Proračun ravnog solarnog kolektora
Praksa pokazuje da je prosječno 900 W toplinske energije po kvadratnom metru površine postavljene okomito na svijetle sunčeve zrake (s nebom bez oblaka). SC ćemo izračunati na temelju modela s površinom od 1 m². Prednja strana je mat, crna (ima blizu 100% apsorpcije toplinske energije). Stražnja strana je izolirana slojem ekspandiranog polistirena od 10 cm. Potrebno je izračunati gubitke topline koji se javljaju na obrnutoj, sjenovitoj strani. Koeficijent toplinske izolacije ekspandiranog polistirena - 0,05 W / m × st. Znajući debljinu i uz pretpostavku da je temperaturna razlika na suprotnim stranama materijala unutar 50 stupnjeva, izračunavamo gubitak topline:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Približno isti gubici očekuju se od krajeva i cijevi, odnosno ukupna količina će biti 50 vata. Rijetko je nebo bez oblaka, a treba uzeti u obzir i utjecaj naslaga prljavštine na kolektor. Stoga ćemo smanjiti količinu toplinske energije po 1 m² na 800 W. Voda koja se koristi kao nosač topline u ravnim SC ima toplinski kapacitet od 4200 J/kg × deg ili 1,16 W/kg × deg. To znači da će za podizanje temperature jedne litre vode za jedan stupanj biti potrebno 1,16 W energije. S obzirom na ove izračune, dobivamo sljedeću vrijednost za naš model solarnog kolektora od 1 m² površine:
Radi praktičnosti zaokružujemo do 700 / kg × deg. Ovaj izraz označava količinu vode koja se može zagrijati u kolektoru (model od 1 m²) tijekom jednog sata. To ne uzima u obzir gubitak topline s prednje strane, koji će se povećavati kako se zagrijava. Ovi gubici će ograničiti zagrijavanje rashladne tekućine u solarnom kolektoru unutar 70-90 stupnjeva. S tim u vezi, vrijednost od 700 može se primijeniti na niske temperature (od 10 do 60 stupnjeva). Proračun solarnog kolektora pokazuje da sustav od 1 m² može zagrijati 10 litara vode za 70 stupnjeva, što je sasvim dovoljno da se kuća opskrbi toplom vodom. Vrijeme zagrijavanja vode možete smanjiti smanjenjem volumena solarnog kolektora uz zadržavanje njegove površine. Ako broj ljudi koji žive u kući zahtijeva veći volumen vode, potrebno je koristiti nekoliko kolektora ovog područja koji su spojeni u jedan sustav. Kako bi sunčeva svjetlost djelovala na radijator što učinkovitije, kolektor mora biti orijentiran pod kutom prema liniji horizonta jednakim geografskoj širini područja. O tome je već bilo riječi u članku Kako izračunati snagu solarnih panela, vrijedi isti princip. Za život jedne osobe potrebno je u prosjeku 50 litara tople vode. S obzirom da voda prije zagrijavanja ima temperaturu oko 10 °C, temperaturna razlika je 70 - 10 = 60 °C. Količina topline potrebna za zagrijavanje vode je sljedeća:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW energije.
Podijelimo W s količinom sunčeve energije po 1 m² površine na određenom području (podaci hidrometeoroloških centara), dobivamo kolektorsko područje. Proračun solarnog kolektora za grijanje provodi se na sličan način. Ali volumen vode (rashladne tekućine) je potreban više, što ovisi o volumenu grijane prostorije. Može se zaključiti da se poboljšanje učinkovitosti ovog tipa sustava grijanja vode može postići smanjenjem volumena i istovremenim povećanjem površine.
Tehnologije leda
Razvijaju se brojne tehnologije u kojima se led proizvodi tijekom razdoblja izvan špica i kasnije se koristi za hlađenje. Na primjer, klima uređaj se može učiniti ekonomičnijim korištenjem jeftine struje noću za zamrzavanje vode, a zatim korištenjem rashladne snage leda tijekom dana kako bi se smanjila količina energije potrebna za održavanje klimatizacije. Skladištenje toplinske energije pomoću leda koristi visoku toplinu fuzije vode. Povijesno gledano, led se transportirao s planina u gradove kako bi se koristio kao rashladno sredstvo. Jedna metrička (= 1 m3) tona vode može pohraniti 334 milijuna džula (J) ili 317 000 britanskih toplinskih jedinica (93 kWh).Relativno mala jedinica za skladištenje može pohraniti dovoljno leda za hlađenje velike zgrade za cijeli dan ili tjedan.
