חימום שמש של בית פרטי אפשרויות ותכניות מכשירים

חישוב קולט שמש שטוח

תרגול מראה כי ממוצע של 900 W של אנרגיה תרמית למ"ר של משטח מותקן בניצב לאור שמש בהיר (עם שמיים ללא עננים). אנו נחשב את ה-SC על בסיס מודל בשטח של 1 מ"ר. הצד הקדמי מט, שחור (בעל ספיגה של קרוב ל-100% של אנרגיה תרמית). הצד האחורי מבודד בשכבת 10 ס"מ של פוליסטירן מורחב. זה נדרש לחשב את הפסדי החום המתרחשים בצד ההפוך, המוצל. מקדם בידוד תרמי של פוליסטירן מורחב - 0.05 W / m × deg. לדעת את העובי ובהנחה שהפרש הטמפרטורה בצדדים מנוגדים של החומר הוא בטווח של 50 מעלות, אנו מחשבים את אובדן החום:

0.05 / 0.1 × 50 = 25 W.

מהקצוות והצינורות צפויים בערך אותם הפסדים, כלומר הכמות הכוללת תהיה 50 וואט. שמיים ללא עננים הם נדירים, ויש לקחת בחשבון גם את השפעת משקעי הלכלוך על הקולט. לכן, נפחית את כמות האנרגיה התרמית ל-1 מ"ר ל-800 וואט. למים המשמשים כמוביל חום ב-SCs שטוחים יש קיבולת חום של 4200 J/kg × מעלות או 1.16 W/kg × מעלות. זה אומר שכדי להעלות את הטמפרטורה של ליטר מים אחד במעלה אחת, זה ייקח 1.16 W של אנרגיה. בהתחשב בחישובים אלה, אנו מקבלים את הערך הבא עבור דגם קולט השמש שלנו בשטח של 1 מ"ר:

אנו מעגלים מטעמי נוחות עד 700 / ק"ג × מעלות. ביטוי זה מציין את כמות המים שניתן לחמם בקולט (דגם 1 מ"ר) למשך שעה. זה לא לוקח בחשבון את איבוד החום מהצד הקדמי, שיגדל ככל שהוא יתחמם. הפסדים אלו יגבילו את חימום נוזל הקירור בקולט השמש בטווח של 70-90 מעלות. בהקשר זה, ניתן ליישם את הערך של 700 לטמפרטורות נמוכות (מ-10 עד 60 מעלות). החישוב של קולט השמש מראה שמערכת של 1 מ"ר מסוגלת לחמם 10 ליטר מים ב-70 מעלות, וזה מספיק כדי לספק לבית מים חמים. ניתן לצמצם את זמן חימום המים על ידי הפחתת נפח קולט השמש תוך שמירה על שטחו. אם מספר האנשים המתגוררים בבית דורש נפח מים גדול יותר, יש להשתמש במספר קולטים מאזור זה, המחוברים למערכת אחת. על מנת שאור השמש יפעל על הרדיאטור בצורה יעילה ככל האפשר, על הקולט להיות מכוון בזווית לקו האופק השווה לקו הרוחב של האזור. זה כבר נדון במאמר כיצד לחשב את הכוח של פאנלים סולאריים, אותו עיקרון חל. בממוצע, יש צורך ב-50 ליטר מים חמים כדי להבטיח את חייו של אדם אחד. בהתחשב בכך שלמים לפני החימום יש טמפרטורה של כ-10 מעלות צלזיוס, הפרש הטמפרטורות הוא 70 - 10 = 60 מעלות צלזיוס. כמות החום הדרושה לחימום מים היא כדלקמן:

W=Q × V × Tp = 1.16 × 50 × 60 = 3.48 קילוואט אנרגיה.

מחלקים W בכמות אנרגיית השמש לכל 1 מ"ר של פני שטח באזור נתון (נתונים ממרכזים הידרומטאורולוגיים), נקבל את שטח הקולט. חישוב קולט שמש לחימום מתבצע באופן דומה. אבל יש צורך יותר בנפח המים (נוזל הקירור), אשר תלוי בנפח החדר המחומם. ניתן להסיק כי ניתן לשפר את היעילות של מערכת חימום מים מסוג זה על ידי הפחתת הנפח ובמקביל הגדלת השטח.

