Lapos napkollektor számítása
A gyakorlat azt mutatja, hogy átlagosan 900 W hőenergia négyzetméterenként egy erős napfényre merőlegesen telepített felületre (felhőtlen égbolt mellett). Az SC-t egy 1 m² területű modell alapján számítjuk ki. Az elülső oldal matt, fekete (közel 100%-os hőenergia-elnyeléssel rendelkezik). A hátoldal 10 cm-es expandált polisztirol réteggel van szigetelve. Ki kell számítani a hátsó, árnyékos oldalon előforduló hőveszteségeket. Habosított polisztirol hőszigetelési együtthatója - 0,05 W / m × fok. A vastagság ismeretében és feltételezve, hogy az anyag ellentétes oldalán a hőmérséklet-különbség 50 fokon belül van, kiszámítjuk a hőveszteséget:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Körülbelül ugyanannyi veszteség várható a végeknél és a csöveknél is, vagyis a teljes mennyiség 50 watt lesz. Ritka a felhőtlen égbolt, és a szennyeződések kollektorra gyakorolt hatását is figyelembe kell venni. Ezért az 1 m²-enkénti hőenergia mennyiségét 800 W-ra csökkentjük. A lapos SC-kben hőhordozóként használt víz hőkapacitása 4200 J/kg × deg vagy 1,16 W/kg × deg. Ez azt jelenti, hogy egy liter víz hőmérsékletének egy fokkal emeléséhez 1,16 W energiára van szükség. Ezen számítások alapján 1 m² területű napkollektor modellünkre a következő értéket kapjuk:
A kényelem érdekében 700 / kg × fokig kerekítjük. Ez a kifejezés azt a vízmennyiséget jelöli, amelyet egy kollektorban (1 m²-es modell) egy órán keresztül fel lehet melegíteni. Ez nem veszi figyelembe az elülső oldal hőveszteségét, amely a felmelegedés során növekedni fog. Ezek a veszteségek 70-90 fokon belül korlátozzák a hűtőfolyadék felmelegedését a napkollektorban. Ebben a tekintetben a 700-as érték alacsony hőmérsékletre (10-60 fok) alkalmazható. A napkollektor számítása azt mutatja, hogy egy 1 m²-es rendszer 10 liter vizet 70 fokkal képes felmelegíteni, ami elég egy ház melegvízellátásához. Csökkentheti a vízmelegítés idejét, ha csökkenti a napkollektor térfogatát, miközben megtartja a területét. Ha a házban élők száma nagyobb vízmennyiséget igényel, akkor ennek a területnek több kollektorát kell használni, amelyeket egy rendszerbe kell kötni. Annak érdekében, hogy a napfény a lehető leghatékonyabban tudjon hatni a radiátorra, a kollektort a horizont szélességével megegyező szögben kell beállítani. Erről már szó esett a Hogyan számítsuk ki a napelemek teljesítményét című cikkben, ugyanez az elv érvényesül. Átlagosan 50 liter meleg vízre van szükség egy ember életének biztosításához. Tekintettel arra, hogy a melegítés előtt a víz hőmérséklete körülbelül 10 °C, a hőmérsékletkülönbség 70-10 = 60 °C. A víz melegítéséhez szükséges hőmennyiség a következő:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW energia.
A W-t elosztva az adott területen lévő 1 m² felületre jutó napenergia mennyiségével (hidrometeorológiai központok adatai), megkapjuk a kollektor területét. A fűtésre szolgáló napkollektor kiszámítása hasonló módon történik. De a víz (hűtőfolyadék) mennyiségére nagyobb szükség van, ami a fűtött helyiség térfogatától függ. Megállapítható, hogy az ilyen típusú vízmelegítő rendszerek hatékonyságának javítása a térfogat csökkentésével és egyidejűleg a terület növelésével érhető el.
Jégtechnológiák
Számos olyan technológiát fejlesztenek ki, ahol csúcsidőn kívül jeget állítanak elő, majd később hűtésre használják fel. Például a légkondicionálás gazdaságosabbá tehető, ha éjszaka olcsó áramot használnak a víz lefagyasztására, majd a jég hűtő erejét nappal a légkondicionálás fenntartásához szükséges energia mennyiségének csökkentésére. A hőenergia jéggel történő tárolása a víz magas olvadási hőjét használja fel. Történelmileg a jeget a hegyekből a városokba szállították, hogy hűtőfolyadékként használják fel. Egy metrikus (= 1 m3) tonna víz 334 millió joule-t (J) vagy 317 000 brit hőegységet (93 kWh) képes tárolni.Egy viszonylag kis tárolóegység elegendő jeget tárolhat egy nagy épület hűtéséhez egy egész napra vagy hétre.