Osim što koristi led za izravno hlađenje, koristi se i u toplinskim pumpama koje napajaju sustave grijanja. U tim područjima, promjene faze energije stvaraju vrlo ozbiljan sloj koji provodi toplinu, blizu donjeg temperaturnog praga na kojem toplinska pumpa koja koristi toplinu vode može raditi. To omogućuje sustavu da podnese najveća opterećenja grijanja i povećava vrijeme u kojem elementi izvora energije mogu vratiti toplinu u sustav.
Endotermne i egzotermne kemijske reakcije
Tehnologija hidratacije soli
Primjer eksperimentalne tehnologije skladištenja energije koja se temelji na energiji kemijskih reakcija je tehnologija bazirana na hidratima soli. Sustav koristi energiju reakcije nastalu u slučaju hidratacije ili dehidracije soli. Djeluje tako da pohranjuje toplinu u spremnik koji sadrži 50% otopinu natrijevog hidroksida. Toplina (na primjer, dobivena iz solarnog kolektora) pohranjuje se zbog isparavanja vode tijekom endotermne reakcije. Kad se voda ponovno doda, toplina se oslobađa tijekom egzotermne reakcije na 50C (120F). Trenutno sustavi rade s učinkovitošću od 60%. Sustav je posebno učinkovit za sezonsko skladištenje toplinske energije, jer se sušena sol može dugo čuvati na sobnoj temperaturi bez gubitka energije. Spremnici s dehidriranom soli mogu se čak transportirati na različita mjesta. Sustav ima veću gustoću energije od topline pohranjene u vodi, a njegov kapacitet omogućuje skladištenje energije nekoliko mjeseci ili čak godina.
U 2013. godini nizozemski razvojnik tehnologije TNO predstavio je rezultate projekta MERITS za pohranjivanje topline u posudi za sol. Toplina koja se može isporučiti iz solarnog kolektora do ravnog krova isparava vodu sadržanu u soli. Kad se voda ponovno doda, toplina se oslobađa gotovo bez gubitka energije. Spremnik s nekoliko kubičnih metara soli može pohraniti dovoljno termokemijske energije za grijanje kuće tijekom cijele zime. Uz temperature kao u Nizozemskoj, prosječna farma otporna na toplinu zahtijevat će oko 6,7 GJ energije tijekom zime. Za pohranu toliko energije u vodi (s temperaturnom razlikom od 70C) potrebno je 23 m3 vode u izoliranom spremniku, što je više nego što većina domova može pohraniti. Uz korištenje tehnologije hidrata soli s gustoćom energije od oko 1 GJ/m3, bilo bi dovoljno 4-8 m3.
Od 2016. istraživači iz nekoliko zemalja provode eksperimente kako bi odredili najbolju vrstu soli ili mješavine soli. Čini se da je nizak tlak unutar spremnika najbolji za prijenos snage. Posebno obećavaju organske soli, takozvane "ionske tekućine". U usporedbi s litij-halogenim sorbentima, uzrokuju mnogo manje problema u okruženjima s ograničenim resursima, a u usporedbi s većinom halogenida i natrijevog hidroksida, manje su kaustični i nemaju negativan utjecaj kroz emisije ugljičnog dioksida.
Molekularne kemijske veze
Trenutno se istražuje mogućnost pohranjivanja energije u molekularne kemijske veze. Gustoća energije ekvivalentna litij-ionskim baterijama već je postignuta.
Raspodjela zračenja na granici atmosfere
Za klimatologiju je pitanje distribucije dotoka i povrata radijacije preko zemaljske kugle od značajnog interesa. Razmotrimo najprije raspodjelu sunčevog zračenja na horizontalnoj površini "na granici atmosfere". Moglo bi se reći i: "u nedostatku atmosfere". Time pretpostavljamo da ne postoji niti apsorpcija niti raspršivanje zračenja, niti njegova refleksija od oblaka. Raspodjela sunčevog zračenja na granici atmosfere je najjednostavnija.Doista postoji na visini od nekoliko desetaka kilometara. Ova distribucija naziva se solarna klima.
Poznato je kako se sunčeva konstanta mijenja tijekom godine i, posljedično, količina zračenja koja dolazi na Zemlju. Odredimo li solarnu konstantu za stvarnu udaljenost Zemlje od Sunca, tada s prosječnom godišnjom vrijednošću od 1,98 cal/cm2 min. bit će jednak 2,05 cal/cm2 min. u siječnju i 1,91 cal/cm2 min. u srpnju.
