Calcolo di un collettore solare piano
La pratica mostra che una media di 900 W di energia termica per metro quadrato di superficie installata perpendicolarmente alla luce solare intensa (con un cielo senza nuvole). Calcoleremo la SC sulla base di un modello con un'area di 1 m². Il lato anteriore è nero opaco (ha un assorbimento di energia termica vicino al 100%). La parte posteriore è coibentata con uno strato di 10 cm di polistirene espanso. È necessario calcolare le perdite di calore che si verificano sul lato opposto e ombreggiato. Coefficiente di isolamento termico del polistirene espanso - 0,05 W / m × gradi. Conoscendo lo spessore e supponendo che la differenza di temperatura sui lati opposti del materiale sia entro 50 gradi, calcoliamo la dispersione termica:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Approssimativamente le stesse perdite sono previste dalle estremità e dai tubi, ovvero l'importo totale sarà di 50 watt. I cieli senza nuvole sono rari e dovrebbe essere preso in considerazione anche l'effetto dei depositi di sporco sul collettore. Pertanto, ridurremo la quantità di energia termica per 1 m² a 800 W. L'acqua utilizzata come vettore di calore negli SC piatti ha una capacità termica di 4200 J/kg × gradi o 1,16 W/kg × gradi. Ciò significa che per aumentare di un grado la temperatura di un litro d'acqua, sono necessari 1,16 W di energia. Sulla base di questi calcoli, otteniamo il seguente valore per il nostro modello di collettore solare di 1 m² di superficie:
Arrotondiamo per comodità fino a 700 / kg × deg. Questa espressione indica la quantità di acqua che può essere riscaldata in un collettore (modello da 1 m²) per un'ora. Questo non tiene conto della perdita di calore dal lato anteriore, che aumenterà man mano che si riscalda. Queste perdite limiteranno il riscaldamento del liquido di raffreddamento nel collettore solare entro 70-90 gradi. A tal proposito, il valore di 700 può essere applicato alle basse temperature (da 10 a 60 gradi). Il calcolo del collettore solare mostra che un sistema di 1 m² è in grado di riscaldare 10 litri d'acqua di 70 gradi, il che è abbastanza per fornire acqua calda a una casa. È possibile ridurre il tempo di riscaldamento dell'acqua riducendo il volume del collettore solare mantenendone l'area. Se il numero di persone che vivono nella casa richiede un volume d'acqua maggiore, è necessario utilizzare più collettori di quest'area, che sono collegati in un sistema. Affinché la luce solare agisca sul radiatore nel modo più efficiente possibile, il collettore deve essere orientato con un angolo rispetto alla linea dell'orizzonte uguale alla latitudine dell'area. Questo è già stato discusso nell'articolo Come calcolare la potenza dei pannelli solari, vale lo stesso principio. In media sono necessari 50 litri di acqua calda per garantire la vita di una persona. Dato che l'acqua prima del riscaldamento ha una temperatura di circa 10 °C, la differenza di temperatura è di 70 - 10 = 60 °C. La quantità di calore necessaria per riscaldare l'acqua è la seguente:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW di energia.
Dividendo W per la quantità di energia solare per 1 m² di superficie in una data area (dati dei centri idrometeorologici), otteniamo l'area del collettore. Il calcolo di un collettore solare per il riscaldamento viene effettuato in modo simile. Ma il volume dell'acqua (refrigerante) è necessario di più, che dipende dal volume della stanza riscaldata. Si può concludere che è possibile migliorare l'efficienza di questo tipo di impianto di riscaldamento dell'acqua riducendo il volume e contemporaneamente aumentando l'area.
Tecnologie del ghiaccio
Sono in fase di sviluppo numerose tecnologie in cui il ghiaccio viene prodotto durante i periodi non di punta e successivamente utilizzato per il raffreddamento. Ad esempio, l'aria condizionata può essere resa più economica utilizzando elettricità a basso costo di notte per congelare l'acqua e quindi utilizzando la potenza di raffreddamento del ghiaccio durante il giorno per ridurre la quantità di energia necessaria per mantenere l'aria condizionata. L'accumulo di energia termica mediante ghiaccio sfrutta l'alto calore di fusione dell'acqua. Storicamente, il ghiaccio veniva trasportato dalle montagne alle città per essere utilizzato come refrigerante. Una tonnellata metrica (= 1 m3) di acqua può immagazzinare 334 milioni di joule (J) o 317.000 unità termiche britanniche (93 kWh).Un'unità di stoccaggio relativamente piccola può immagazzinare abbastanza ghiaccio per raffreddare un grande edificio per un'intera giornata o una settimana.