Amellett, hogy jeget használnak közvetlen hűtésre, a fűtési rendszereket tápláló hőszivattyúkban is használják. Ezeken a területeken a fázisenergia-változások nagyon komoly hővezető réteget képeznek, közel ahhoz az alsó hőmérsékleti küszöbhöz, amelynél a víz hőjét használó hőszivattyú működhet. Ez lehetővé teszi a rendszer számára a legnehezebb fűtési terhelések kezelését, és megnöveli azt az időt, ameddig az energiaforrás elemek vissza tudnak juttatni a hőt a rendszerbe.
Endoterm és exoterm kémiai reakciók
Só-hidrát technológia
A kémiai reakciók energiáján alapuló kísérleti energiatárolási technológiára példa a sóhidrátokon alapuló technológia. A rendszer a sók hidratálása vagy dehidratálása esetén keletkező reakció energiáját használja fel. Úgy működik, hogy hőt tárol 50%-os nátrium-hidroxid oldatot tartalmazó tartályban. A hő (például egy napkollektorból nyert) az endoterm reakció során a víz elpárolgása miatt tárolódik. Amikor ismét vizet adunk hozzá, hő szabadul fel az exoterm reakció során 50°C-on (120F). Jelenleg a rendszerek 60%-os hatásfokkal működnek. A rendszer különösen hatékony a szezonális hőenergia-tárolásnál, mivel a szárított só szobahőmérsékleten hosszú ideig tárolható energiaveszteség nélkül. A dehidratált sót tartalmazó tartályok akár különböző helyekre is szállíthatók. A rendszer energiasűrűsége nagyobb, mint a vízben tárolt hő, kapacitása pedig lehetővé teszi több hónapig vagy akár évekig tartó energia tárolását.
2013-ban a holland technológiafejlesztő TNO bemutatta a MERITS projekt eredményeit a hő tárolására sótartályban. A napkollektorból a lapostetőre szállítható hő elpárologtatja a sóban lévő vizet. Amikor ismét vizet adunk hozzá, hő szabadul fel gyakorlatilag energiaveszteség nélkül. Egy néhány köbméter sót tartalmazó tartály elegendő hőkémiai energiát tárolhat egy ház fűtéséhez egész télen keresztül. Hollandiához hasonló hőmérséklet mellett egy átlagos hőtűrő gazdaság körülbelül 6,7 GJ energiát igényel a tél folyamán. Ennyi energia vízben tárolásához (70 C-os hőmérséklet-különbséggel) 23 m3 vízre lenne szükség egy szigetelt tartályban, ami több, mint amennyit a legtöbb otthon el tud tárolni. A mintegy 1 GJ/m3 energiasűrűségű sóhidrát technológia alkalmazásával 4-8 m3 is elegendő lenne.
2016-tól kezdve több ország kutatói végeznek kísérleteket a legjobb sótípus vagy sókeverék meghatározására. Úgy tűnik, hogy a tartályon belüli alacsony nyomás a legjobb az erőátvitelhez. Különösen ígéretesek a szerves sók, az úgynevezett "ionos folyadékok". A lítium-halogenid szorbensekhez képest jóval kevesebb problémát okoznak korlátozott erőforrásokkal rendelkező környezetben, és a legtöbb halogenidhez és nátrium-hidroxidhoz képest kevésbé maró hatásúak, és nincs negatív hatásuk a szén-dioxid-kibocsátáson keresztül.
Molekuláris kémiai kötések
Jelenleg az energia molekuláris kémiai kötésekben való tárolásának lehetőségét vizsgálják. A lítium-ion akkumulátorokkal egyenértékű energiasűrűséget már sikerült elérni.
A sugárzás eloszlása a légkör határán
A klimatológia szempontjából jelentős érdeklődésre tart számot a sugárzás beáramlásának és visszatérésének megoszlása a földgömbön. Tekintsük először a napsugárzás eloszlását egy vízszintes felületen "a légkör határán". Azt is mondhatnánk: „atmoszféra hiányában”. Ezzel azt feltételezzük, hogy nincs sem a sugárzás elnyelése, sem szóródása, sem a felhők általi visszaverődése. A napsugárzás eloszlása a légkör határán a legegyszerűbb.Valóban több tíz kilométeres magasságban létezik. Ezt az eloszlást szoláris klímának nevezik.
