joka syntyy suolojen hydratoituessa tai dehydratoituessa. Se toimii varastoimalla lämpöä säiliöön, joka sisältää 50 % natriumhydroksidiliuosta. Lämpöä (esimerkiksi aurinkokeräimestä saatua) varastoituu endotermisen reaktion aikana tapahtuvan veden haihtumisen vuoksi. Kun vettä lisätään uudelleen, lämpöä vapautuu eksotermisen reaktion aikana 50 C:ssa (120 F). Tällä hetkellä järjestelmät toimivat 60 %:n hyötysuhteella. Järjestelmä on erityisen tehokas kausittaiseen lämpöenergian varastointiin, sillä kuivattua suolaa voidaan säilyttää huoneenlämmössä pitkään ilman energiahävikkiä. Kuivatun suolan säiliöt voidaan jopa kuljettaa eri paikkoihin. Järjestelmän energiatiheys on suurempi kuin veteen varastoitunut lämpö, ja sen kapasiteetti mahdollistaa energian varastoinnin useiden kuukausien tai jopa vuosien ajan.
Hollantilainen teknologiakehittäjä TNO esitteli vuonna 2013 MERITS-projektin tulokset lämmön varastoimiseksi suolasäiliöön. Aurinkokeräimestä tasaiselle katolle siirrettävä lämpö haihduttaa suolan sisältämän veden. Kun vettä lisätään uudelleen, lämpöä vapautuu käytännössä ilman energian menetystä. Muutaman kuutiometrin suolasäiliöön mahtuu tarpeeksi lämpökemiallista energiaa talon lämmittämiseen koko talven ajan. Hollannin kaltaisissa lämpötiloissa keskimääräinen lämpöä sietävä maatila tarvitsee noin 6,7 GJ energiaa talven aikana. Näin paljon energiaa varastoimaan veteen (lämpötilaerolla 70 astetta) tarvitaan 23 m3 vettä eristetyssä säiliössä, mikä on enemmän kuin useimmat kodit pystyvät varastoimaan. Käytettäessä suolahydraattiteknologiaa, jonka energiatiheys on noin 1 GJ/m3, riittäisi 4-8 m3.
Vuodesta 2016 lähtien useiden maiden tutkijat tekevät kokeita parhaan suolatyypin tai suolaseoksen määrittämiseksi. Matala paine säiliön sisällä näyttää olevan paras tehonsiirtoon. Erityisen lupaavia ovat orgaaniset suolat, niin sanotut "ioniset nesteet". Litiumhalogenidisorbenteihin verrattuna ne aiheuttavat paljon vähemmän ongelmia resurssirajoitteisissa ympäristöissä, ja useimpiin halogenideihin ja natriumhydroksidiin verrattuna ne ovat vähemmän syövyttäviä eikä niillä ole kielteisiä vaikutuksia hiilidioksidipäästöjen kautta.
Molekyylikemialliset sidokset
Tällä hetkellä tutkitaan mahdollisuutta varastoida energiaa molekyylikemiallisiin sidoksiin. Litiumioniakkuja vastaava energiatiheys on jo saavutettu.
Säteilyn jakautuminen ilmakehän rajalla
Klimatologian kannalta kysymys säteilyn sisään- ja paluuvirtauksen jakautumisesta maapallon yli on erittäin kiinnostava. Tarkastellaan ensin auringon säteilyn jakautumista vaakapinnalla "ilmakehän rajalla". Voidaan myös sanoa: "ilmapiirin puuttuessa". Tällä oletetaan, että säteilyssä ei ole absorptiota tai sirontaa eikä sen heijastumista pilviin. Auringon säteilyn jakautuminen ilmakehän rajalla on yksinkertaisin.Se on todella olemassa useiden kymmenien kilometrien korkeudessa. Tätä jakaumaa kutsutaan aurinkoilmastoksi.
Tiedetään, miten aurinkovakio muuttuu vuoden aikana ja sitä kautta maapallolle tulevan säteilyn määrä. Jos määritetään aurinkovakio Maan todelliselle etäisyydelle Auringosta, niin keskimääräisellä vuosiarvolla 1,98 cal/cm2 min. se on yhtä suuri kuin 2,05 cal/cm2 min. tammikuussa ja 1,91 cal/cm2 min. heinäkuussa.
Siksi pohjoinen pallonpuolisko saa kesäpäivän aikana jonkin verran vähemmän säteilyä ilmakehän rajalla kuin eteläinen pallonpuolisko kesäpäivän aikana.