Oltre a utilizzare il ghiaccio per il raffreddamento diretto, viene utilizzato anche nelle pompe di calore che alimentano gli impianti di riscaldamento. In queste aree, le variazioni di energia di fase forniscono uno strato termoconduttore molto serio, vicino alla soglia di temperatura inferiore alla quale può funzionare una pompa di calore che utilizza il calore dell'acqua. Ciò consente al sistema di gestire i carichi di riscaldamento più pesanti e aumentare la quantità di tempo in cui gli elementi della fonte di energia possono restituire calore al sistema.
Reazioni chimiche endotermiche ed esotermiche
Tecnologia dell'idrato di sale
Un esempio di tecnologia sperimentale di accumulo di energia basata sull'energia di reazioni chimiche è una tecnologia basata su idrati di sale. Il sistema utilizza l'energia della reazione creata in caso di idratazione o disidratazione dei sali. Funziona immagazzinando il calore in un serbatoio contenente una soluzione di idrossido di sodio al 50%. Il calore (ad esempio, ottenuto da un collettore solare) viene immagazzinato a causa dell'evaporazione dell'acqua durante una reazione endotermica. Quando l'acqua viene aggiunta di nuovo, il calore viene rilasciato durante la reazione esotermica a 50°C (120°F). Al momento, i sistemi funzionano con un'efficienza del 60%. Il sistema è particolarmente efficace per l'accumulo stagionale di energia termica, poiché il sale essiccato può essere conservato a temperatura ambiente per lungo tempo senza perdite di energia. I contenitori di sale disidratato possono anche essere trasportati in luoghi diversi. Il sistema ha una densità di energia maggiore rispetto al calore immagazzinato nell'acqua e la sua capacità consente di immagazzinare energia per diversi mesi o addirittura anni.
Nel 2013, lo sviluppatore tecnologico olandese TNO ha presentato i risultati del progetto MERITS per l'accumulo di calore in un contenitore di sale. Il calore che può essere consegnato dal collettore solare al tetto piano fa evaporare l'acqua contenuta nel sale. Quando l'acqua viene aggiunta di nuovo, il calore viene rilasciato praticamente senza alcuna perdita di energia. Un contenitore con pochi metri cubi di sale può immagazzinare abbastanza energia termochimica per riscaldare una casa per tutto l'inverno. Con temperature come nei Paesi Bassi, un'azienda agricola media tollerante al calore richiederà circa 6,7 GJ di energia durante l'inverno. Per immagazzinare così tanta energia nell'acqua (con una differenza di temperatura di 70°C) sarebbero necessari 23 m3 di acqua in un serbatoio coibentato, che è più di quanto la maggior parte delle case può immagazzinare. Con l'uso della tecnologia dell'idrato di sale con una densità di energia di circa 1 GJ/m3, sarebbero sufficienti 4-8 m3.
A partire dal 2016, ricercatori di diversi paesi stanno conducendo esperimenti per determinare il miglior tipo di sale o miscela di sali. La bassa pressione all'interno del contenitore sembra essere la migliore per il trasferimento di potenza. Particolarmente promettenti sono i sali organici, i cosiddetti "liquidi ionici". Rispetto ai sorbenti agli alogenuri di litio, causano molti meno problemi in ambienti con risorse limitate e, rispetto alla maggior parte degli alogenuri e dell'idrossido di sodio, sono meno caustici e non hanno alcun impatto negativo attraverso le emissioni di anidride carbonica.
Legami chimici molecolari
Al momento si sta studiando la possibilità di immagazzinare energia in legami chimici molecolari. È già stata raggiunta una densità di energia equivalente alle batterie agli ioni di litio.
Distribuzione della radiazione al confine dell'atmosfera
Per la climatologia, la questione della distribuzione dell'afflusso e del ritorno delle radiazioni sul globo è di notevole interesse. Consideriamo innanzitutto la distribuzione della radiazione solare su una superficie orizzontale "al confine dell'atmosfera". Si potrebbe anche dire: "in assenza di atmosfera". Con ciò assumiamo che non vi sia né assorbimento né diffusione della radiazione, né la sua riflessione da parte delle nuvole. La distribuzione della radiazione solare al confine dell'atmosfera è la più semplice.Esiste davvero a un'altitudine di diverse decine di chilometri. Questa distribuzione è chiamata clima solare.
È noto come cambia la costante solare durante l'anno e, di conseguenza, la quantità di radiazione che arriva sulla Terra. Se determiniamo la costante solare per la distanza effettiva della Terra dal Sole, allora con un valore medio annuo di 1,98 cal/cm2 min. sarà pari a 2,05 cal/cm2 min. a gennaio e 1,91 cal/cm2 min. nel mese di luglio.