Ismeretes, hogy az év során hogyan változik a napállandó, és ennek következtében a Földre érkező sugárzás mennyisége. Ha a Föld Naptól való tényleges távolságára határozzuk meg a napállandót, akkor átlagosan 1,98 cal/cm2 min éves értékkel. ez egyenlő lesz 2,05 cal/cm2 min. januárban és 1,91 cal/cm2 min. júliusban.
Ezért az északi félteke egy nyári napon valamivel kevesebb sugárzást kap a légkör határán, mint a déli félteke a nyári napon.
A légkör határán naponta beérkező sugárzás mennyisége az évszaktól és a hely szélességi fokától függ. Minden szélességi fokon az évszak határozza meg a sugárzás beáramlásának időtartamát. De a különböző szélességi körökben a nap egyidejű részének időtartama eltérő.
A sarkon a nap nyáron egyáltalán nem megy le, télen 6 hónapig nem kel fel. A Sarkkör és az Északi-sarkkör között a nap nyáron nem megy le, és télen sem kel fel hat hónaptól egy napig tartó időszakban. Az Egyenlítőn a nappal mindig 12 óráig tart. Az Északi-sarkkörtől az Egyenlítőig a nappali órák száma nyáron csökken, télen pedig nő.
De a napsugárzás vízszintes felületre való beáramlása nemcsak a nap hosszától, hanem a nap magasságától is függ. Az egységnyi vízszintes felületre a légkör határára érkező sugárzás mennyisége arányos a Nap magasságának szinuszával. A nap magassága pedig nem csak az egyes helyeken változik napközben, hanem az évszaktól is függ. A Nap magassága az Egyenlítőnél az év során 90 és 66,5° között, a trópusokon 90 és 43° között, a sarki körökben 47 és 0° között, a sarkokon 23,5 és 0° között változik.
A Föld gömbszerűsége és az egyenlítői sík dőlése az ekliptika síkjához képest a sugárzás beáramlásának összetett eloszlását hozza létre a szélességi fokokon a légkör határán, és annak év közbeni változásait.
Télen nagyon gyorsan, nyáron sokkal lassabban csökken az egyenlítőtől a sark felé beáramló sugárzás. Ebben az esetben a nyári maximum a trópuson figyelhető meg, és a sugárzás beáramlása némileg csökken a trópusról az egyenlítő felé. A nyári trópusi és poláris szélességi körök beáramló sugárzásának csekély különbségét az magyarázza, hogy bár a nap magassága a sarki szélességeken nyáron alacsonyabb, mint a trópusokon, a nap hossza mégis hosszú. A nyári napforduló napján tehát légkör hiányában a pólus több sugárzást kapna, mint az Egyenlítő. A földfelszín közelében azonban a sugárzás légkör általi gyengülése, felhők általi visszaverődése stb. következtében a nyári sugárzás beáramlása a poláris szélességeken lényegesen kisebb, mint az alacsonyabb szélességeken.
A légkör felső határán a trópusokon kívül a nyári napforduló idején egy éves sugárzási maximum, a téli napforduló idején pedig egy minimum van. De a trópusok között a sugárzás beáramlásának évente két maximuma van, azoknak az időknek tulajdonítható, amikor a Nap eléri legmagasabb déli magasságát. Az Egyenlítőnél ez a napéjegyenlőség napjain lesz, más intratrópusi szélességeken - a tavaszi és az őszi napéjegyenlőség után, távolodva a napéjegyenlőségek időpontjától, annál nagyobb a szélesség. Az éves változás amplitúdója az egyenlítőnél kicsi, a trópusokon belül kicsi; mérsékelt és magas szélességi körökben sokkal nagyobb.
A hő és a fény eloszlása a Földön
A Nap a Naprendszer csillaga, amely hatalmas mennyiségű hő és vakító fény forrása a Föld bolygó számára. Annak ellenére, hogy a Nap jelentős távolságra van tőlünk, és sugárzásának csak kis része jut el hozzánk, ez teljesen elég a földi élet kialakulásához. Bolygónk egy pályán kering a Nap körül. Ha év közben űrhajóról figyeljük a Földet, akkor észrevehető, hogy a Nap mindig csak a Föld egyik felét világítja meg, ezért ott nappal lesz, ekkor pedig a másik felén éjszaka. A Föld felszíne csak nappal kap hőt.