Stoga sjeverna hemisfera tijekom ljetnog dana prima nešto manje zračenja na granici atmosfere nego južna hemisfera tijekom svog ljetnog dana.
Količina zračenja primljena dnevno na granici atmosfere ovisi o dobu godine i geografskoj širini mjesta. Pod svakom zemljopisnom širinom, godišnje doba određuje trajanje dotoka zračenja. Ali pod različitim geografskim širinama, trajanje dnevnog dijela dana u isto vrijeme je različito.
Na Polu sunce ljeti uopće ne zalazi, a zimi ne izlazi 6 mjeseci. Između pola i arktičkog kruga sunce ljeti ne zalazi, a zimi ne izlazi u razdoblju od šest mjeseci do jednog dana. Na ekvatoru dan uvijek traje 12 sati. Od arktičkog kruga do ekvatora, dnevni sati se smanjuju ljeti, a povećavaju zimi.
Ali dotok sunčevog zračenja na horizontalnu površinu ne ovisi samo o duljini dana, već i o visini sunca. Količina zračenja koja dolazi na granicu atmosfere po jedinici vodoravne površine proporcionalna je sinusu visine Sunca. A visina sunca ne samo da se mijenja na svakom mjestu tijekom dana, već ovisi i o dobu godine. Visina sunca na ekvatoru varira tijekom cijele godine od 90 do 66,5°, u tropima od 90 do 43°, u polarnim krugovima od 47 do 0° i na polovima od 23,5 do 0°.
Sferičnost Zemlje i nagib ekvatorijalne ravnine prema ravnini ekliptike stvaraju složenu raspodjelu dotoka zračenja po geografskim širinama na granici atmosfere i njezine promjene tijekom godine.
Zimi se dotok zračenja vrlo brzo smanjuje od ekvatora do pola, ljeti se smanjuje puno sporije. U ovom slučaju, maksimum ljeti se opaža u tropima, a dotok zračenja nešto se smanjuje od tropa prema ekvatoru. Mala razlika u dotoku zračenja između tropskih i polarnih širina ljeti objašnjava se činjenicom da iako su visine sunca u polarnim širinama ljeti niže nego u tropima, duljina dana je duga. Na dan ljetnog solsticija, dakle, u nedostatku atmosfere, pol bi primao više zračenja nego ekvator. Međutim, u blizini zemljine površine, kao posljedica slabljenja zračenja atmosferom, njegovog odbijanja od oblaka itd., ljetni je priljev zračenja u polarnim širinama znatno manji nego u nižim širinama.
Na gornjoj granici atmosfere izvan tropa postoji jedan godišnji maksimum zračenja u vrijeme ljetnog solsticija i jedan minimum u vrijeme zimskog solsticija. Ali između tropskih krajeva, dotok radijacije ima dva maksimuma godišnje, što se može pripisati onim vremenima kada sunce dosegne najveću podnevnu visinu. Na ekvatoru će to biti u dane ekvinocija, u drugim intratropskim širinama - nakon proljetnog i prije jesenskog ekvinocija, udaljavajući se od vremena ekvinocija, što je širina veća. Amplituda godišnje varijacije na ekvatoru je mala, unutar tropa je mala; u umjerenim i visokim geografskim širinama mnogo je veći.
Raspodjela topline i svjetlosti na Zemlji
Sunce je zvijezda Sunčevog sustava, koji je izvor ogromne količine topline i zasljepljujuće svjetlosti za planet Zemlju. Unatoč činjenici da je Sunce na znatnoj udaljenosti od nas i samo mali dio njegovog zračenja dopire do nas, to je sasvim dovoljno za razvoj života na Zemlji. Naš planet se okreće oko Sunca u orbiti. Ako se Zemlja tijekom godine promatra iz svemirske letjelice, onda se može primijetiti da Sunce uvijek obasjava samo jednu polovicu Zemlje, dakle, tamo će biti dan, a u to vrijeme će biti noć na suprotnoj polovici. Zemljina površina prima toplinu samo tijekom dana.
Naša se Zemlja neravnomjerno zagrijava. Neravnomjerno zagrijavanje Zemlje objašnjava se njezinim sfernim oblikom, pa je kut upada sunčeve zrake u različitim područjima različit, što znači da različiti dijelovi Zemlje primaju različite količine topline. Na ekvatoru sunčeve zrake padaju okomito, te snažno zagrijavaju Zemlju.Što je dalje od ekvatora, kut upada snopa postaje manji, a posljedično, ta područja primaju manje topline. Isti snop sunčevog zračenja zagrijava mnogo manje područje u blizini ekvatora, budući da pada okomito. Osim toga, zrake koje padaju pod manjim kutom nego na ekvatoru, prodiru u atmosferu, putuju u njoj dužom putanjom, uslijed čega se dio sunčevih zraka raspršuje u troposferi i ne dopire do zemljine površine. Sve to ukazuje da se udaljavanjem od ekvatora prema sjeveru ili jugu temperatura zraka smanjuje, jer se kut upada sunčeve zrake smanjuje.