Ilmakehän rajalla vuorokaudessa vastaanotettavan säteilyn määrä riippuu vuodenajasta ja paikan leveysasteesta. Jokaisella leveysasteella kausi määrittää säteilyvirran keston. Mutta eri leveysasteilla vuorokauden päivällisen osan kesto samaan aikaan on erilainen.
Napalla aurinko ei laske ollenkaan kesällä eikä nouse 6 kuukauteen talvella. Napapiirin ja napapiirin välissä aurinko ei laske kesällä eikä nouse talvella kuuden kuukauden tai yhden päivän aikana. Päiväntasaajalla päivä kestää aina 12 tuntia. Napapiiriltä päiväntasaajalle päivänvaloajat vähenevät kesällä ja lisääntyvät talvella.
Mutta auringon säteilyn virtaus vaakasuoralle pinnalle ei riipu vain päivän pituudesta, vaan myös auringon korkeudesta. Ilmakehän rajalle tulevan säteilyn määrä vaakapinnan yksikköä kohti on verrannollinen auringon korkeuden siniin. Ja auringon korkeus ei vain muutu jokaisessa paikassa päivän aikana, vaan riippuu myös vuodenajasta. Auringon korkeus päiväntasaajalla vaihtelee ympäri vuoden 90 - 66,5°, tropiikissa 90 - 43°, napaympyröissä 47 - 0° ja navoilla 23,5 - 0°.
Maan pallomaisuus ja ekvatoriaalisen tason kaltevuus ekliptiikan tasoon nähden luovat monimutkaisen säteilyvirran jakautumisen leveysasteille ilmakehän rajalla ja sen vuoden aikana tapahtuvia muutoksia.
Talvella säteilyvirtaus vähenee hyvin nopeasti päiväntasaajalta navalle, kesällä se vähenee paljon hitaammin. Tässä tapauksessa kesän maksimi havaitaan tropiikissa, ja säteilyn virtaus vähenee jonkin verran tropiikista päiväntasaajalle. Pieni ero säteilyn sisäänvirtauksessa trooppisten ja polaarisen leveysasteen välillä kesällä selittyy sillä, että vaikka auringon korkeudet napa-leveysasteilla ovat kesällä pienempiä kuin tropiikissa, päivän pituus on pitkä. Siksi kesäpäivänseisauksen päivänä napa saisi enemmän säteilyä ilman ilmakehää kuin päiväntasaaja. Kuitenkin lähellä maan pintaa ilmakehän säteilyn vaimenemisen, pilvien heijastuksen jne. seurauksena kesän säteilyvirta napa-leveysasteilla on huomattavasti pienempi kuin alemmilla leveysasteilla.
Ilmakehän ylärajalla tropiikin ulkopuolella on yksi vuotuinen säteilymaksimi kesäpäivänseisauksen aikaan ja yksi minimi talvipäivänseisauksen aikaan. Trooppisten alueiden välillä säteilyvirralla on kuitenkin kaksi maksimiarvoa vuodessa, mikä johtuu ajoista, jolloin aurinko saavuttaa korkeimman keskipäivän korkeutensa. Päiväntasaajalla tämä tapahtuu päiväntasauspäivinä, muilla intratrooppisilla leveysasteilla - kevätpäiväntasauksen jälkeen ja ennen syyspäiväntasausta, siirtyen pois päiväntasausten ajoituksesta, sitä suurempi leveysaste. Vuotuisen vaihtelun amplitudi päiväntasaajalla on pieni, tropiikissa pieni; lauhkeilla ja korkeilla leveysasteilla se on paljon suurempi.
Lämmön ja valon jakautuminen maan päällä
Aurinko on aurinkokunnan tähti, joka on valtavan määrän lämpöä ja sokaisevaa valoa maapallolle. Huolimatta siitä, että Aurinko on huomattavan etäisyyden päässä meistä ja vain pieni osa sen säteilystä saavuttaa meidät, tämä riittää elämän kehittymiseen maapallolla. Planeettamme pyörii auringon ympäri kiertoradalla. Jos Maata tarkkaillaan avaruusaluksesta vuoden aikana, niin voidaan huomata, että Aurinko valaisee aina vain puolet maapallosta, joten siellä on päivä ja tuolloin yö vastakkaisella puoliskolla. Maapallon pinta saa lämpöä vain päiväsaikaan.