Földünk egyenetlenül melegszik. A Föld egyenetlen felmelegedését a gömb alakja magyarázza, így a napsugárzás beesési szöge a különböző területeken eltérő, ami azt jelenti, hogy a Föld különböző részei eltérő mennyiségű hőt kapnak. Az Egyenlítőnél a napsugarak függőlegesen esnek, és erősen felmelegítik a Földet.Minél távolabb van az Egyenlítőtől, annál kisebb a sugár beesési szöge, következésképpen ezek a területek kevesebb hőt kapnak. Ugyanaz a teljesítménynyaláb a napsugárzás sokkal kisebb területet melegít fel az Egyenlítő közelében, mivel függőlegesen esik. Ráadásul az egyenlítőnél kisebb szögben beeső, a légkört áthatoló sugarak hosszabb utat tesznek meg benne, aminek következtében a napsugarak egy része a troposzférában szétszóródik és nem éri el a földfelszínt. Mindez azt jelzi, hogy az Egyenlítőtől északra vagy délre távolodva a levegő hőmérséklete csökken, ahogy a napsugár beesési szöge is csökken.
A földfelszín felmelegedési fokát az is befolyásolja, hogy a Föld tengelye a pálya síkjához képest hajlik, amely mentén a Föld teljes kört tesz a Nap körül, 66,5°-os szögben, és mindig a pálya iránya. az északi vége a Sarkcsillag felé.
Képzeljük el, hogy a Nap körül mozgó Földnek a Föld tengelye merőleges a forgási pálya síkjára. Ekkor a különböző szélességi körökön lévő felszín egész évben állandó hőmennyiséget kapna, a napsugár beesési szöge folyamatosan állandó lenne, a nappal mindig egyenlő lenne az éjszakával, nem lenne évszakváltás. Az Egyenlítőn ezek a feltételek alig térnének el a jelenlegitől. A Föld tengelyének hajlása jelentős hatással van a földfelszín melegedésére, így az egész éghajlatra, éppen a mérsékelt szélességi körökben.
Az év során, vagyis a Föld teljes Nap körüli forradalma alatt négy nap különösen figyelemre méltó: március 21., szeptember 23., június 22., december 22.
A trópusok és a sarki körök övekre osztják a Föld felszínét, amelyek a napfény megvilágításában és a Naptól kapott hőmennyiségben különböznek egymástól. 5 megvilágítási zóna van: az északi és déli sarki zóna, amely kevés fényt és hőt kap, a forró éghajlatú trópusi zóna, valamint az északi és déli mérsékelt zóna, amely több fényt és hőt kap, mint a sarki, de kevesebb, mint a trópusiak.
Összefoglalva tehát egy általános következtetést vonhatunk le: a Föld felszínének egyenetlen felmelegedése és megvilágítása Földünk gömbszerűségéhez és a Föld tengelyének a Nap körüli forgási pályához képesti 66,5°-os dőléséhez kapcsolódik.
Hőfelhalmozódás forró kőzetben, betonban, kavicsban stb.
A víz hőkapacitása az egyik legnagyobb - 4,2 J / cm3 * K, míg a beton ennek az értéknek csak egyharmada. Ezzel szemben a beton sokkal magasabb, 1200 C-os hőmérsékletre melegíthető fel például elektromos fűtéssel, és így sokkal nagyobb az összkapacitása. Az alábbi példát követve, egy körülbelül 2,8 m átmérőjű szigetelt kocka elegendő tárolt hőt biztosíthat egyetlen otthon számára a fűtési igény 50%-ának kielégítésére. Elvileg ezt fel lehetne használni a felesleges szél- vagy fotovoltaikus hőenergia tárolására, mivel az elektromos fűtés képes elérni a magas hőmérsékletet.
Megyei szinten nemzetközi figyelmet keltett a németországi Friedrichshafen városában a Wiggenhausen-Süd projekt. Ez egy 12 000 m3-es (420 000 cu.ft.) vasbeton hőtároló egység, amely egy 4 300 m2-es (46 000 nm)-hez kapcsolódik.
ft), 570 lakás melegvíz- és fűtésszükségletének felét fedezi. A Siemens Hamburg közelében 36 MWh kapacitású hőtárolót épít, amely 600 C-ra melegített bazaltból áll, és 1,5 MW teljesítményt termel. Hasonló rendszer kiépítését tervezik a dániai Sorø városában is, ahol a 18 MWh kapacitású tárolt hő 41-58%-a, 30-41%-a pedig villamos energiaként kerül átadásra a város távfűtésére.
Hogyan kell kiszámítani a szoláris fűtés megtérülését
Az alábbi táblázat segítségével kiszámolhatja, hogy mennyivel csökken a fűtési költsége napkollektorok használatakor, meddig tud megtérülni ez a rendszer, és milyen előnyök származnak a különböző működési időszakokban. Ezt a modellt a Primorsky Krai számára fejlesztették ki, de felhasználható a napenergia felhasználásának becslésére is Habarovszk körzetében, Amur megyében, Szahalinban, Kamcsatkában és Dél-Szibériában.Ebben az esetben a napkollektorok december-januárban kisebb hatást fejtenek ki a magasabb szélességi körökön, de a hosszabb fűtési szezon miatt összességében az előnyök sem lesznek kisebbek.