Pertanto, l'emisfero settentrionale durante una giornata estiva riceve una radiazione leggermente inferiore al confine dell'atmosfera rispetto all'emisfero meridionale durante la sua giornata estiva.
La quantità di radiazione ricevuta al giorno al confine dell'atmosfera dipende dal periodo dell'anno e dalla latitudine del luogo. Sotto ogni latitudine, la stagione determina la durata dell'afflusso di radiazioni. Ma a latitudini diverse, la durata della parte diurna del giorno alla stessa ora è diversa.
Al Polo il sole non tramonta affatto in estate e non sorge per 6 mesi in inverno. Tra il Polo e il Circolo Polare Artico, il sole non tramonta in estate e non sorge in inverno per un periodo da sei mesi a un giorno. All'equatore, il giorno dura sempre 12 ore. Dal circolo polare artico all'equatore, le ore di luce diurna diminuiscono in estate e aumentano in inverno.
Ma l'afflusso di radiazione solare su una superficie orizzontale dipende non solo dalla lunghezza del giorno, ma anche dall'altezza del sole. La quantità di radiazione che arriva al confine dell'atmosfera per unità di superficie orizzontale è proporzionale al seno dell'altezza del sole. E l'altezza del sole non solo cambia in ogni luogo durante il giorno, ma dipende anche dal periodo dell'anno. L'altezza del sole all'equatore varia durante l'anno da 90 a 66,5°, ai tropici da 90 a 43°, nei circoli polari da 47 a 0° e ai poli da 23,5 a 0°.
La sfericità della Terra e l'inclinazione del piano equatoriale rispetto al piano dell'eclittica creano una complessa distribuzione dell'afflusso di radiazioni sulle latitudini al confine dell'atmosfera e dei suoi cambiamenti durante l'anno.
In inverno l'afflusso di radiazioni diminuisce molto rapidamente dall'equatore al polo, in estate diminuisce molto più lentamente. In questo caso, il massimo in estate si osserva al tropico e l'afflusso di radiazioni diminuisce leggermente dal tropico all'equatore. La piccola differenza nell'afflusso di radiazioni tra le latitudini tropicali e polari in estate è spiegata dal fatto che sebbene le altezze del sole alle latitudini polari siano inferiori in estate rispetto ai tropici, la lunghezza della giornata è lunga. Nel giorno del solstizio d'estate, quindi, in assenza di atmosfera, il polo riceverebbe più radiazione dell'equatore. Tuttavia, vicino alla superficie terrestre, a causa dell'attenuazione della radiazione da parte dell'atmosfera, del suo riflesso da parte delle nuvole, ecc., l'afflusso estivo di radiazioni alle latitudini polari è significativamente inferiore rispetto alle latitudini inferiori.
Al limite superiore dell'atmosfera al di fuori dei tropici, c'è un massimo di irraggiamento annuale al momento del solstizio d'estate e un minimo al momento del solstizio d'inverno. Ma tra i tropici, l'afflusso di radiazioni ha due massimi all'anno, attribuibili a quei momenti in cui il sole raggiunge la sua massima altezza di mezzogiorno. All'equatore, questo avverrà nei giorni degli equinozi, in altre latitudini intratropicali - dopo l'equinozio di primavera e prima dell'equinozio d'autunno, allontanandosi dalla tempistica degli equinozi, maggiore è la latitudine. L'ampiezza della variazione annuale all'equatore è piccola, all'interno dei tropici è piccola; alle latitudini temperate e alte è molto più grande.
Distribuzione del calore e della luce sulla Terra
Il sole è la stella del sistema solare, che è la fonte di un'enorme quantità di calore e di luce accecante per il pianeta Terra. Nonostante il fatto che il Sole sia a una distanza considerevole da noi e solo una piccola parte della sua radiazione ci raggiunga, questo è abbastanza per lo sviluppo della vita sulla Terra. Il nostro pianeta ruota attorno al sole in un'orbita. Se la Terra viene osservata da un veicolo spaziale durante l'anno, si può notare che il Sole illumina sempre solo una metà della Terra, quindi lì ci sarà il giorno e a quell'ora ci sarà la notte nella metà opposta. La superficie terrestre riceve calore solo durante il giorno.