Na stupanj zagrijavanja zemljine površine utječe i činjenica da je Zemljina os nagnuta prema ravnini orbite, duž koje se Zemlja okreće oko Sunca, pod kutom od 66,5° i uvijek je usmjerena sjeverni kraj prema Polarnoj zvijezdi.
Zamislite da Zemlja, krećući se oko Sunca, ima Zemljinu os okomitu na ravninu orbite rotacije. Tada bi površina na različitim geografskim širinama primala konstantnu količinu topline tijekom cijele godine, kut upada sunčeve zrake bio bi konstantan cijelo vrijeme, dan bi uvijek bio jednak noći, ne bi bilo promjene godišnjih doba. Na ekvatoru bi se ti uvjeti malo razlikovali od sadašnjih. Nagib zemljine osi značajno utječe na zagrijavanje zemljine površine, a time i na cjelokupnu klimu, upravo u umjerenim geografskim širinama.
Tijekom godine, odnosno tijekom potpunog okretanja Zemlje oko Sunca, posebno se izdvajaju četiri dana: 21. ožujka, 23. rujna, 22. lipnja, 22. prosinca.
Tropi i polarni krugovi dijele Zemljinu površinu na pojaseve koji se razlikuju po sunčevom osvjetljenju i količini topline primljene od Sunca. Postoji 5 zona osvjetljenja: sjeverni i južni polarni pojas koji primaju malo svjetlosti i topline, tropski pojas s vrućom klimom i sjeverni i južni umjereni pojas koji primaju više svjetlosti i topline od polarnih, ali manje od one tropske.
Dakle, u zaključku, možemo izvući opći zaključak: neravnomjerno zagrijavanje i osvjetljenje zemljine površine povezani su sa sferičnosti naše Zemlje i s nagibom Zemljine osi do 66,5 ° prema orbiti rotacije oko Sunca.
Akumulacija topline u vrućim stijenama, betonu, šljunku itd.
Voda ima jedan od najvećih toplinskih kapaciteta - 4,2 J / cm3 * K, dok beton ima samo jednu trećinu ove vrijednosti. S druge strane, beton se može zagrijati na mnogo više temperature od 1200C npr. električnim grijanjem i time ima puno veći ukupni kapacitet. Slijedeći primjer u nastavku, izolirana kocka prečnika približno 2,8 m može osigurati dovoljno pohranjene topline za jedan dom da zadovolji 50% potražnje za grijanjem. U principu, ovo bi se moglo koristiti za pohranjivanje viška energije vjetra ili fotonaponske toplinske energije zbog sposobnosti električnog grijanja da postigne visoke temperature.
Na županijskoj razini projekt Wiggenhausen-Süd u njemačkom gradu Friedrichshafenu privukao je međunarodnu pozornost. Ovo je armiranobetonska jedinica za skladištenje topline od 12.000 m3 (420.000 cu.ft.) povezana s 4.300 m2 (46.000 četvornih metara).
stopa), pokriva polovicu potrebe za toplom vodom i grijanjem za 570 domova. Siemens gradi skladište topline u blizini Hamburga kapaciteta 36 MWh, koje se sastoji od bazalta zagrijanog na 600C i koji proizvodi 1,5 MW snage. Sličan sustav planira se izgraditi i u danskom gradu Sorøu, gdje će se 41-58% pohranjene topline kapaciteta 18 MWh prenositi na daljinsko grijanje grada, a 30-41% kao električna energija.
Kako izračunati povrat solarnog grijanja
Pomoću donje tablice možete izračunati koliko će vam se smanjiti troškovi grijanja korištenjem solarnih kolektora, koliko dugo se ovaj sustav može isplatiti i koje se prednosti mogu ostvariti u različitim periodima rada. Ovaj model je razvijen za Primorski kraj, ali se također može koristiti za procjenu korištenja solarnog grijanja u Habarovskom kraju, Amurskoj oblasti, Sahalinu, Kamčatki i južnom Sibiru.U tom će slučaju solarni kolektori imati manji učinak u prosincu-siječnju na višim geografskim širinama, ali ukupna korist neće biti ništa manja, s obzirom na dužu sezonu grijanja.