Az első táblázatban adja meg háza paramétereit, fűtési rendszerét és energiaárait. Minden zölddel jelölt mező módosítható, és szimulálhat egy meglévő vagy tervezett házat.
Először adja meg háza fűtött területét az első oszlopban.
Majd a megfelelő értékek kiválasztásával értékelje az épület hőszigetelésének minőségét és a fűtés módját.
Tüntesse fel a családtagok számát és a melegvíz-fogyasztást – ez segít felmérni a napkollektorok melegvízellátásának előnyeit.
Adja meg a szokásos fűtési energiaforrásának - villany, gázolaj vagy szén - árait.
Adja meg az Ön háztartásában fűtéssel foglalkozó családtag szokásos jövedelmének értékét. Ez segít a fűtési szezon munkaerőköltségének becslésében, és különösen fontos szerepet játszik a szilárd tüzelésű rendszerekben, ahol szükséges a szén be- és kirakodása, kemencébe dobása, hamu kidobása stb.
A napkollektoros rendszer ára automatikusan, az Ön által megadott épületparaméterek alapján kerül megállapításra. Ez az ár hozzávetőleges - a szoláris fűtőberendezések tényleges telepítési költségei és paraméterei eltérhetnek, és a szakemberek minden esetben egyedileg számítják ki.
A "Beépítési költségek" oszlopban megadhatja a hagyományos fűtési rendszer - meglévő vagy tervezett - felszerelésének és telepítésének költségét.
Ha a rendszer már telepítve van, akkor "0"-t írhat be.
Ügyeljen a fűtési szezon kiadásainak összegére, és hasonlítsa össze szokásos kiadásaival. Ha eltérnek, próbálja meg módosítani a beállításokat.
A „Fűtési költségek szezononként” oszlopban a széntüzelésű fűtési rendszerek a munkaerőköltségek pénzbeli értékét veszik figyelembe. Ha nem szeretné ezeket figyelembe venni, csökkentheti egy fűtéssel foglalkozó családtag jövedelmének értékét. A folyékony tüzelőanyag-rendszereknél kisebb mértékben veszik figyelembe a munkaerőköltségeket, az elektromos kazánrendszereknél pedig nem. A napkollektorok beállítása automatikusan történik, és nem igényel állandó figyelmet.
Az „Élettartam” oszlopban az alapértelmezett 20 év – ez a napkollektoros szolár fűtési rendszerek szokásos élettartama. Az üzemi körülményektől függően a napkollektorok ennél az időszaknál tovább is működhetnek. Módosíthatja az élettartamot, és az alábbi grafikon bemutatja a telepítési és karbantartási költségek közötti különbséget, valamint a napkollektorok fűtési használatának előnyeit. Így látni fogja, hogy mennyivel csökkennek a fűtési költségek, és ez a különbség meddig teszi lehetővé a napkollektorok telepítési költségeinek megtérülését.
A végeredmények hozzávetőlegesek, de jó képet adnak arról, hogy mennyibe kerülhet egy szoláris fűtési rendszer, és mennyi ideig képes megtérülni.
Felhívjuk figyelmét, hogy a fűtési szezon költségei jelentősen csökkenthetők napkollektorok, padlófűtési rendszerek alkalmazásával és az épület hőszigetelésének javításával. A fűtési költségek is csökkenthetők, ha az épületet előre tervezik napenergiával történő fűtésre és ökoház-technológiák alkalmazásával.
svetdv.ru
Mi az a naphő
Ősidők óta az emberek tisztában voltak a Nap szerepével az életükben. Szinte minden nemzetben a fő vagy az egyik fő istenségként működött, életet és fényt adott minden élőlénynek. Ma az emberiségnek sokkal jobb elképzelése van arról, honnan származik a nap hője.
Tudományos szempontból a Napunk egy sárga csillag, amely az egész bolygórendszerünk világítóteste.Energiáját a magból – egy hatalmas forró labda központi részéből – nyeri, ahol elképzelhetetlen erejű termonukleáris fúziós reakciók mennek végbe millió fokban mért hőmérsékleten. A mag sugara nem több, mint a Nap teljes sugarának egynegyede, de a magban keletkezik sugárzási energia, amelynek egy kis része elegendő ahhoz, hogy fenntartsa az életet bolygónkon.