טכנולוגיות קרח

מתפתחות מספר טכנולוגיות שבהן מייצרים קרח בתקופות שיא ומשמשים מאוחר יותר לקירור. לדוגמה, מיזוג אוויר יכול להתבצע חסכוני יותר על ידי שימוש בחשמל זול בלילה להקפאת מים ולאחר מכן שימוש בכוח הקירור של הקרח במהלך היום כדי להפחית את כמות האנרגיה הנדרשת לשמירה על מיזוג האוויר. אחסון האנרגיה התרמית באמצעות קרח משתמש בחום הגבוה של היתוך מים. מבחינה היסטורית, קרח הועבר מההרים לערים כדי לשמש כנוזל קירור. טון אחד מטרי (= 1 מ"ק) של מים יכול לאחסן 334 מיליון ג'אול (J) או 317,000 יחידות תרמיות בריטיות (93 קילוואט).יחידת אחסון קטנה יחסית יכולה לאחסן מספיק קרח לקירור בניין גדול למשך יום או שבוע שלם.

בנוסף לשימוש בקרח לקירור ישיר, הוא משמש גם במשאבות חום המניעות מערכות חימום. באזורים אלו, שינויי אנרגיית פאזה מספקים שכבה מוליכת חום רצינית מאוד, קרובה לסף הטמפרטורה התחתון שבו יכולה לפעול משאבת חום המשתמשת בחום המים. זה מאפשר למערכת להתמודד עם עומסי החימום הכבדים ביותר ולהגדיל את משך הזמן שאלמנטים של מקור האנרגיה יכולים להחזיר חום למערכת.

תגובות כימיות אנדותרמיות ואקסותרמיות

טכנולוגיית לחות מלח

דוגמה לטכנולוגיית אגירת אנרגיה ניסיונית המבוססת על אנרגיה של תגובות כימיות היא טכנולוגיה המבוססת על הידרטים של מלח. המערכת משתמשת באנרגיה של התגובה שנוצרת במקרה של הידרציה או התייבשות של מלחים. זה עובד על ידי אחסון חום במיכל המכיל 50% תמיסת נתרן הידרוקסיד. חום (לדוגמה, המתקבל מקולט שמש) נשמר עקב התאדות המים במהלך תגובה אנדותרמית. כאשר מוסיפים מים שוב, חום משתחרר במהלך התגובה האקזותרמית ב-50C (120F). כרגע המערכות פועלות ביעילות של 60%. המערכת יעילה במיוחד לאגירת אנרגיה תרמית עונתי, שכן ניתן לאחסן מלח מיובש בטמפרטורת החדר לאורך זמן ללא איבוד אנרגיה. מיכלי מלח מיובש יכולים אפילו להיות מועברים למקומות שונים. למערכת צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מהחום הנאגר במים, והיכולת שלה מאפשרת לאגור אנרגיה למספר חודשים ואף שנים.

ב-2013, מפתחת הטכנולוגיה ההולנדית TNO הציגה את תוצאות פרויקט MERITS לאגירת חום במיכל מלח. החום שניתן להעביר מקולט השמש לגג השטוח מאדה את המים הכלולים במלח. כאשר מוסיפים מים שוב, חום משתחרר כמעט ללא איבוד אנרגיה. מיכל עם כמה מטרים מעוקבים של מלח יכול לאגור מספיק אנרגיה תרמוכימית כדי לחמם בית כל החורף. עם טמפרטורות כמו בהולנד, חווה ממוצעת עמידה בחום תדרוש כ-6.7 GJ של אנרגיה במהלך החורף. כדי לאגור כל כך הרבה אנרגיה במים (בהפרש טמפרטורות של 70C) יידרש 23 מ"ק מים במיכל מבודד, שזה יותר ממה שרוב הבתים יכולים לאחסן. עם שימוש בטכנולוגיית הידרט מלח עם צפיפות אנרגיה של כ-1 GJ/m3, 4-8 m3 יספיקו.

החל משנת 2016, חוקרים מכמה מדינות עורכים ניסויים כדי לקבוע את סוג המלח הטוב ביותר או תערובת המלחים. נראה שלחץ נמוך בתוך המיכל הוא הטוב ביותר להעברת כוח. מבטיחים במיוחד מלחים אורגניים, מה שמכונה "נוזלים יוניים". בהשוואה לסופחי ליתיום הליד, הם גורמים להרבה פחות בעיות בסביבות מוגבלות במשאבים, ובהשוואה לרוב ההלידים ונתרן הידרוקסיד, הם פחות מאכלים ואין להם השפעה שלילית בגלל פליטת פחמן דו חמצני.