Maapallomme lämpenee epätasaisesti. Maan epätasainen lämpeneminen selittyy sen pallomaisella muodolla, joten auringon säteen tulokulma eri alueilla on erilainen, mikä tarkoittaa, että maapallon eri osat saavat eri lämpöä. Päiväntasaajalla auringonsäteet putoavat pystysuoraan ja ne lämmittävät maapalloa suuresti.Mitä kauempana päiväntasaajasta, säteen tulokulma pienenee, ja tämän seurauksena nämä alueet saavat vähemmän lämpöä. Sama auringon säteilytehosäde lämmittää paljon pienemmän alueen päiväntasaajan lähellä, koska se putoaa pystysuoraan. Lisäksi päiväntasaajaa pienemmässä kulmassa putoavat, ilmakehään tunkeutuvat säteet kulkevat siinä pidemmän matkan, minkä seurauksena osa auringonsäteistä on hajallaan troposfäärissä eivätkä saavuta maan pintaa. Kaikki tämä osoittaa, että kun siirryt päiväntasaajalta pohjoiseen tai etelään, ilman lämpötila laskee, kun auringonsäteen tulokulma pienenee.
Maan pinnan kuumenemisasteeseen vaikuttaa myös se, että maapallon akseli on vinossa kiertoradan tasoon nähden, jota pitkin maapallo tekee täyden kierroksen Auringon ympäri, 66,5° kulmassa ja on aina suunnattu pohjoispää kohti napatähteä.
Kuvittele, että Maan, joka liikkuu Auringon ympäri, Maan akseli on kohtisuorassa kiertoradan tasoon nähden. Silloin eri leveysasteilla oleva pinta saisi tasaisen lämpömäärän ympäri vuoden, auringonsäteen tulokulma olisi koko ajan vakio, päivä olisi aina yhtä suuri kuin yö, vuodenaikojen vaihtelua ei olisi. Päiväntasaajalla nämä olosuhteet poikkeaisivat vähän nykyisestä. Maan akselin kaltevuus vaikuttaa merkittävästi maan pinnan lämpenemiseen ja siten koko ilmastoon juuri lauhkeilla leveysasteilla.
Vuoden aikana eli Maan täydellisen kierroksen aikana Auringon ympäri neljä päivää ovat erityisen huomionarvoisia: 21. maaliskuuta, 23. syyskuuta, 22. kesäkuuta, 22. joulukuuta.
Trooppiset ja napaympyrät jakavat Maan pinnan vyöhykkeiksi, jotka eroavat toisistaan auringon valaistuksen ja Auringosta tulevan lämmön määrän suhteen. Valaistusvyöhykkeitä on 5: pohjoinen ja eteläinen napa-alue, jotka saavat vähän valoa ja lämpöä, trooppinen vyöhyke, jossa on kuuma ilmasto sekä pohjoinen ja eteläinen lauhkea vyöhyke, jotka saavat enemmän valoa ja lämpöä kuin napa-alueet, mutta vähemmän kuin napaalueet. trooppiset.
Joten johtopäätöksenä voimme tehdä yleisen johtopäätöksen: maan pinnan epätasainen lämmitys ja valaistus liittyvät maapallomme pallomaisuuteen ja maan akselin kalteluun jopa 66,5 ° Auringon ympäri kiertävään kiertoradalle.
Lämmön kerääntyminen kuumaan kiveen, betoniin, kiviin jne.
Veden lämpökapasiteetti on yksi suurimmista - 4,2 J / cm3 * K, kun taas betonilla on vain kolmasosa tästä arvosta. Betoni sen sijaan voidaan lämmittää paljon korkeampiin 1200C lämpötiloihin esimerkiksi sähkölämmityksellä ja siten sen kokonaiskapasiteetti on paljon suurempi. Alla olevan esimerkin mukaisesti noin 2,8 m:n eristetty kuutio voi tuottaa tarpeeksi varastolämpöä yhdelle kodille kattamaan 50 % lämmitystarpeesta. Periaatteessa tätä voitaisiin käyttää ylimääräisen tuuli- tai aurinkosähkön lämpöenergian varastoimiseen, koska sähkölämmitys pystyy saavuttamaan korkeita lämpötiloja.