U prvu tablicu unesite parametre vaše kuće, sustava grijanja i cijene energije. Sva polja koja su označena zelenom mogu se modificirati i simulirati postojeću ili planiranu kuću.
Prvo unesite grijani prostor svoje kuće u prvom stupcu.
Zatim procijenite kvalitetu toplinske izolacije zgrade i način grijanja odabirom odgovarajućih vrijednosti.
Navedite broj članova obitelji i potrošnju tople vode - to će pomoći da se procijene prednosti opskrbe toplom vodom solarnih kolektora.
Unesite cijene za svoj uobičajeni izvor energije za grijanje - struju, dizel ili ugljen.
Unesite vrijednost uobičajenog prihoda člana obitelji koji se bavi grijanjem u vašem kućanstvu. To pomaže u procjeni troškova rada za sezonu grijanja i ima posebno važnu ulogu za sustave na kruta goriva, gdje je potrebno dovoziti i istovariti ugljen, bacati ga u peć, bacati pepeo itd.
Cijena solarnog kolektorskog sustava bit će određena automatski, na temelju parametara zgrade koje odredite. Ova cijena je približna - stvarni troškovi ugradnje i parametri opreme za solarno grijanje mogu se razlikovati i izračunavaju ih stručnjaci pojedinačno za svaki slučaj.
U stupac "Troškovi instalacije" možete unijeti cijenu opreme i ugradnje tradicionalnog sustava grijanja - postojećeg ili planiranog
Ako je sustav već instaliran, možete unijeti "0".
Obratite pažnju na iznos troškova za sezonu grijanja i usporedite s vašim uobičajenim troškovima. Ako se razlikuju, pokušajte promijeniti postavke.
U stupcu “Troškovi grijanja po sezoni” sustavi grijanja na ugljen uzimaju u obzir novčanu vrijednost troškova rada. Ako ih ne želite uzeti u obzir, možete smanjiti vrijednost prihoda člana obitelji koji se bavi grijanjem. Troškovi rada se u manjoj mjeri smatraju za sustave na tekuće gorivo i ne uzimaju se u obzir za električne kotlovske sustave. Podešavanje solarnih kolektora vrši se automatski i ne zahtijeva stalnu pažnju.
U stupcu "Životni vijek" zadana vrijednost je 20 godina - to je uobičajeni vijek trajanja solarnih sustava grijanja sa solarnim kolektorima. Ovisno o uvjetima rada, solarni kolektori mogu trajati dulje od tog razdoblja. Možete promijeniti vijek trajanja, a grafikon u nastavku odražavat će razliku između troškova instalacije i održavanja te prednosti korištenja solarnih kolektora za grijanje. Tako ćete vidjeti koliko će se smanjiti troškovi grijanja i koliko dugo će ta razlika omogućiti nadoknađivanje troškova ugradnje solarnih kolektora.
Konačni rezultati su približni, ali daju dobru predodžbu o tome koliko solarni sustav grijanja može koštati i koliko dugo može sam sebe isplatiti.
Napominjemo da se troškovi sezone grijanja mogu značajno smanjiti korištenjem solarnih kolektora, sustava podnog grijanja i poboljšanjem toplinske izolacije zgrade. Također, troškovi grijanja mogu se smanjiti ako je zgrada unaprijed projektirana za korištenje solarnog grijanja i korištenje tehnologija eko-kuće.
svetdv.ru
Što je sunčeva toplina
Od davnina ljudi su bili svjesni uloge Sunca u njihovim životima. U gotovo svim narodima djelovao je kao glavno ili jedno od glavnih božanstava, dajući život i svjetlost svemu živom. Danas čovječanstvo ima puno bolju ideju o tome odakle dolazi sunčeva toplina.
Sa stajališta znanosti, naše Sunce je žuta zvijezda, koja je svjetiljka za cijeli naš planetarni sustav.Energiju crpi iz jezgre – središnjeg dijela ogromne vruće kugle, gdje se odvijaju reakcije termonuklearne fuzije nezamislive snage na temperaturi mjerenoj u milijunima stupnjeva. Polumjer jezgre nije veći od četvrtine ukupnog radijusa Sunca, ali u jezgri se stvara energija zračenja, čiji je mali dio dovoljan za održavanje života na našem planetu.