קשרים כימיים מולקולריים

כרגע נבדקת האפשרות לאגור אנרגיה בקשרים כימיים מולקולריים. כבר הושגה צפיפות אנרגיה המקבילה לסוללות ליתיום-יון.

התפלגות הקרינה בגבול האטמוספירה

עבור האקלים, שאלת התפלגות הזרימה והחזרת הקרינה על פני הגלובוס היא בעלת עניין משמעותי. שקול תחילה את התפלגות קרינת השמש על משטח אופקי "בגבול האטמוספירה". אפשר גם לומר: "בהיעדר אווירה". לפי זה אנו מניחים שאין קליטה או פיזור של קרינה, ולא השתקפותה על ידי עננים. התפלגות קרינת השמש בגבול האטמוספירה היא הפשוטה ביותר.הוא באמת קיים בגובה של כמה עשרות קילומטרים. התפלגות זו נקראת אקלים השמש.
ידוע כיצד קבוע השמש משתנה במהלך השנה, וכתוצאה מכך כמות הקרינה המגיעה לכדור הארץ. אם נקבע את קבוע השמש למרחק האמיתי של כדור הארץ מהשמש, אז עם ערך שנתי ממוצע של 1.98 קלוריות/סמ"ר דקות. זה יהיה שווה ל-2.05 cal/cm2 min. בינואר ו-1.91 קלוריות/סמ"ר דקות. ביולי.

לכן, חצי הכדור הצפוני במהלך יום קיץ מקבל מעט פחות קרינה בגבול האטמוספירה מאשר חצי הכדור הדרומי במהלך יום הקיץ שלו.

כמות הקרינה המתקבלת ביום בגבול האטמוספירה תלויה בתקופת השנה ובקו הרוחב של המקום. מתחת לכל קו רוחב, העונה קובעת את משך זרימת הקרינה. אבל בקווי רוחב שונים, משך שעות היום באותו זמן שונה.

בקוטב, השמש אינה שוקעת כלל בקיץ, ואינה זורחת במשך 6 חודשים בחורף. בין הקוטב לחוג הארקטי, השמש אינה שוקעת בקיץ, ואינה זורחת בחורף במשך תקופה של שישה חודשים עד יום אחד. בקו המשווה, שעות היום נמשכות תמיד 12 שעות. מהחוג הארקטי ועד לקו המשווה, שעות האור פוחתות בקיץ ועולות בחורף.

אבל שטף קרינת השמש על משטח אופקי תלוי לא רק באורך היום, אלא גם בגובה השמש. כמות הקרינה המגיעה לגבול האטמוספירה ליחידת משטח אופקי היא פרופורציונלית לסינוס של גובה השמש. וגובה השמש לא רק משתנה בכל מקום במהלך היום, אלא תלוי גם בזמן השנה. גובה השמש בקו המשווה משתנה במהלך השנה מ-90 ל-66.5°, באזורים הטרופיים מ-90 ל-43°, במעגלי הקוטב מ-47 ל-0° ובקטבים מ-23.5 ל-0°.

כדוריות כדור הארץ והנטייה של המישור המשווני למישור האקליפטיקה יוצרים התפלגות מורכבת של זרימת הקרינה על פני קווי הרוחב בגבול האטמוספירה ושינוייה במהלך השנה.
בחורף זרימת הקרינה פוחתת מהר מאוד מקו המשווה לקוטב, בקיץ היא פוחתת הרבה יותר לאט. במקרה זה, המקסימום בקיץ נצפה באזור הטרופי, וזרם הקרינה פוחת במקצת מהאזור הטרופי לקו המשווה. ההבדל הקטן בזרימת הקרינה בין קווי הרוחב הטרופיים לקוטביים בקיץ מוסבר בכך שלמרות שגובה השמש בקווי הרוחב הקוטבי נמוך יותר בקיץ מאשר באזורים הטרופיים, אורך היום ארוך. ביום היפוך הקיץ, אם כן, בהעדר אטמוספירה, הקוטב יקבל יותר קרינה מקו המשווה. אולם, בסמוך לפני כדור הארץ, כתוצאה מהפחתת הקרינה על ידי האטמוספירה, השתקפותה על ידי עננים וכו', זרימת הקרינה בקיץ בקווי רוחב קוטביים קטנה משמעותית מאשר בקווי רוחב נמוכים יותר.