Maakuntatasolla Wiggenhausen-Süd-hanke Saksan Friedrichshafenin kaupungissa herätti kansainvälistä huomiota. Tämä on 12 000 m3 (420 000 kuutiojalkaa) teräsbetonilämpövarasto, joka on yhdistetty 4 300 m2:iin (46 000 neliömetriä).
ft.), joka kattaa puolet 570 kodin kuuman veden ja lämmityksen tarpeesta. Siemens rakentaa Hampurin lähelle 36 MWh:n lämpövarastoa, joka koostuu 600 asteeseen lämmitetystä basaltista ja tuottaa 1,5 MW tehoa. Tanskalaiseen Sorøn kaupunkiin suunnitellaan rakentamaan vastaavaa järjestelmää, jossa 18 MWh:n kapasiteetin varastoidusta lämmöstä siirretään 41-58 % kaupungin kaukolämpöön ja 30-41 % sähköksi.
Kuinka laskea aurinkolämmityksen takaisinmaksukyky
Alla olevan taulukon avulla voit laskea, kuinka paljon lämmityskustannukset pienenevät aurinkokeräimiä käytettäessä, kuinka kauan tämä järjestelmä voi maksaa itsensä takaisin ja mitä hyötyä siitä voidaan saada eri käyttöjaksojen aikana. Tämä malli kehitettiin Primorsky Kraille, mutta sitä voidaan käyttää myös aurinkolämmityksen käytön arvioimiseen Habarovskin piirikunnassa, Amurin alueella, Sahalinissa, Kamtšatkassa ja Etelä-Siperiassa.Tällöin aurinkokeräimillä on vähemmän vaikutusta joulu-tammikuussa korkeammilla leveysasteilla, mutta kokonaishyöty ei ole vähäisempää, kun otetaan huomioon pidempi lämmityskausi.
Syötä ensimmäiseen taulukkoon talosi parametrit, lämmitysjärjestelmä ja energian hinnat. Kaikkia vihreiksi merkittyjä kenttiä voidaan muokata ja simuloida olemassa olevaa tai suunniteltua taloa.
Syötä ensin talosi lämmitetty alue ensimmäiseen sarakkeeseen.
Arvioi sitten rakennuksen lämmöneristyksen ja lämmitystavan laatu valitsemalla sopivat arvot.
Ilmoita perheenjäsenten lukumäärä ja kuuman veden kulutus - tämä auttaa arvioimaan aurinkokeräinten kuumavesihuollon etuja.
Syötä hinnat tavalliselle lämmitysenergian lähteelle - sähkölle, dieselille tai hiilelle.
Syötä taloudessasi lämmitystä tekevän perheenjäsenen tavanomaisten tulojen arvo. Tämä auttaa arvioimaan lämmityskauden työvoimakustannuksia ja on erityisen tärkeä rooli kiinteän polttoaineen järjestelmissä, joissa on tarpeen tuoda ja purkaa hiiltä, heittää uuniin, heittää pois tuhkaa jne.
Aurinkokeräinjärjestelmän hinta määräytyy automaattisesti määrittämiesi rakennuksen parametrien perusteella. Tämä hinta on likimääräinen - aurinkolämmityslaitteiden todelliset asennuskustannukset ja parametrit voivat vaihdella, ja asiantuntijat laskevat ne kussakin tapauksessa erikseen.
"Asennuskustannukset" -sarakkeeseen voit syöttää perinteisen lämmitysjärjestelmän - olemassa olevan tai suunnitellun - laitteiden ja asennuksen kustannukset.
Jos järjestelmä on jo asennettu, voit kirjoittaa "0".
Kiinnitä huomiota lämmityskauden kulujen määrään ja vertaa tavallisiin kuluihisi. Jos ne ovat erilaisia, yritä muuttaa asetuksia.
Sarakkeessa "Lämmityskulut kausia kohden" hiililämmitysjärjestelmät huomioivat työvoimakustannusten rahallisen arvon. Jos et halua ottaa niitä huomioon, voit alentaa lämmitykseen osallistuvan perheenjäsenen tulojen arvoa. Nestemäisten polttoainejärjestelmien työvoimakustannukset huomioidaan vähäisemmässä määrin, eikä niitä oteta huomioon sähkökattilajärjestelmissä. Aurinkokeräinten säätö tapahtuu automaattisesti, eikä se vaadi jatkuvaa huomiota.