A felszabaduló energia a konvektív zónán keresztül jut be a Nap külső rétegeibe, és eléri a fotoszférát - a csillag sugárzó felületét. A fotoszféra hőmérséklete megközelíti a 6000 fokot, ez az, amely átalakítja és kibocsátja az űrbe azt a sugárzási energiát, amelyet bolygónk kap. Valójában a Napot alkotó csillagplazma fokozatos, lassú égésének köszönhetjük.
A napsugárzás spektrális összetétele
A 0,1 és 4 mikron közötti hullámhossz-intervallum a napsugárzás teljes energiájának 99%-át teszi ki. Csak 1% marad a rövidebb és hosszabb hullámhosszú sugárzásnak, egészen a röntgen- és rádióhullámokig.
A látható fény egy szűk hullámhossz-tartományt foglal el, mindössze 0,40 és 0,75 mikron között. Ez az intervallum azonban az összes napsugárzási energia közel felét (46%) tartalmazza. Majdnem ugyanennyi (47%) az infravörös sugárzásban, a maradék 7% pedig az ultraibolya sugárzásban.
A meteorológiában szokás megkülönböztetni a rövidhullámú és a hosszúhullámú sugárzást. A rövidhullámú sugárzást 0,1 és 4 mikron közötti hullámhosszúságú sugárzásnak nevezzük. Ez magában foglalja a látható fényen kívül a hozzá legközelebb eső ultraibolya és infravörös sugárzást hullámhosszonként. A napsugárzás 99%-ban ilyen rövidhullámú sugárzás. A hosszúhullámú sugárzás magában foglalja a földfelszín és a légkör 4-100-120 mikron hullámhosszúságú sugárzását.
A közvetlen napsugárzás intenzitása
A napkorongról közvetlenül a Föld felszínére érkező sugárzást közvetlen napsugárzásnak nevezzük, ellentétben a légkörben szórt sugárzással. A Nap sugárzása minden irányba terjed. De a Föld és a Nap távolsága olyan nagy, hogy a közvetlen sugárzás a Föld bármely felületére párhuzamos sugarak nyalábjaként esik, amelyek mintegy a végtelenből áradnak ki. Még a földgömb egésze is olyan kicsi a Naptól való távolsághoz képest, hogy a rá eső összes napsugárzás észrevehető hiba nélkül párhuzamos sugarak nyalábjának tekinthető.
A közvetlen napsugárzásnak a földfelszínre vagy a légkör bármely magasabb szintjére való beáramlását a sugárzás intenzitása jellemzi. én, azaz a napsugarakra merőlegesen egységnyi területre (egy négyzetcentiméterre) időegység (egy perc) alatt belépő sugárzási energia mennyisége.
Rizs. 1. A napsugárzás beáramlása a felületre a sugarakra merőlegesen (AB), és vízszintes felületen (AC).
Könnyen megérthető, hogy a napsugárzásra merőlegesen elhelyezkedő egységnyi terület adott körülmények között a lehető legnagyobb mennyiségű sugárzást kapja. A vízszintes terület egységének kisebb a sugárzási energiája:
I' = én sinh
ahol h a nap magassága (1. ábra).
Minden energiafajta kölcsönösen egyenértékű. Ezért a sugárzási energia bármilyen energiafajtában kifejezhető, például hő- vagy mechanikai egységekben. Természetes, hogy hőmértékegységben fejezzük ki, mert a mérőműszerek a sugárzás hőhatásán alapulnak: a készülékben szinte teljesen elnyelt sugárzási energia hővé alakul, amit mérünk. Így a közvetlen napsugárzás intenzitása kalória per négyzetcentiméter per perc (cal/cm2min) egységben lesz kifejezve.
Energiatermelés
A napenergia úgy működik, hogy a napfényt elektromos árammá alakítja.Ez történhet közvetlenül, fotovoltaikával, vagy közvetve, koncentrált napenergia-rendszerekkel, amelyekben a lencsék és tükrök nagy területről gyűjtik össze a napfényt vékony sugárba, és egy nyomkövető mechanizmus követi a Nap helyzetét. A fotovoltaik a fényt villamos energiává alakítják a fotoelektromos hatás segítségével.
Az előrejelzések szerint 2050-re a napenergia lesz a legnagyobb villamosenergia-forrás, a fotovoltaikus és a koncentrált napenergia a globális villamosenergia-termelés 16%-át, illetve 11%-át teszi ki.