בגבול העליון של האטמוספירה מחוץ לאזור הטרופי, יש מקסימום קרינה שנתי אחד בזמן היפוך הקיץ ומינימום אחד בזמן היפוך החורף. אבל בין האזורים הטרופיים, לזרימת הקרינה יש שני מקסימום בשנה, המיוחסים לזמנים שבהם השמש מגיעה לגובה הצהריים הגבוה ביותר שלה. בקו המשווה זה יהיה בימי השוויון, בקווי רוחב תוך טרופיים אחרים - לאחר האביב ולפני שוויון הסתיו, התרחקות מעיתוי השוויון, ככל שקו הרוחב גדול יותר. משרעת השונות השנתית בקו המשווה קטנה, בתוך הטרופיים היא קטנה; בקווי רוחב ממוזגים וגבוהים הוא הרבה יותר גדול.

חלוקת חום ואור על פני כדור הארץ

השמש היא הכוכב של מערכת השמש, המהווה מקור לכמות עצומה של חום ואור מסנוור עבור כדור הארץ. למרות העובדה שהשמש נמצאת במרחק ניכר מאיתנו ורק חלק קטן מהקרינה שלה מגיעה אלינו, זה מספיק להתפתחות החיים על פני כדור הארץ. כוכב הלכת שלנו סובב סביב השמש במסלול. אם כדור הארץ נצפה מחללית במהלך השנה, אז אפשר להבחין שהשמש תמיד מאירה רק חצי אחד של כדור הארץ, לכן, יהיה שם יום, ובזמן הזה יהיה לילה בחציו הנגדי. פני כדור הארץ מקבלים חום רק במהלך היום.

כדור הארץ שלנו מתחמם בצורה לא אחידה. החימום הלא אחיד של כדור הארץ מוסבר על ידי צורתו הכדורית, ולכן זווית כניסתה של קרני השמש באזורים שונים שונה, מה שאומר שחלקים שונים בכדור הארץ מקבלים כמויות שונות של חום. בקו המשווה, קרני השמש נופלות אנכית, והן מחממות מאוד את כדור הארץ.ככל שמתרחקים מקו המשווה, זווית הפגיעה של האלומה הולכת וקטנה, וכתוצאה מכך, שטחים אלה מקבלים פחות חום. אותה אלומת כוח של קרינת שמש מחממת שטח קטן בהרבה ליד קו המשווה, מכיוון שהיא נופלת אנכית. בנוסף, קרניים הנופלות בזווית קטנה יותר מאשר בקו המשווה, חודרות לאטמוספירה, עוברות בה נתיב ארוך יותר, וכתוצאה מכך חלק מקרני השמש מפוזרות בטרופוספירה ואינן מגיעות לפני כדור הארץ. כל זה מצביע על כך שככל שמתרחקים מקו המשווה לצפון או לדרום, טמפרטורת האוויר יורדת, ככל שזווית הפגיעה של קרן השמש פוחתת.

מידת החימום של פני כדור הארץ מושפעת גם מהעובדה שציר כדור הארץ נוטה למישור המסלול, שלאורכו כדור הארץ מבצע סיבוב שלם סביב השמש, בזווית של 66.5 מעלות ומכוון תמיד על ידי הקצה הצפוני לכיוון כוכב הקוטב.

תארו לעצמכם שלכדור הארץ, נע סביב השמש, ציר כדור הארץ מאונך למישור מסלול הסיבוב. ואז פני השטח בקווי רוחב שונים יקבלו כמות קבועה של חום לאורך כל השנה, זווית כניסתה של קרן השמש תהיה קבועה כל הזמן, היום תמיד יהיה שווה ללילה, לא יהיו חילופי עונות. בקו המשווה, תנאים אלה יהיו שונים מעט מההווה. לנטיית ציר כדור הארץ יש השפעה משמעותית על חימום פני כדור הארץ, ומכאן על האקלים כולו, דווקא בקווי רוחב ממוזגים.