"Elinikä" -sarakkeessa oletusarvo on 20 vuotta - tämä on aurinkokeräimillä varustettujen aurinkolämmitysjärjestelmien tavallinen käyttöikä. Käyttöolosuhteista riippuen aurinkokeräimet voivat kestää tätä pidempään. Voit muuttaa käyttöikää ja alla oleva kaavio näyttää eron asennus- ja ylläpitokustannusten välillä sekä aurinkokeräinten käytön edut lämmitykseen. Näin näet kuinka paljon lämmityskustannukset pienenevät ja kuinka kauan tämä ero mahdollistaa aurinkokeräinten asennuskulujen kattauksen.
Lopulliset tulokset ovat suuntaa antavia, mutta antavat hyvän käsityksen siitä, kuinka paljon aurinkolämmitysjärjestelmä voi maksaa ja kuinka kauan se maksaa itsensä takaisin.
Huomaathan, että lämmityskauden kustannuksia voidaan vähentää merkittävästi käyttämällä aurinkokeräimiä, lattialämmitysjärjestelmiä ja parantamalla rakennuksen lämmöneristystä. Myös lämmityskustannuksia voidaan alentaa, jos rakennus suunnitellaan etukäteen aurinkolämpöön ja ekotaloteknologioihin.
svetdv.ru
Mikä on aurinkolämpö
Muinaisista ajoista lähtien ihmiset ovat olleet hyvin tietoisia Auringon roolista elämässään. Melkein kaikissa kansoissa se toimi tärkeimpänä tai yhtenä pääjumalista, joka antoi elämän ja valon kaikelle elävälle. Nykyään ihmiskunnalla on paljon parempi käsitys siitä, mistä auringon lämpö tulee.
Tieteen näkökulmasta aurinkomme on keltainen tähti, joka on koko planeettajärjestelmämme valaisin.Se ammentaa energiansa ytimestä - valtavan kuumapallon keskiosasta, jossa tapahtuu käsittämättömän voimakkaita lämpöydinfuusioreaktioita miljoonissa asteissa mitattuna. Ytimen säde on korkeintaan neljäsosa Auringon kokonaissäteestä, mutta ytimessä syntyy säteilyenergiaa, josta pieni osa riittää ylläpitämään elämää planeetallamme.
Vapautunut energia tulee Auringon ulompiin kerroksiin konvektiivisen vyöhykkeen kautta ja saavuttaa fotosfäärin - tähden säteilevän pinnan. Fotosfäärin lämpötila lähestyy 6000 astetta, se muuntaa ja lähettää avaruuteen planeettamme vastaanottaman säteilyenergian. Itse asiassa elämme Auringon muodostavan tähtiplasman asteittaisen, hitaan palamisen vuoksi.
Auringon säteilyn spektrikoostumus
Aallonpituusväli 0,1-4 mikronia vastaa 99 % auringon säteilyn kokonaisenergiasta. Vain 1 % jää jäljelle säteilylle, jonka aallonpituus on lyhyempi ja pidempi, aina röntgensäteistä ja radioaalloista.
Näkyvällä valolla on kapea aallonpituusalue, vain 0,40 - 0,75 mikronia. Tämä aikaväli sisältää kuitenkin lähes puolet kaikesta auringon säteilyenergiasta (46 %). Lähes sama määrä (47 %) on infrapunasäteissä ja loput 7 % ultraviolettisäteilyssä.
Meteorologiassa on tapana erottaa lyhyt- ja pitkäaaltosäteily. Lyhytaaltosäteilyä kutsutaan säteilyksi aallonpituusalueella 0,1-4 mikronia. Se sisältää näkyvän valon lisäksi sitä aallonpituuksilla lähimpänä olevan ultravioletti- ja infrapunasäteilyn. Auringon säteily on 99 % tällaista lyhytaaltosäteilyä. Pitkäaaltosäteily sisältää maan pinnan ja ilmakehän säteilyn, jonka aallonpituudet ovat 4-100-120 mikronia.
Suoran auringonsäteilyn intensiteetti
Suoraan aurinkolevyltä maan pinnalle tulevaa säteilyä kutsutaan suoraksi auringon säteilyksi, toisin kuin ilmakehään hajallaan olevaa säteilyä. Auringon säteily leviää Auringosta kaikkiin suuntiin. Mutta etäisyys maasta aurinkoon on niin suuri, että suora säteily putoaa mille tahansa maan pinnalle rinnakkaisten säteiden säteen muodossa, joka lähtee ikään kuin äärettömyydestä. Jopa maapallo kokonaisuudessaan on niin pieni verrattuna etäisyyteen Auringosta, että kaikkea sille tulevaa auringonsäteilyä voidaan pitää rinnakkaisten säteiden säteenä ilman havaittavaa virhettä.