Oslobođena energija kroz konvektivnu zonu ulazi u vanjske slojeve Sunca i dospijeva do fotosfere – zračeće površine zvijezde. Temperatura fotosfere približava se 6000 stupnjeva, ona pretvara i emitira u svemir energiju zračenja koju prima naš planet. Zapravo, živimo zbog postupnog, sporog izgaranja zvjezdane plazme koja čini Sunce.
Spektralni sastav sunčevog zračenja
Interval valnih duljina između 0,1 i 4 mikrona čini 99% ukupne energije sunčevog zračenja. Ostaje samo 1% za zračenje kraćih i dužih valnih duljina, sve do rendgenskih zraka i radio valova.
Vidljiva svjetlost zauzima uski raspon valnih duljina, samo od 0,40 do 0,75 mikrona. Međutim, ovaj interval sadrži gotovo polovicu ukupne sunčeve energije zračenja (46%). Gotovo isti iznos (47%) nalazi se u infracrvenim zrakama, a preostalih 7% u ultraljubičastim.
U meteorologiji je uobičajeno razlikovati kratkovalno i dugovalno zračenje. Kratkovalno zračenje naziva se zračenje u rasponu valnih duljina od 0,1 do 4 mikrona. Uključuje, osim vidljive svjetlosti, ultraljubičasto i infracrveno zračenje najbliže njemu u valnim duljinama. Sunčevo zračenje je 99% takvog kratkovalnog zračenja. Dugovalno zračenje uključuje zračenje zemljine površine i atmosfere valnih duljina od 4 do 100-120 mikrona.
Intenzitet izravnog sunčevog zračenja
Zračenje koje dolazi na Zemljinu površinu izravno iz solarnog diska naziva se izravnim sunčevim zračenjem, za razliku od zračenja raspršenog u atmosferi. Sunčevo zračenje širi se od Sunca u svim smjerovima. Ali udaljenost od Zemlje do Sunca je tolika da izravno zračenje pada na bilo koju površinu na Zemlji u obliku snopa paralelnih zraka koje izviru, takoreći, iz beskonačnosti. Čak je i globus u cjelini toliko mali u usporedbi s udaljenosti od Sunca da se svo sunčevo zračenje koje pada na njega može smatrati snopom paralelnih zraka bez primjetne greške.
Dotok izravnog sunčevog zračenja na površinu zemlje ili na bilo koju višu razinu u atmosferi karakterizira intenzitet zračenja ja, tj. količina energije zračenja koja ulazi u jedinici vremena (jedna minuta) po jedinici površine (jedan četvorni centimetar) okomito na sunčeve zrake.
Riža. 1. Dotok sunčevog zračenja na površinu okomitu na zrake (AB), i na vodoravnoj površini (AC).
Lako je razumjeti da će jedinica površine koja se nalazi okomito na sunčeve zrake primiti najveću moguću količinu zračenja u danim uvjetima. Jedinica horizontalne površine imat će manju količinu energije zračenja:
I' = ja sinh
gdje h je visina sunca (slika 1).
Sve vrste energije su međusobno ekvivalentne. Stoga se energija zračenja može izraziti u jedinicama bilo koje vrste energije, na primjer, u toplinskoj ili mehaničkoj. Prirodno je to izraziti u toplinskim jedinicama, jer se mjerni instrumenti temelje na toplinskom učinku zračenja: energija zračenja, gotovo potpuno apsorbirana u uređaju, pretvara se u toplinu koja se mjeri. Tako će se intenzitet izravnog sunčevog zračenja izraziti u kalorijama po kvadratnom centimetru u minuti (cal/cm2min).
Proizvodnja energije
Sunčeva energija djeluje pretvaranjem sunčeve svjetlosti u električnu energiju.To se može dogoditi ili izravno, pomoću fotonapona, ili neizravno, koristeći koncentrirane sustave solarne energije, u kojima leće i zrcala skupljaju sunčevu svjetlost s velikog područja u tanki snop, a mehanizam za praćenje prati položaj Sunca. Fotonapon pretvara svjetlost u električnu energiju pomoću fotoelektričnog efekta.
Predviđa se da će solarna energija postati najveći izvor električne energije do 2050. godine, pri čemu će fotonaponska energija i koncentrirana solarna energija činiti 16% odnosno 11% globalne proizvodnje električne energije.
Komercijalne elektrane koje koriste koncentriranu sunčevu energiju prvi put su se pojavile 1980-ih. Nakon 1985. godine, 354 MW SEGS instalacija ovog tipa u pustinji Mojave (Kalifornija) postala je najveća solarna elektrana na svijetu. Ostale solarne elektrane ovog tipa uključuju Solnova (150 MW) i Andasol (100 MW), obje u Španjolskoj. Među najvećim fotonaponskim elektranama (engleski) su Agua Caliente Solar Project (250 MW) u SAD-u i Charanka Solar Park (221 MW) u Indiji. Projekti preko 1 GW su u razvoju, ali većina fotonaponskih instalacija do 5 kW su male i na krovu. Od 2013. solarna energija činila je manje od 1% električne energije u globalnoj mreži.