במהלך השנה, כלומר במהלך המהפכה השלמה של כדור הארץ סביב השמש, ארבעה ימים ראויים לציון במיוחד: 21 במרץ, 23 בספטמבר, 22 ביוני, 22 בדצמבר.

הטרופיים והמעגלים הקוטביים מחלקים את פני כדור הארץ לחגורות השונות בתאורת השמש ובכמות החום המתקבלת מהשמש. ישנם 5 אזורי הארה: אזורי הקוטב הצפוני והדרומי, המקבלים מעט אור וחום, האזור הטרופי עם אקלים חם, והאזורים הממוזגים הצפוניים והדרומיים, המקבלים יותר אור וחום מהקוטב, אך פחות מ. הטרופיים.

אז, לסיכום, אנו יכולים להסיק מסקנה כללית: חימום לא אחיד והארה של פני כדור הארץ קשורים לכדוריות של כדור הארץ שלנו ולנטייה של ציר כדור הארץ עד 66.5 מעלות למסלול הסיבוב סביב השמש.

הצטברות חום בסלע חם, בטון, חלוקי נחל וכו'.

למים יש את אחת מיכולות החום הגבוהות ביותר - 4.2 J / cm3 * K, בעוד לבטון יש רק שליש מהערך הזה. בטון, לעומת זאת, ניתן לחמם לטמפרטורות גבוהות בהרבה של 1200C על ידי, למשל, חימום חשמלי ובכך יש לו יכולת כוללת הרבה יותר גבוהה. בעקבות הדוגמה שלהלן, קובייה מבודדת בקוטר של כ-2.8 מ' יכולה לספק מספיק חום מאוחסן עבור בית אחד כדי לעמוד ב-50% מדרישת החימום. באופן עקרוני, זה יכול לשמש לאחסון עודפי רוח או אנרגיה תרמית פוטו-וולטאית בשל היכולת של חימום חשמלי להגיע לטמפרטורות גבוהות.

ברמת המחוז, פרויקט Wiggenhausen-Süd בעיר פרידריכסהפן הגרמנית משך תשומת לב בינלאומית. זוהי יחידת אחסון חום מבטון מזוין בגודל 12,000 מ"ר (420,000 מ"ר) המחוברת לשטח של 4,300 מ"ר (46,000 מ"ר.

ft.), המכסה מחצית מהצורך במים חמים וחימום עבור 570 בתים. סימנס בונה ליד המבורג מתקן לאחסון חום בקיבולת של 36 MWh, המורכב מבזלת מחוממת ל-600C ומייצר כוח של 1.5 MW. מערכת דומה מתוכננת לבנייה בעיר דנית סורו, שבה יועבר 41-58% מהחום המאוחסן בהספק של 18 MWh לחימום המחוזי של העיר, ו-30-41% כחשמל.

כיצד לחשב את ההחזר של חימום השמש

באמצעות הטבלה שלהלן, תוכלו לחשב כמה יופחתו עלויות החימום שלכם בעת שימוש בקולטים סולאריים, כמה זמן מערכת זו יכולה להשתלם ואילו יתרונות ניתן לקבל על פני תקופות פעולה שונות. מודל זה פותח עבור פרימורסקי קריי, אך ניתן להשתמש בו גם להערכת השימוש בחימום סולארי במחוז חברובסק, מחוז עמור, סחלין, קמצ'טקה ודרום סיביר.במקרה זה, לקולטי שמש תהיה פחות השפעה בחודשים דצמבר-ינואר בקווי רוחב גבוהים יותר, אך היתרונות הכוללים יהיו לא פחות, בהתחשב בעונת החימום הארוכה יותר.

בטבלה הראשונה הזינו את הפרמטרים של הבית, מערכת החימום ומחירי האנרגיה. ניתן לשנות את כל השדות המסומנים בירוק ולדמות בית קיים או מתוכנן.