Auringon suoran säteilyn tulo maan pinnalle tai korkeammalle tasolle ilmakehässä on ominaista säteilyn voimakkuudella minä, eli säteilyenergian määrä, joka saapuu aikayksikköä (yksi minuutti) kohti pinta-alayksikköä (yksi neliösenttimetri) kohti kohtisuorassa auringonsäteitä vastaan.
Riisi. 1. Auringon säteilyn sisäänvirtaus pintaan kohtisuoraan säteitä vastaan (AB) ja vaakasuoralle pinnalle (AU).
On helppo ymmärtää, että yksikköpinta-ala, joka sijaitsee kohtisuorassa auringonsäteisiin nähden, saa suurimman mahdollisen määrän säteilyä tietyissä olosuhteissa. Vaaka-alan yksiköllä on pienempi määrä säteilyenergiaa:
I' = minä sinh
missä h on auringon korkeus (kuva 1).
Kaikki energiatyypit ovat keskenään samanarvoisia. Siksi säteilyenergia voidaan ilmaista minkä tahansa energian yksiköinä, esimerkiksi lämpö- tai mekaanisina. Se on luonnollista ilmaista lämpöyksiköissä, sillä mittauslaitteet perustuvat säteilyn lämpövaikutukseen: säteilyenergia, joka on lähes kokonaan absorboitunut laitteessa, muunnetaan lämmöksi, joka mitataan. Siten suoran auringon säteilyn intensiteetti ilmaistaan kaloreina neliösenttimetriä kohden minuutissa (cal/cm2min).
Sähköntuotanto
Aurinkoenergia toimii muuntamalla auringonvalon sähköksi.Tämä voi tapahtua joko suoraan, aurinkosähköä käyttämällä, tai epäsuorasti käyttämällä väkevöityjä aurinkoenergiajärjestelmiä, joissa linssit ja peilit keräävät auringonvaloa suurelta alueelta ohueksi säteeksi ja seurantamekanismi seuraa Auringon sijaintia. Aurinkosähkö muuttaa valon sähköksi valosähköilmiön avulla.
Aurinkoenergian ennustetaan olevan suurin sähkönlähde vuoteen 2050 mennessä, ja aurinkosähkön ja keskitetyn aurinkoenergian osuus maailmanlaajuisesta sähköntuotannosta on 16 % ja 11 %.
Keskitettyä aurinkoenergiaa käyttävät kaupalliset voimalaitokset ilmestyivät ensimmäisen kerran 1980-luvulla. Vuoden 1985 jälkeen tämän tyyppisestä 354 MW:n SEGS-laitteistosta Mojaven autiomaassa (Kalifornia) tuli maailman suurin aurinkovoimala. Muita tämän tyyppisiä aurinkovoimaloita ovat Solnova (150 MW) ja Andasol (100 MW), molemmat Espanjassa. Suurimpia aurinkovoimaloita (englanniksi) ovat Agua Caliente Solar Project (250 MW) Yhdysvalloissa ja Charanka Solar Park (221 MW) Intiassa. Yli 1 GW:n projekteja kehitetään, mutta suurin osa enintään 5 kW:n aurinkosähköasennuksista on pieniä ja katolla.Vuoteen 2013 mennessä aurinkoenergian osuus maailmanlaajuisen verkon sähköstä oli alle 1 %.
Auringon säteilyn tyypit
Ilmakehässä maan pinnalle matkalla oleva auringon säteily absorboituu osittain ja osittain sirontaan ja heijastuu pilviltä ja maan pinnalta. Ilmakehässä havaitaan kolmen tyyppistä auringonsäteilyä: suoraa, haja- ja kokonaissäteilyä.
Suora auringon säteily - säteily, joka tulee maan pinnalle suoraan auringon kiekolta. Auringon säteily leviää Auringosta kaikkiin suuntiin. Mutta etäisyys maasta aurinkoon on niin suuri, että suora säteily putoaa mille tahansa maan pinnalle rinnakkaisten säteiden säteen muodossa, joka lähtee ikään kuin äärettömyydestä. Jopa koko maapallo kokonaisuutena on niin pieni Auringon etäisyyteen verrattuna, että kaikkea siihen tulevaa auringonsäteilyä voidaan pitää rinnakkaisten säteiden säteenä ilman havaittavaa virhettä.