A koncentrált napenergiát használó kereskedelmi erőművek először az 1980-as években jelentek meg. 1985 után a Mojave-sivatagban (Kalifornia) egy ilyen típusú 354 MW-os SEGS létesítmény a világ legnagyobb naperőműve lett. További ilyen típusú naperőművek a Solnova (150 MW) és az Andasol (100 MW), mindkettő Spanyolországban. A legnagyobb fotovoltaikus erőművek közé tartozik (angolul) az Agua Caliente Solar Project (250 MW) az USA-ban és a Charanka Solar Park (221 MW) Indiában. Az 1 GW feletti projektek fejlesztés alatt állnak, de az 5 kW-ig terjedő fotovoltaikus berendezések többsége kicsi és a tetőn található. 2013-ban a napenergia a globális hálózat elektromos áramának kevesebb mint 1%-át tette ki.
A napsugárzás fajtái
A légkörben a Föld felszínére jutó napsugárzás részben elnyelődik, részben szétszóródik és visszaverődik a felhőkről és a földfelszínről. A légkörben háromféle napsugárzás figyelhető meg: közvetlen, diffúz és teljes.
Közvetlen napsugárzás - a Föld felszínére közvetlenül a napkorongból érkező sugárzás. A Nap sugárzása minden irányba terjed. De a Föld és a Nap távolsága olyan nagy, hogy a közvetlen sugárzás a Föld bármely felületére párhuzamos sugarak nyalábjaként esik, amelyek mintegy a végtelenből áradnak ki. Még az egész földgömb egésze is olyan kicsi a Nap távolságához képest, hogy minden ráeső napsugárzás észrevehető hiba nélkül párhuzamos sugarak nyalábjának tekinthető.
Csak a közvetlen sugárzás éri el a légkör felső határát. A Földet érő sugárzás mintegy 30%-a visszaverődik a világűrbe. Az oxigén, a nitrogén, az ózon, a szén-dioxid, a vízgőz (felhők) és az aeroszol részecskék elnyelik a légkörben lévő közvetlen napsugárzás 23%-át. Az ózon elnyeli az ultraibolya és a látható sugárzást. Annak ellenére, hogy a levegő tartalma nagyon kicsi, elnyeli az összes ultraibolya sugárzást (körülbelül 3%)
Így a Föld felszínén egyáltalán nem figyelhető meg, ami nagyon fontos a földi élet szempontjából.
A légkörön áthaladó közvetlen napsugárzás is szóródott. Az elektromágneses hullám útjába kerülő levegőrészecske (csepp, kristály vagy molekula) folyamatosan „kivonja” az energiát a beeső hullámból, és azt minden irányba visszasugározza, energiakibocsátóvá válik.
A légkörön áthaladó teljes napsugárzási fluxus energiájának körülbelül 25%-a a légköri gázmolekulák és az aeroszol hatására disszipálódik, és a légkörben szórt napsugárzássá alakul. Így a szórt napsugárzás olyan napsugárzás, amely a légkörben szóródott. A szórt sugárzás nem a napkorongról, hanem az egész égboltról érkezik a Föld felszínére. A szórt sugárzás spektrális összetételében különbözik a közvetlen sugárzástól, mivel a különböző hullámhosszú sugarak különböző mértékben szóródnak.
Mivel a diffúz sugárzás elsődleges forrása a közvetlen napsugárzás, a diffúz sugárzás fluxusa ugyanazoktól a tényezőktől függ, amelyek a közvetlen sugárzás fluxusát befolyásolják. Különösen a szórt sugárzás fluxusa növekszik a Nap magasságának növekedésével és fordítva.A légkörben lévő szóródó részecskék számának növekedésével is növekszik, i.e. a légkör átlátszóságának csökkenésével, és a tengerszint feletti magassággal csökken a légkör fedőrétegeiben lévő szóródó részecskék számának csökkenése miatt. A felhősödés és a hótakaró igen nagy befolyással van a diffúz sugárzásra, amely a rájuk eső direkt és diffúz sugárzás szórása, visszaverődése, illetve a légkörben való visszaszóródása miatt többszörösére növelheti a diffúz napsugárzást.
A szórt sugárzás jelentősen kiegészíti a közvetlen napsugárzást, és jelentősen megnöveli a napenergia áramlását a Föld felszínére. Szerepe különösen nagy télen a magas szélességi körökön és más, erősen felhős vidékeken, ahol a diffúz sugárzás aránya meghaladhatja a közvetlen sugárzás arányát. Például a napenergia éves mennyiségében a szórt sugárzás aránya Arhangelszkben 56%, Szentpéterváron pedig 51%.