ראשית, הזן את האזור המחומם של הבית שלך בעמודה הראשונה.
לאחר מכן הערך את איכות שיטת הבידוד התרמי והחימום של הבניין על ידי בחירת הערכים המתאימים.
ציין את מספר בני המשפחה ואת צריכת המים החמים - זה יעזור להעריך את היתרונות של אספקת מים חמים של קולטי שמש.
הזן מחירים עבור מקור אנרגיית החימום הרגיל שלך - חשמל, סולר או פחם.
הזינו את שווי ההכנסה הרגילה של בן משפחה העוסק בחימום במשק הבית שלכם. זה עוזר להעריך את עלויות העבודה לעונת החימום וממלא תפקיד חשוב במיוחד עבור מערכות דלק מוצק, בהן יש צורך להביא ולפרוק פחם, לזרוק אותו לכבשן, לזרוק אפר וכו'.
מחיר מערכת קולט השמש ייקבע באופן אוטומטי, בהתאם לפרמטרים של המבנה שציינת. מחיר זה הוא משוער - עלויות ההתקנה בפועל והפרמטרים של ציוד חימום סולארי עשויים להיות שונים ומחושבים על ידי מומחים בנפרד בכל מקרה ומקרה.
בעמודת "עלויות התקנה" ניתן להזין את עלות הציוד והתקנת מערכת הסקה מסורתית - קיימת או מתוכננת

אם המערכת כבר מותקנת, אתה יכול להזין "0".
שימו לב לגובה ההוצאות לעונת החימום והשוו להוצאות הרגילות שלכם. אם הם שונים, נסה לשנות את ההגדרות.

בעמודה "עלויות חימום לעונה", מערכות חימום פחמיות לוקחות בחשבון את הערך הכספי של עלויות העבודה. אם לא תרצו להתחשב בהם, תוכלו להפחית את ערך הכנסתו של בן משפחה העוסק בחימום. עלויות העבודה נחשבות במידה פחותה עבור מערכות דלק נוזלי ואינן נלקחות בחשבון עבור מערכות דודי חשמל. התאמת קולטי השמש מתבצעת באופן אוטומטי ואינה דורשת תשומת לב מתמדת.

בעמודה "חיים" ברירת המחדל היא 20 שנה - זהו אורך החיים הרגיל של מערכות חימום סולארי עם קולטי שמש. בהתאם לתנאי ההפעלה, קולטי שמש יכולים להחזיק מעמד יותר מתקופה זו. ניתן לשנות את משך החיים והגרף למטה ישקף את ההבדל בין עלויות ההתקנה והתחזוקה ואת היתרונות של שימוש בקולטים סולאריים לחימום. כך תוכלו לראות עד כמה יופחתו עלויות החימום וכמה זמן ההבדל הזה יאפשר להחזיר את עלויות התקנת קולטי שמש.

התוצאות הסופיות משוערות, אך נותנות מושג טוב על כמה יכולה לעלות מערכת חימום סולארית וכמה זמן היא יכולה להחזיר את עצמה.

שימו לב שניתן להוזיל משמעותית את עלויות עונת החימום על ידי שימוש בקולטי שמש, מערכות חימום תת רצפתי ושיפור הבידוד התרמי של המבנה. כמו כן, ניתן להוזיל את עלויות החימום אם המבנה מתוכנן מראש לשימוש בחימום סולארי ושימוש בטכנולוגיות אקולוגיות.

svetdv.ru

מהו חום השמש

מאז ימי קדם, אנשים היו מודעים היטב לתפקידה של השמש בחייהם. כמעט בכל העמים, היא פעלה כאלוהויות הראשיות או כאחת האלוהויות העיקריות, והעניקה חיים ואור לכל היצורים החיים. כיום, לאנושות יש מושג הרבה יותר טוב מהיכן מגיע חום השמש.

מנקודת המבט של המדע, השמש שלנו היא כוכב צהוב, המהווה את האור לכל המערכת הפלנטרית שלנו.הוא שואב את האנרגיה שלו מהליבה - החלק המרכזי של כדור חם ענק, שבו מתרחשות תגובות היתוך תרמו-גרעיניות בעלות עוצמה בלתי נתפסת בטמפרטורה הנמדדת במיליוני מעלות. רדיוס הליבה הוא לא יותר מרבע מהרדיוס הכולל של השמש, אבל בליבה נוצרת אנרגיית קרינה, שחלק קטן ממנה מספיק כדי לתמוך בחיים על הפלנטה שלנו.