Vain suora säteily saavuttaa ilmakehän ylärajan. Noin 30 % Maan säteilystä heijastuu avaruuteen. Happi, typpi, otsoni, hiilidioksidi, vesihöyry (pilvet) ja aerosolihiukkaset imevät 23 % ilmakehän suorasta auringon säteilystä. Otsoni absorboi ultraviolettisäteilyä ja näkyvää säteilyä. Huolimatta siitä, että sen pitoisuus ilmassa on hyvin pieni, se absorboi kaiken ultraviolettisäteilyn (noin 3%)
Siten sitä ei havaita lainkaan maan pinnalla, mikä on erittäin tärkeää maapallon elämälle.
Ilmakehän läpi kulkeva suora auringonsäteily on myös hajallaan. Ilman hiukkanen (pisara, kide tai molekyyli), joka on sähkömagneettisen aallon tiellä, "poimii" jatkuvasti energiaa tulevasta aallosta ja säteilee sitä uudelleen kaikkiin suuntiin, jolloin siitä tulee energian säteilijä.
Noin 25 % ilmakehän läpi kulkevasta auringon kokonaissäteilyvirran energiasta hajoaa ilmakehän kaasumolekyylien ja aerosolin vaikutuksesta, ja se muuttuu ilmakehässä hajautetuksi auringon säteilyksi. Siten siroteltu auringon säteily on auringon säteilyä, joka on hajaantunut ilmakehään. Hajasäteilyä ei tule maan pinnalle aurinkolevyltä, vaan koko taivaanvahvuus. Sironnut säteily eroaa suorasta säteilystä spektrikoostumukseltaan, koska eri aallonpituuksilla olevat säteet ovat sironneet eriasteisesti.
Koska hajasäteilyn ensisijainen lähde on suora auringon säteily, hajasäteilyn vuo riippuu samoista tekijöistä, jotka vaikuttavat suoran säteilyn virtaan. Erityisesti sironneen säteilyn virtaus kasvaa Auringon korkeuden kasvaessa ja päinvastoin.Se kasvaa myös ilmakehän sirontahiukkasten määrän lisääntyessä, ts. ilmakehän läpinäkyvyyden pienentyessä ja merenpinnan yläpuolella olevan korkeuden myötä, koska ilmakehän päällä olevien kerrosten sirontahiukkasten määrä vähenee. Pilvisyys ja lumipeite vaikuttavat erittäin paljon hajasäteilyyn, joka niihin kohdistuvan suoran ja hajasäteilyn sironnan ja heijastumisen sekä ilmakehän uudelleensirontaisuuden vuoksi voi moninkertaistaa auringon hajasäteilyn.
Hajasäteily täydentää merkittävästi suoraa auringon säteilyä ja lisää merkittävästi aurinkoenergian virtausta maan pinnalle. Sen rooli on erityisen suuri talvella korkeilla leveysasteilla ja muilla pilvisyyden alueilla, joissa hajasäteilyn osuus voi olla suurempi kuin suoran säteilyn osuus. Esimerkiksi vuosittaisesta aurinkoenergian määrästä hajasäteilyn osuus on Arkangelissa 56 % ja Pietarissa 51 %.
Auringon kokonaissäteily on vaakasuoralle pinnalle saapuvan suoran ja hajasäteilyn virtojen summa. Ennen auringonnousua ja auringonlaskun jälkeen sekä jatkuvan pilvisyyden aikana kokonaissäteily on täysin ja Auringon matalilla korkeuksilla se koostuu pääasiassa hajasäteilystä. Pilvettömällä tai lievästi pilvisellä taivaalla Auringon korkeuden kasvaessa suoran säteilyn osuus kokonaiskoostumuksesta kasvaa nopeasti ja päiväsaikaan sen virta on monta kertaa suurempi kuin hajasäteilyn virta. Pilvisyys heikentää keskimäärin kokonaissäteilyä (20-30%), mutta osittaisella pilvisyydellä, joka ei peitä aurinkolevyä, sen virtaus voi olla suurempi kuin pilvettömällä taivaalla. Lumipeite lisää merkittävästi kokonaissäteilyvirtaa lisäämällä sironneen säteilyn virtaa.
Maan pinnalle tuleva kokonaissäteily absorboituu enimmäkseen ylempään maakerrokseen tai paksumpaan vesikerrokseen (absorboitu säteily) ja muuttuu lämmöksi ja osittain heijastuu (heijastettu säteily).