A teljes napsugárzás a vízszintes felületre érkező közvetlen és diffúz sugárzás fluxusainak összege. Napkelte előtt és napnyugta után, valamint folyamatos felhős nappal a teljes sugárzás teljes, a Nap alacsony magasságában főként szórt sugárzásból áll. Felhőtlen vagy enyhén felhős égbolton, a Nap magasságának növekedésével a közvetlen sugárzás aránya a teljes összetételben gyorsan növekszik, és nappal a fluxusa sokszorosa a szórt sugárzás fluxusának. A felhősödés átlagosan gyengíti a teljes sugárzást (20-30%-kal), azonban a napkorongot nem fedő részleges felhőzetnél nagyobb lehet a fluxusa, mint a felhőtlen égbolton. A hótakaró jelentősen növeli a teljes sugárzás fluxusát a szórt sugárzás fluxusának növelésével.
A földfelszínre eső teljes sugárzást többnyire a talaj felső rétege vagy egy vastagabb vízréteg nyeli el (elnyelt sugárzás), és hővé alakul, részben visszaverődik (visszavert sugárzás).
Termikus övek
A Föld felszínére jutó napsugárzás mennyiségétől függően 7 termikus zónát különböztetnek meg a földgömbön: meleg, két mérsékelt, két hideg és két örök fagyzónát. A termikus zónák határai izotermák. A forró övet északról és délről átlagosan +20°С éves izotermák határolják (9. ábra). A forró zónától északra és délre két mérsékelt égövi zónát az egyenlítő felől az átlagos évi +20 ° С izoterma, a magas szélességi fokok oldaláról pedig +10 ° С izoterma korlátoz (a léghőmérséklet átlagosan a legmelegebb hónap az északi féltekén július, a déli féltekén pedig január). Az északi határ megközelítőleg egybeesik az erdőterjedés határával. A mérsékelt égövtől északra és délre található két hideg zóna az északi és a déli féltekén a legmelegebb hónap +10°C és 0°C izotermája között helyezkedik el. A két örökfagyövet a hideg övektől a legmelegebb hónap 0°C-os izotermája határolja. Az örök hó és jég birodalma az Északi- és a Déli-sarkig terjed.
Közvetlen napsugárzás mérési eredményei
Változatlan légköri átlátszóság mellett a közvetlen napsugárzás intenzitása a légkör optikai tömegétől, azaz végső soron a nap magasságától függ. Ezért napközben a napsugárzásnak először gyorsan kell növekednie, majd napkeltétől délig lassabban, és először lassan, majd gyorsan csökkennie kell déltől napnyugtáig.
De a légkör átlátszósága napközben bizonyos határok között változik. Ezért a sugárzás nappali lefolyásának görbéje még teljesen felhőtlen napon is mutat némi szabálytalanságot.
A déli sugárzási intenzitásbeli különbségek elsősorban a nap déli magasságának különbségeiből adódnak, amely télen alacsonyabb, mint nyáron. A mérsékelt övi szélességi körökben a minimális intenzitás decemberben következik be, amikor a nap a legalacsonyabb. De a maximális intenzitás nem a nyári hónapokban van, hanem tavasszal.A helyzet az, hogy tavasszal a levegőt a legkevésbé zavarja a kondenzátum, és kevés a por. Nyáron fokozódik a porosodás, és a légkör vízgőztartalma is megnő, ami némileg csökkenti a sugárzás intenzitását.
A maximális közvetlen sugárzási intenzitás értékei egyes pontokon a következők (cal/cm2min-ben): Tiksi-öböl 1,30, Pavlovszk 1,43, Irkutszk 1,47, Moszkva 1,48, Kurszk 1,51, Tbiliszi 1,51, Vlagyivosztok 1, 46, Taskent 1,5
Ezekből az adatokból látható, hogy a sugárzási intenzitás maximális értékei a földrajzi szélesség csökkenésével nagyon keveset nőnek, a Nap magasságának növekedése ellenére. Ez a nedvességtartalom növekedésével, részben a déli szélességi körökben a levegő porosodásával magyarázható. Az Egyenlítőn a sugárzás maximális értékei nem haladják meg nagymértékben a mérsékelt övi szélességi körök nyári maximumait. A szubtrópusi sivatagok (Szahara) száraz levegőjében viszont akár 1,58 cal/cm2 min értékeket is megfigyeltek.
A tengerszint feletti magassággal a sugárzás maximális értékei nőnek a légkör optikai tömegének csökkenése miatt a nap azonos magasságában. Minden 100 m magasságban a sugárzás intenzitása a troposzférában 0,01-0,02 cal/cm2 perccel növekszik. Korábban már elmondtuk, hogy a hegyekben megfigyelt sugárzási intenzitás maximális értéke eléri az 1,7 cal/cm2 percet és még többet.