La nostra Terra si sta riscaldando in modo non uniforme. Il riscaldamento irregolare della Terra è spiegato dalla sua forma sferica, quindi l'angolo di incidenza del raggio solare in diverse aree è diverso, il che significa che diverse parti della Terra ricevono diverse quantità di calore. All'equatore, i raggi del sole cadono verticalmente e riscaldano notevolmente la Terra.Più lontano dall'equatore, l'angolo di incidenza del raggio diventa più piccolo e, di conseguenza, questi territori ricevono meno calore. Lo stesso raggio di potenza della radiazione solare riscalda un'area molto più piccola vicino all'equatore, poiché cade verticalmente. Inoltre, i raggi che cadono con un angolo più piccolo rispetto all'equatore, penetrando nell'atmosfera, percorrono un percorso più lungo al suo interno, a causa del quale parte dei raggi solari sono dispersi nella troposfera e non raggiungono la superficie terrestre. Tutto ciò indica che allontanandosi dall'equatore verso nord o verso sud, la temperatura dell'aria diminuisce, al diminuire dell'angolo di incidenza del raggio solare.
Il grado di riscaldamento della superficie terrestre è influenzato anche dal fatto che l'asse terrestre è inclinato rispetto al piano dell'orbita, lungo il quale la Terra compie un giro completo attorno al Sole, con un angolo di 66,5° ed è sempre diretta da l'estremità settentrionale verso la stella polare.
Immagina che la Terra, in movimento attorno al Sole, abbia l'asse terrestre perpendicolare al piano dell'orbita di rotazione. Quindi la superficie a diverse latitudini riceverebbe una quantità di calore costante durante tutto l'anno, l'angolo di incidenza del raggio solare sarebbe sempre costante, il giorno sarebbe sempre uguale alla notte, non ci sarebbero cambi di stagione. All'equatore, queste condizioni differirebbero poco dal presente. L'inclinazione dell'asse terrestre ha un effetto significativo sul riscaldamento della superficie terrestre, e quindi sull'intero clima, proprio alle latitudini temperate.
Durante l'anno, cioè durante la rivoluzione completa della Terra attorno al Sole, quattro giorni sono particolarmente degni di nota: 21 marzo, 23 settembre, 22 giugno, 22 dicembre.
I tropici e i circoli polari dividono la superficie terrestre in fasce che differiscono per l'illuminazione solare e la quantità di calore ricevuta dal Sole. Ci sono 5 zone di illuminazione: le zone polari settentrionali e meridionali, che ricevono poca luce e calore, la zona tropicale con clima caldo, e le zone temperate settentrionali e meridionali, che ricevono più luce e calore di quelle polari, ma meno di quelli tropicali.
Quindi, in conclusione, possiamo trarre una conclusione generale: il riscaldamento e l'illuminazione irregolari della superficie terrestre sono associati alla sfericità della nostra Terra e all'inclinazione dell'asse terrestre fino a 66,5° rispetto all'orbita di rotazione attorno al Sole.
Accumulo di calore in roccia calda, cemento, ciottoli, ecc.
L'acqua ha una delle capacità termiche più elevate - 4,2 J / cm3 * K, mentre il calcestruzzo ha solo un terzo di questo valore. Il calcestruzzo, d'altra parte, può essere riscaldato a temperature molto più elevate di 1200°C, ad esempio mediante riscaldamento elettrico, e quindi ha una capacità complessiva molto più elevata. Seguendo l'esempio seguente, un cubo isolato di circa 2,8 m di diametro può essere in grado di fornire abbastanza calore accumulato per una casa per soddisfare il 50% della domanda di riscaldamento. In linea di principio, questo potrebbe essere utilizzato per immagazzinare energia termica eolica o fotovoltaica in eccesso a causa della capacità del riscaldamento elettrico di raggiungere temperature elevate.
A livello di contea, il progetto Wiggenhausen-Süd nella città tedesca di Friedrichshafen ha attirato l'attenzione internazionale. Si tratta di un accumulatore di calore in cemento armato di 12.000 m3 (420.000 piedi cubi) collegato a un'area di 4.300 m2 (46.000 piedi quadrati).
ft.), coprendo metà del fabbisogno di acqua calda e riscaldamento per 570 case. Siemens sta costruendo un impianto di accumulo di calore vicino ad Amburgo con una capacità di 36 MWh, costituito da basalto riscaldato a 600°C e che genera 1,5 MW di potenza. Un sistema simile è previsto per la costruzione nella città danese di Sorø, dove il 41-58% del calore accumulato con una capacità di 18 MWh sarà trasferito al teleriscaldamento della città e il 30-41% come elettricità.
Come calcolare l'ammortamento del solare termico
Utilizzando la tabella seguente, è possibile calcolare di quanto si ridurranno i costi di riscaldamento utilizzando i collettori solari, per quanto tempo questo sistema può ripagare e quali vantaggi si possono ottenere nei vari periodi di funzionamento. Questo modello è stato sviluppato per Primorsky Krai, ma può essere utilizzato anche per stimare l'uso del riscaldamento solare in Khabarovsk Krai, Amur Oblast, Sakhalin, Kamchatka e Siberia meridionale.In questo caso i collettori solari avranno un effetto minore in dicembre-gennaio alle latitudini più elevate, ma i benefici complessivi non saranno da meno, vista la stagione di riscaldamento più lunga.