האנרגיה המשתחררת חודרת לשכבות החיצוניות של השמש דרך אזור ההסעה ומגיעה אל הפוטוספירה - פני השטח המקרינים של הכוכב. הטמפרטורה של הפוטוספירה מתקרבת ל-6,000 מעלות, היא זו שממירה ופולטת לחלל את האנרגיה הזוהרת שהכוכב שלנו קולט. למעשה, אנו חיים בשל שריפה הדרגתית ואיטית של פלזמת הכוכבים המרכיבה את השמש.

הרכב ספקטרלי של קרינת השמש

מרווח אורך הגל בין 0.1 ל-4 מיקרון מהווה 99% מכלל האנרגיה של קרינת השמש. נותר רק 1% לקרינה עם אורכי גל קצרים וארוכים יותר, עד לקרני רנטגן וגלי רדיו.
האור הנראה תופס טווח צר של אורכי גל, רק מ-0.40 עד 0.75 מיקרון. עם זאת, מרווח זה מכיל כמעט מחצית מכל אנרגיית קרינת השמש (46%). כמעט אותה כמות (47%) נמצאת בקרני אינפרא אדום, ו-7% הנותרים הם באולטרה סגול.
במטאורולוגיה נהוג להבחין בין קרינה קצרה לגל ארוך. קרינה עם גלים קצרים נקראת קרינה בטווח אורכי גל שבין 0.1 ל-4 מיקרון. הוא כולל, בנוסף לאור הנראה, את הקרינה האולטרה-סגולה והאינפרא-אדום הקרובה ביותר אליו באורכי גל. קרינת השמש היא 99% ​​קרינת גלים קצרים כזו. קרינה ארוכת גלים כוללת קרינה של פני כדור הארץ והאטמוספרה באורכי גל בין 4 ל-100-120 מיקרון.
עוצמת קרינת השמש הישירה

קרינה המגיעה אל פני כדור הארץ ישירות מדיסקת השמש נקראת קרינת שמש ישירה, בניגוד לקרינה המפוזרת באטמוספרה. קרינת השמש מתפשטת מהשמש לכל הכיוונים. אבל המרחק מכדור הארץ לשמש כל כך גדול שקרינה ישירה נופלת על כל משטח על פני כדור הארץ בצורה של קרן של קרניים מקבילות הבוקעת, כביכול, מאינסוף. אפילו כדור הארץ בכללותו קטן כל כך בהשוואה למרחק מהשמש, עד שכל קרינת השמש הנופלת עליו יכולה להיחשב כאל קרן של קרניים מקבילות ללא טעות ניכרת.

זרימת קרינת השמש הישירה אל פני כדור הארץ או לכל רמה גבוהה יותר באטמוספירה מאופיינת בעוצמת הקרינה אני, כלומר, כמות אנרגיית הקרינה הנכנסת ליחידת זמן (דקה) ליחידת שטח (סנטימטר רבוע אחד) בניצב לקרני השמש.

אורז. 1. זרימת קרינת השמש אל פני השטח בניצב לקרניים (א.ב), ועל משטח אופקי (AC).

קל להבין שיחידת שטח הממוקמת בניצב לקרני השמש תקבל את כמות הקרינה המרבית האפשרית בתנאים נתונים. ליחידת שטח אופקי תהיה כמות קטנה יותר של אנרגיית קרינה:

אני' = אני חוטא

איפה ח הוא גובה השמש (איור 1).

כל סוגי האנרגיה שווים זה לזה. לכן, אנרגיית קרינה יכולה להתבטא ביחידות של כל סוג של אנרגיה, למשל, בתרמית או מכנית. טבעי לבטא אותו ביחידות תרמיות, כי מכשירי המדידה מבוססים על ההשפעה התרמית של הקרינה: אנרגיית קרינה, הנספגת כמעט לחלוטין במכשיר, מומרת לחום, הנמדד. לפיכך, עוצמת קרינת השמש הישירה תתבטא בקלוריות לסנטימטר רבוע לדקה (cal/cm2min).

ייצור חשמל

אנרגיה סולארית פועלת על ידי הפיכת אור השמש לחשמל.זה יכול לקרות באופן ישיר, באמצעות פוטו-וולטאים, או בעקיפין, באמצעות מערכות אנרגיה סולארית מרוכזת, שבהן עדשות ומראות אוספות אור שמש משטח גדול לתוך קרן דקה, ומנגנון מעקב עוקב אחר מיקום השמש. פוטו-וולטאים ממירים אור לחשמל באמצעות האפקט הפוטואלקטרי.