Vrste sunčevog zračenja
U atmosferi se sunčevo zračenje na svom putu prema zemljinoj površini djelomično apsorbira, a dijelom raspršuje i odbija od oblaka i zemljine površine. U atmosferi se opažaju tri vrste sunčevog zračenja: izravno, difuzno i totalno.
Izravno sunčevo zračenje - zračenje koje dolazi na površinu zemlje izravno sa sunčevog diska. Sunčevo zračenje širi se od Sunca u svim smjerovima. Ali udaljenost od Zemlje do Sunca je tolika da izravno zračenje pada na bilo koju površinu na Zemlji u obliku snopa paralelnih zraka koje izviru, takoreći, iz beskonačnosti. Čak je i cijeli globus u cjelini toliko mali u usporedbi s udaljenosti do Sunca da se svo sunčevo zračenje koje pada na njega može smatrati snopom paralelnih zraka bez primjetne greške.
Samo izravno zračenje dopire do gornje granice atmosfere. Oko 30% zračenja koje upada na Zemlju reflektira se u svemir. Kisik, dušik, ozon, ugljični dioksid, vodena para (oblaci) i čestice aerosola apsorbiraju 23% izravnog sunčevog zračenja u atmosferi. Ozon apsorbira ultraljubičasto i vidljivo zračenje. Unatoč činjenici da je njegov sadržaj u zraku vrlo mali, apsorbira svo ultraljubičasto zračenje (oko 3%)
Dakle, uopće se ne opaža na površini zemlje, što je vrlo važno za život na Zemlji.
Izravno sunčevo zračenje na svom putu kroz atmosferu također se raspršuje. Čestica (kapljica, kristal ili molekula) zraka, koja se nalazi na putu elektromagnetskog vala, kontinuirano "izvlači" energiju iz upadnog vala i ponovno je zrači u svim smjerovima, postajući emiter energije.
Oko 25% energije ukupnog toka sunčevog zračenja koja prolazi kroz atmosferu raspršuju se atmosferskim plinskim molekulama i aerosolom te se u atmosferi pretvara u raspršeno sunčevo zračenje. Dakle, raspršeno sunčevo zračenje je sunčevo zračenje koje se raspršilo u atmosferi. Raspršeno zračenje na zemljinu površinu ne dolazi sa Sunčevog diska, već iz cijelog nebeskog svoda. Raspršeno zračenje razlikuje se od izravnog zračenja po svom spektralnom sastavu, budući da su zrake različitih valnih duljina raspršene u različitim stupnjevima.
Budući da je primarni izvor difuznog zračenja izravno sunčevo zračenje, tok difuznog zračenja ovisi o istim čimbenicima koji utječu na tok izravnog zračenja. Konkretno, tok raspršenog zračenja raste kako se povećava visina Sunca i obrnuto.Također se povećava s povećanjem broja raspršenih čestica u atmosferi, t.j. sa smanjenjem prozirnosti atmosfere, a opada s visinom iznad razine mora zbog smanjenja broja raspršenih čestica u gornjim slojevima atmosfere. Oblačnost i snježni pokrivač imaju vrlo velik utjecaj na difuzno zračenje, koje zbog raspršivanja i refleksije izravnog i difuznog zračenja koje na njih upada i njihovog ponovnog raspršivanja u atmosferi, može povećati difuzno sunčevo zračenje za nekoliko puta.
Raspršeno zračenje značajno nadopunjuje izravno sunčevo zračenje i značajno povećava protok sunčeve energije na zemljinu površinu. Njegova je uloga osobito velika zimi na visokim geografskim širinama iu drugim područjima s velikom naoblakom, gdje udio difuznog zračenja može premašiti udio izravnog zračenja. Na primjer, u godišnjoj količini sunčeve energije, raspršeno zračenje čini 56% u Arkhangelsku i 51% u Sankt Peterburgu.