Nella prima tabella inserisci i parametri della tua casa, dell'impianto di riscaldamento e dei prezzi dell'energia. Tutti i campi contrassegnati in verde possono essere modificati e simulare una casa esistente o pianificata.
Per prima cosa, inserisci nella prima colonna l'area riscaldata della tua casa.
Quindi valutare la qualità dell'isolamento termico e del metodo di riscaldamento dell'edificio selezionando i valori appropriati.
Indicare il numero di membri della famiglia e il consumo di acqua calda: questo aiuterà a valutare i vantaggi della fornitura di acqua calda dei collettori solari.
Inserisci i prezzi per la tua normale fonte di energia per il riscaldamento: elettricità, diesel o carbone.
Inserisci il valore del reddito abituale di un familiare che si occupa di riscaldamento nella tua famiglia. Questo aiuta a stimare i costi di manodopera per la stagione di riscaldamento e svolge un ruolo particolarmente importante per i sistemi a combustibili solidi, dove è necessario portare e scaricare il carbone, gettarlo nella fornace, gettare la cenere, ecc.
Il prezzo del sistema di collettori solari verrà determinato automaticamente, in base ai parametri dell'edificio da te specificato. Questo prezzo è approssimativo: i costi di installazione effettivi e i parametri delle apparecchiature di riscaldamento solare possono differire e sono calcolati individualmente da specialisti in ciascun caso.
Nella colonna "Costi di installazione" è possibile inserire il costo delle apparecchiature e dell'installazione di un impianto di riscaldamento tradizionale - esistente o previsto
Se il sistema è già installato, è possibile inserire "0".
Presta attenzione all'importo delle spese per la stagione di riscaldamento e confronta con le tue spese abituali. Se sono diversi, prova a modificare le impostazioni.
Nella colonna "Costi di riscaldamento per stagione", i sistemi di riscaldamento a carbone tengono conto del valore monetario del costo del lavoro. Se non vuoi tenerne conto, puoi ridurre il valore del reddito di un familiare addetto al riscaldamento. I costi del lavoro sono considerati in misura minore per i sistemi a combustibile liquido e non sono presi in considerazione per i sistemi di caldaie elettriche. La regolazione dei collettori solari avviene automaticamente e non richiede un'attenzione costante.
Nella colonna "Durata", l'impostazione predefinita è 20 anni: questa è la vita normale degli impianti di riscaldamento solare con collettori solari. A seconda delle condizioni operative, i collettori solari possono durare più a lungo di questo periodo. È possibile modificare la durata e il grafico sottostante rifletterà la differenza tra i costi di installazione e manutenzione e i vantaggi dell'utilizzo di collettori solari per il riscaldamento. In questo modo vedrai quanto si ridurranno i costi di riscaldamento e per quanto tempo questa differenza consentirà di recuperare i costi di installazione dei collettori solari.
I risultati finali sono approssimativi, ma danno una buona idea di quanto può costare un impianto solare termico e quanto tempo può autofinanziarsi.
Si prega di notare che i costi della stagione di riscaldamento possono essere notevolmente ridotti utilizzando collettori solari, sistemi di riscaldamento a pavimento e migliorando l'isolamento termico dell'edificio. Inoltre, i costi di riscaldamento possono essere ridotti se l'edificio è progettato in anticipo per l'uso del riscaldamento solare e l'utilizzo di tecnologie eco-casa.
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Cos'è il calore solare
Sin dai tempi antichi, le persone erano ben consapevoli del ruolo del Sole nelle loro vite. In quasi tutte le nazioni ha agito come la principale o una delle principali divinità, dando vita e luce a tutti gli esseri viventi. Oggi, l'umanità ha un'idea molto migliore di dove viene il calore del sole.
Dal punto di vista della scienza, il nostro Sole è una stella gialla, che è il luminare dell'intero nostro sistema planetario.Trae la sua energia dal nucleo, la parte centrale di un'enorme palla calda, dove avvengono reazioni di fusione termonucleare di potenza inimmaginabile a una temperatura misurata in milioni di gradi. Il raggio del nucleo non è più di un quarto del raggio totale del Sole, ma è nel nucleo che si genera l'energia radiante, una piccola frazione della quale è sufficiente per sostenere la vita sul nostro pianeta.