Lämpöhihnat
Maan pinnalle tulevan auringon säteilyn määrästä riippuen maapallolla erotetaan 7 lämpövyöhykettä: kuuma, kaksi kohtalaista, kaksi kylmää ja kaksi ikuisen pakkasen vyöhykettä. Termisten vyöhykkeiden rajat ovat isotermejä. Kuumaa vyöhykettä rajoittavat pohjoisesta ja etelästä +20°С vuotuiset keskimääräiset isotermit (kuva 9). Kuuman vyöhykkeen pohjois- ja eteläpuolella kahta lauhkeaa vyöhykettä rajoittaa päiväntasaajalta keskimääräinen vuotuinen isotermi, joka on +20 ° С, ja korkeiden leveysasteiden puolelta +10 ° С isotermi (ilman keskilämpötila lämpimimmät kuukaudet ovat heinäkuu pohjoisella ja tammikuu eteläisellä pallonpuoliskolla). Pohjoinen raja osuu suunnilleen metsän levinneisyyden rajan kanssa. Kaksi kylmää vyöhykettä pohjoisen ja eteläisen lauhkean vyöhykkeen pohjoisella ja eteläisellä pallonpuoliskolla sijaitsevat lämpimimmän kuukauden +10°C ja 0°C isotermien välillä. Kahta ikuisen roudan vyöhykettä rajoittaa kylmien vyöhykkeiden lämpimimmän kuukauden 0°C isotermi. Ikuisen lumen ja jään valtakunta ulottuu pohjois- ja etelänavalle.
Suoran auringonsäteilyn mittaustulokset
Ilmakehän läpinäkyvyyden pysyessä muuttumattomana suoran auringon säteilyn voimakkuus riippuu ilmakehän optisesta massasta eli viime kädessä auringon korkeudesta. Siksi päivän aikana auringon säteilyn tulee ensin lisääntyä nopeasti, sitten hitaammin auringonnoususta puoleenpäivään ja ensin hitaasti, sitten nopeasti laskea keskipäivästä auringonlaskuun.
Mutta ilmakehän läpinäkyvyys päivän aikana vaihtelee tietyissä rajoissa. Siksi päiväsaikaan säteilyn kulun käyrä, jopa täysin pilvettömänä päivänä, osoittaa joitakin epäsäännöllisyyksiä.
Keskipäivän säteilyvoimakkuuden erot johtuvat ensisijaisesti eroista auringon keskipäivän korkeudessa, joka on talvella pienempi kuin kesällä. Pienin intensiteetti lauhkeilla leveysasteilla tapahtuu joulukuussa, jolloin aurinko on alimmillaan. Mutta suurin intensiteetti ei ole kesäkuukausina, vaan keväällä.Tosiasia on, että keväällä ilma on vähiten kondensaatiotuotteiden sumeutta ja vähän pölyistä. Kesällä pölyytyminen lisääntyy ja myös ilmakehän vesihöyrypitoisuus kasvaa, mikä vähentää jonkin verran säteilyn voimakkuutta.
Suoran säteilyn enimmäisintensiteettiarvot joissakin kohdissa ovat seuraavat (cal/cm2min): Tiksi Bay 1.30, Pavlovsk 1.43, Irkutsk 1.47, Moskova 1.48, Kursk 1.51, Tbilisi 1.51, Vladivostok 1, 46, Tashkent 1.5
Näistä tiedoista voidaan nähdä, että säteilyintensiteetin maksimiarvot kasvavat hyvin vähän maantieteellisen leveysasteen pienentyessä auringon korkeuden noususta huolimatta. Tämä selittyy kosteuspitoisuuden nousulla ja osittain ilman pölyämisellä eteläisillä leveysasteilla. Päiväntasaajalla säteilyn maksimiarvot eivät ylitä paljoakaan lauhkean leveysasteen kesämaksimia. Subtrooppisten aavikoiden (Sahara) kuivassa ilmassa havaittiin kuitenkin arvoja jopa 1,58 cal/cm2 min.
Korkeudella merenpinnan yläpuolella säteilyn enimmäisarvot kasvavat ilmakehän optisen massan vähenemisen vuoksi samalla auringon korkeudella. Jokaista 100 metrin korkeutta kohden säteilyn intensiteetti troposfäärissä kasvaa 0,01-0,02 cal/cm2 min. Olemme jo sanoneet, että vuoristossa havaitut säteilyintensiteetin maksimiarvot saavuttavat 1,7 cal/cm2 min ja enemmän.