Ukupno sunčevo zračenje je zbroj tokova izravnog i difuznog zračenja koji dolazi na horizontalnu površinu. Prije izlaska i poslije zalaska sunca, kao i danju uz kontinuiranu naoblaku, ukupno zračenje je potpuno, a na malim visinama Sunca uglavnom se sastoji od raspršenog zračenja. Na nebu bez oblaka ili malo oblačnog, s povećanjem visine Sunca, udio izravnog zračenja u ukupnom sastavu brzo raste i danju je njegov tok višestruko veći od toka raspršenog zračenja. Oblačnost u prosjeku slabi ukupno zračenje (za 20-30%), međutim, s djelomičnom naoblakom koja ne prekriva solarni disk, njezin tok može biti veći nego kod neba bez oblaka. Snježni pokrivač značajno povećava tok ukupnog zračenja povećavajući tok raspršenog zračenja.
Ukupno zračenje, koje pada na površinu zemlje, najvećim dijelom apsorbira gornji sloj tla ili deblji sloj vode (apsorbirano zračenje) i pretvara se u toplinu, a djelomično se reflektira (reflektirano zračenje).
Termalni pojasevi
Ovisno o količini sunčevog zračenja koja ulazi na površinu Zemlje, na kugli zemaljskoj se razlikuje 7 toplinskih zona: vruće, dvije umjerene, dvije hladne i dvije zone vječnog mraza. Granice toplinskih zona su izoterme. Vrući pojas ograničen je prosječnim godišnjim izotermama od +20°C sa sjevera i juga (slika 9.). Dvije umjerene zone sjeverno i južno od vruće zone ograničene su sa strane ekvatora prosječnom godišnjom izotermom od +20 ° C, a sa strane visokih geografskih širina izotermom od +10 ° C (prosječna temperatura zraka najtopliji mjeseci je srpanj na sjevernoj i siječanj na južnoj hemisferi) . Sjeverna granica približno se poklapa s granicom rasprostranjenosti šuma. Dvije hladne zone sjeverno i južno od umjerenog pojasa na sjevernoj i južnoj hemisferi leže između +10°C i 0°C izoterme najtoplijeg mjeseca. Dva pojasa vječnog mraza omeđena su izotermom od 0°C najtoplijeg mjeseca od hladnih pojaseva. Carstvo vječnog snijega i leda prostire se na Sjeverni i Južni pol.
Rezultati mjerenja izravnog sunčevog zračenja
Uz nepromijenjenu prozirnost atmosfere, intenzitet izravnog sunčevog zračenja ovisi o optičkoj masi atmosfere, odnosno u konačnici o visini sunca. Stoga se tijekom dana Sunčevo zračenje mora najprije brzo povećavati, zatim sve sporije od izlaska do podneva, te najprije polako, a zatim brzo opadati od podneva do zalaska sunca.
No, prozirnost atmosfere tijekom dana varira u određenim granicama. Stoga krivulja dnevnog tijeka zračenja, čak i po danu potpuno bez oblaka, pokazuje neke nepravilnosti.
Razlike u intenzitetu zračenja u podne prvenstveno su posljedica razlika u podnevnoj visini Sunca, koja je zimi niža nego ljeti. Minimalni intenzitet u umjerenim geografskim širinama javlja se u prosincu, kada je sunce najniže. No, maksimalni intenzitet nije u ljetnim mjesecima, već u proljeće.Činjenica je da je u proljeće zrak najmanje zamućen produktima kondenzacije i malo prašnjav. Ljeti se povećava zaprašivanje, a povećava se i sadržaj vodene pare u atmosferi, što donekle smanjuje intenzitet zračenja.
Maksimalne vrijednosti izravnog intenziteta zračenja za neke točke su sljedeće (u kal/cm2min): Zaljev Tiksi 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moskva 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostok 1, 46, Taškent 1,52.
Iz ovih podataka se može vidjeti da maksimalne vrijednosti intenziteta zračenja vrlo malo rastu sa smanjenjem geografske širine, unatoč porastu visine sunca. To se objašnjava povećanjem sadržaja vlage, a dijelom i zaprašivanjem zraka u južnim geografskim širinama. Na ekvatoru maksimalne vrijednosti zračenja ne prelaze uvelike ljetne maksimume umjerenih širina. U suhom zraku suptropskih pustinja (Sahara), međutim, uočene su vrijednosti do 1,58 cal/cm2 min.
S visinom iznad razine mora, maksimalne vrijednosti zračenja rastu zbog smanjenja optičke mase atmosfere na istoj visini sunca. Za svakih 100 m nadmorske visine, intenzitet zračenja u troposferi raste za 0,01-0,02 cal/cm2 min. Već smo rekli da maksimalne vrijednosti intenziteta zračenja uočene u planinama dosežu 1,7 cal/cm2 min i više.