L'energia rilasciata entra negli strati esterni del Sole attraverso la zona convettiva e raggiunge la fotosfera, la superficie radiante della stella. La temperatura della fotosfera si avvicina ai 6.000 gradi, è essa che converte ed emette nello spazio l'energia radiante che riceve il nostro pianeta. In effetti, viviamo a causa della graduale e lenta combustione del plasma stellare che costituisce il Sole.
Composizione spettrale della radiazione solare
L'intervallo di lunghezza d'onda compreso tra 0,1 e 4 micron rappresenta il 99% dell'energia totale della radiazione solare. Solo l'1% rimane per le radiazioni con lunghezze d'onda sempre più lunghe, fino ai raggi X e alle onde radio.
La luce visibile occupa una gamma ristretta di lunghezze d'onda, solo da 0,40 a 0,75 micron. Tuttavia, questo intervallo contiene quasi la metà di tutta l'energia radiante solare (46%). Quasi la stessa quantità (47%) è nei raggi infrarossi e il restante 7% è negli ultravioletti.
In meteorologia, è consuetudine distinguere tra radiazioni a onde corte e radiazioni a onde lunghe. La radiazione a onde corte è chiamata radiazione nell'intervallo di lunghezze d'onda da 0,1 a 4 micron. Comprende, oltre alla luce visibile, la radiazione ultravioletta e infrarossa più vicina in lunghezza d'onda. La radiazione solare è per il 99% tale radiazione a onde corte. La radiazione a onde lunghe comprende la radiazione della superficie terrestre e dell'atmosfera con lunghezze d'onda da 4 a 100-120 micron.
Intensità della radiazione solare diretta
La radiazione che arriva sulla superficie terrestre direttamente dal disco solare è chiamata radiazione solare diretta, in contrasto con la radiazione diffusa nell'atmosfera. La radiazione solare si propaga dal Sole in tutte le direzioni. Ma la distanza dalla Terra al Sole è così grande che la radiazione diretta cade su qualsiasi superficie della Terra sotto forma di un raggio di raggi paralleli che emana, per così dire, dall'infinito. Anche il globo nel suo insieme è così piccolo rispetto alla distanza dal Sole che tutta la radiazione solare che cade su di esso può essere considerata come un raggio di raggi paralleli senza errori evidenti.
L'afflusso di radiazione solare diretta sulla superficie terrestre o su qualsiasi livello superiore nell'atmosfera è caratterizzato dall'intensità della radiazione io, cioè la quantità di energia radiante che entra per unità di tempo (un minuto) per unità di area (un centimetro quadrato) perpendicolare ai raggi solari.
Riso. 1. L'afflusso di radiazione solare sulla superficie perpendicolare ai raggi (AB), e su una superficie orizzontale (AC).
È facile capire che un'area unitaria situata perpendicolarmente ai raggi solari riceverà la massima quantità possibile di radiazione in determinate condizioni. Un'unità di area orizzontale avrà una quantità minore di energia radiante:
Io' = pecco
dove h è l'altezza del sole (Fig. 1).
Tutti i tipi di energia sono reciprocamente equivalenti. Pertanto, l'energia radiante può essere espressa in unità di qualsiasi tipo di energia, ad esempio termica o meccanica. Viene naturale esprimerlo in unità termiche, perché gli strumenti di misura si basano sull'effetto termico dell'irraggiamento: l'energia radiante, quasi completamente assorbita dall'apparecchio, viene convertita in calore, che viene misurato. Pertanto, l'intensità della radiazione solare diretta sarà espressa in calorie per centimetro quadrato al minuto (cal/cm2min).
Produzione di energia
L'energia solare funziona convertendo la luce solare in elettricità.Ciò può avvenire sia direttamente, utilizzando il fotovoltaico, sia indirettamente, utilizzando sistemi di energia solare concentrata, in cui lenti e specchi raccolgono la luce solare da una vasta area in un raggio sottile e un meccanismo di tracciamento tiene traccia della posizione del Sole. Il fotovoltaico converte la luce in elettricità sfruttando l'effetto fotoelettrico.
Si prevede che l'energia solare diventerà la più grande fonte di elettricità entro il 2050, con il fotovoltaico e l'energia solare concentrata che rappresenteranno rispettivamente il 16% e l'11% della produzione globale di elettricità.
Le centrali elettriche commerciali che utilizzano energia solare concentrata sono apparse per la prima volta negli anni '80. Dopo il 1985, un'installazione SEGS di questo tipo da 354 MW nel deserto del Mojave (California) è diventata la più grande centrale solare del mondo. Altre centrali solari di questo tipo includono SPP Solnova (inglese) (150 MW) e SPP Andasol (inglese) (100 MW), entrambe in Spagna. Tra le più grandi centrali fotovoltaiche (in inglese) ci sono Agua Caliente Solar Project (250 MW) negli Stati Uniti e Charanka Solar Park (221 MW) in India. Sono in fase di sviluppo progetti di oltre 1 GW, ma la maggior parte degli impianti fotovoltaici fino a 5 kW sono piccoli e sui tetti.A partire dal 2013, l'energia solare rappresentava meno dell'1% dell'elettricità nella rete globale.
Tipi di radiazione solare
Nell'atmosfera, la radiazione solare diretta verso la superficie terrestre viene parzialmente assorbita e parzialmente diffusa e riflessa dalle nuvole e dalla superficie terrestre. Nell'atmosfera si osservano tre tipi di radiazione solare: diretta, diffusa e totale.
Radiazione solare diretta - radiazione che arriva sulla superficie terrestre direttamente dal disco solare. La radiazione solare si propaga dal Sole in tutte le direzioni. Ma la distanza dalla Terra al Sole è così grande che la radiazione diretta cade su qualsiasi superficie della Terra sotto forma di un raggio di raggi paralleli che emana, per così dire, dall'infinito. Anche l'intero globo nel suo insieme è così piccolo rispetto alla distanza dal Sole che tutta la radiazione solare che cade su di esso può essere considerata un raggio di raggi paralleli senza errori evidenti.
Solo la radiazione diretta raggiunge il limite superiore dell'atmosfera. Circa il 30% della radiazione incidente sulla Terra viene riflessa nello spazio. Ossigeno, azoto, ozono, anidride carbonica, vapore acqueo (nuvole) e particelle di aerosol assorbono il 23% della radiazione solare diretta nell'atmosfera. L'ozono assorbe le radiazioni ultraviolette e visibili. Nonostante il suo contenuto nell'aria sia molto piccolo, assorbe tutta la radiazione ultravioletta (circa il 3%)
Pertanto, non si osserva affatto sulla superficie terrestre, il che è molto importante per la vita sulla Terra.
Anche la radiazione solare diretta che attraversa l'atmosfera viene dispersa. Una particella (goccia, cristallo o molecola) d'aria, che si trova nel percorso di un'onda elettromagnetica, “estrae” continuamente energia dall'onda incidente e la ri-irradia in tutte le direzioni, diventando un emettitore di energia.
Circa il 25% dell'energia del flusso totale di radiazione solare che passa attraverso l'atmosfera viene dissipata dalle molecole di gas atmosferico e dall'aerosol e viene convertita nell'atmosfera in radiazione solare diffusa. Pertanto, la radiazione solare diffusa è la radiazione solare che ha subito la dispersione nell'atmosfera. La radiazione diffusa arriva sulla superficie terrestre non dal disco solare, ma dall'intero firmamento. La radiazione diffusa differisce dalla radiazione diretta nella composizione spettrale, poiché i raggi di diverse lunghezze d'onda sono diffusi in gradi diversi.
Poiché la sorgente primaria di radiazione diffusa è la radiazione solare diretta, il flusso di radiazione diffusa dipende dagli stessi fattori che influenzano il flusso di radiazione diretta. In particolare, il flusso di radiazione diffusa aumenta all'aumentare dell'altezza del Sole e viceversa.Aumenta anche con l'aumento del numero di particelle sparse nell'atmosfera, ad es. con una diminuzione della trasparenza dell'atmosfera, e diminuisce con l'altezza sul livello del mare a causa della diminuzione del numero di particelle sparse negli strati sovrastanti dell'atmosfera. La nuvolosità e il manto nevoso hanno un'influenza molto grande sulla radiazione diffusa, che, a causa della dispersione e riflessione della radiazione diretta e diffusa su di essa incidente e della loro ridispersione nell'atmosfera, può aumentare di più volte la radiazione solare diffusa.
La radiazione diffusa integra significativamente la radiazione solare diretta e aumenta significativamente il flusso di energia solare sulla superficie terrestre. Il suo ruolo è particolarmente importante in inverno alle alte latitudini e in altre regioni con elevata nuvolosità, dove la frazione di radiazione diffusa può superare la frazione di radiazione diretta. Ad esempio, nella quantità annuale di energia solare, la radiazione diffusa rappresenta il 56% ad Arkhangelsk e il 51% a San Pietroburgo.
La radiazione solare totale è la somma dei flussi di radiazione diretta e diffusa che arrivano su una superficie orizzontale. Prima dell'alba e dopo il tramonto, così come di giorno con nuvolosità continua, l'irraggiamento totale è completamente, e alle basse quote del Sole è costituito principalmente da radiazione diffusa. In un cielo senza nuvole o leggermente nuvoloso, all'aumentare dell'altezza del Sole, la proporzione della radiazione diretta nella composizione del totale aumenta rapidamente e durante il giorno il suo flusso è molte volte maggiore del flusso della radiazione diffusa. La nuvolosità in media indebolisce l'irraggiamento totale (del 20-30%), tuttavia, con nuvolosità parziale che non copre il disco solare, il suo flusso può essere maggiore rispetto a un cielo senza nuvole. Il manto nevoso aumenta significativamente il flusso di radiazione totale aumentando il flusso di radiazione diffusa.
La radiazione totale, che cade sulla superficie terrestre, viene in gran parte assorbita dallo strato superiore del suolo o da uno strato d'acqua più spesso (radiazione assorbita) e si trasforma in calore, ed è parzialmente riflessa (radiazione riflessa).
Cinture termiche
A seconda della quantità di radiazione solare che entra nella superficie terrestre, sul globo si distinguono 7 zone termiche: calde, due moderate, due fredde e due di gelo eterno. I confini delle zone termiche sono isoterme. La fascia calda è limitata dalle isoterme medie annue di +20°C da nord e da sud (Fig. 9). Due zone temperate a nord ea sud della zona calda sono limitate dal lato dell'equatore da un'isoterma media annuale di +20 ° С e dal lato delle alte latitudini da un'isoterma di +10 ° С (la temperatura media dell'aria di i mesi più caldi sono luglio nell'emisfero settentrionale e gennaio nell'emisfero meridionale). Il confine settentrionale coincide approssimativamente con il confine di distribuzione forestale. Le due zone fredde a nord ea sud della zona temperata negli emisferi settentrionale e meridionale si trovano tra le isoterme di +10°C e 0°C del mese più caldo. Le due fasce di gelo eterno sono delimitate dall'isoterma 0°C del mese più caldo delle fasce fredde. Il regno della neve e del ghiaccio eterni si estende ai poli nord e sud.
Risultati di misura della radiazione solare diretta
Con la trasparenza dell'atmosfera invariata, l'intensità della radiazione solare diretta dipende dalla massa ottica dell'atmosfera, cioè, in definitiva, dall'altezza del sole. Pertanto, durante il giorno, l'irraggiamento solare deve prima aumentare rapidamente, poi più lentamente dall'alba a mezzogiorno, e dapprima lentamente, poi diminuire rapidamente da mezzogiorno al tramonto.
Ma la trasparenza dell'atmosfera durante il giorno varia entro certi limiti. Pertanto, la curva dell'andamento diurno dell'irraggiamento, anche in una giornata completamente senza nubi, mostra alcune irregolarità.
Le differenze nell'intensità della radiazione a mezzogiorno sono dovute principalmente alle differenze nell'altezza del sole a mezzogiorno, che è inferiore in inverno che in estate. L'intensità minima alle latitudini temperate si verifica a dicembre, quando il sole è al minimo. Ma l'intensità massima non è nei mesi estivi, ma in primavera.Il fatto è che in primavera l'aria è la meno annebbiata dai prodotti della condensa e poco polverosa. In estate aumenta la polvere e aumenta anche il contenuto di vapore acqueo nell'atmosfera, il che riduce in qualche modo l'intensità della radiazione.
I valori massimi di intensità di radiazione diretta per alcuni punti sono i seguenti (in cal/cm2min): Tiksi Bay 1.30, Pavlovsk 1.43, Irkutsk 1.47, Mosca 1.48, Kursk 1.51, Tbilisi 1.51, Vladivostok 1, 46, Tashkent 1.52.
Da questi dati si evince che i valori massimi dell'intensità della radiazione crescono molto poco al diminuire della latitudine geografica, nonostante l'aumento dell'altezza del sole. Ciò è spiegato da un aumento del contenuto di umidità e in parte dalla spolverata d'aria alle latitudini meridionali. All'equatore i valori massimi di irraggiamento non superano di molto i massimi estivi delle latitudini temperate. Nell'aria secca dei deserti subtropicali (Sahara), invece, sono stati osservati valori fino a 1,58 cal/cm2 min.
Con l'altezza sul livello del mare, i valori massimi di radiazione aumentano a causa di una diminuzione della massa ottica dell'atmosfera alla stessa altezza del sole. Per ogni 100 m di altitudine, l'intensità della radiazione nella troposfera aumenta di 0,01-0,02 cal/cm2 min. Abbiamo già detto che i valori massimi di intensità di radiazione osservati in montagna raggiungono 1,7 cal/cm2 min e oltre.