אנרגיה סולארית צפויה להפוך למקור החשמל הגדול ביותר עד שנת 2050, כאשר אנרגיה פוטו-וולטאית ואנרגיה סולארית מרוכזת מהווים 16% ו-11% מייצור החשמל העולמי, בהתאמה.

תחנות כוח מסחריות המשתמשות באנרגיה סולארית מרוכזת הופיעו לראשונה בשנות ה-80. לאחר 1985, מתקן SEGS של 354 מגה-וואט מסוג זה במדבר מוהאבי (קליפורניה) הפך לתחנת הכוח הסולארית הגדולה בעולם. תחנות כוח סולאריות נוספות מסוג זה כוללות את סולנובה (150 מגה וואט) ואנדסול (100 מגוואט), שתיהן בספרד. בין תחנות הכוח הפוטו-וולטאיות הגדולות ביותר (אנגלית) הן Agua Caliente Solar Project (250 MW) בארה"ב, ו-Charanka Solar Park (221 MW) בהודו. פרויקטים מעל 1 GW נמצאים בפיתוח, אך רוב המתקנים הפוטו-וולטאיים עד 5 קילוואט הם קטנים וגג. נכון לשנת 2013, אנרגיה סולארית היוותה פחות מ-1% מהחשמל ברשת העולמית.

סוגי קרינת השמש

באטמוספירה, קרינת השמש בדרכה אל פני כדור הארץ נבלעת בחלקה, ובחלקה מפוזרת ומוחזרת מעננים ומפני כדור הארץ. שלושה סוגים של קרינת שמש נצפים באטמוספירה: ישירה, מפוזרת וטוטלית.

קרינת שמש ישירה – קרינה המגיעה אל פני כדור הארץ ישירות מדיסקת השמש. קרינת השמש מתפשטת מהשמש לכל הכיוונים. אבל המרחק מכדור הארץ לשמש כל כך גדול שקרינה ישירה נופלת על כל משטח על פני כדור הארץ בצורה של קרן של קרניים מקבילות הבוקעת, כביכול, מאינסוף. אפילו כדור הארץ כולו הוא כה קטן בהשוואה למרחק מהשמש, עד שכל קרינת השמש הנופלת עליו יכולה להיחשב קרן של קרניים מקבילות ללא שגיאה ניכרת.

רק קרינה ישירה מגיעה לגבול העליון של האטמוספירה. כ-30% מתקרית הקרינה על כדור הארץ מוחזרת לחלל החיצון. חמצן, חנקן, אוזון, פחמן דו חמצני, אדי מים (עננים) וחלקיקי אירוסול סופגים 23% מקרינת השמש הישירה באטמוספירה. האוזון סופג קרינה אולטרה סגולה ונראית לעין. למרות שהתוכן שלו באוויר קטן מאוד, הוא סופג את כל הקרינה האולטרה סגולה (כ-3%)

לפיכך, הוא אינו נצפה כלל על פני כדור הארץ, דבר שחשוב מאוד לחיים על פני כדור הארץ.

גם קרינת שמש ישירה בדרכה באטמוספרה מפוזרת. חלקיק (טיפה, גביש או מולקולה) של אוויר, שנמצא בנתיב של גל אלקטרומגנטי, "מחלץ" ללא הרף אנרגיה מהגל הנוצר ומקרין אותו מחדש לכל הכיוונים, והופך לפולט אנרגיה.

כ-25% מהאנרגיה של שטף קרינת השמש הכולל העובר באטמוספירה מתפזר על ידי מולקולות גז אטמוספריות ותרסיס ומומרת באטמוספירה לקרינת שמש מפוזרת. לפיכך, קרינת שמש מפוזרת היא קרינת שמש שעברה פיזור באטמוספירה. קרינה מפוזרת מגיעה אל פני כדור הארץ לא מדיסקת השמש, אלא מכל הרקיע. קרינה מפוזרת שונה מקרינה ישירה בהרכבה הספקטרלי, שכן קרניים בעלות אורכי גל שונים מפוזרות בדרגות שונות.

מכיוון שהמקור העיקרי לקרינה מפוזרת הוא קרינת שמש ישירה, שטף הקרינה המפוזרת תלוי באותם גורמים המשפיעים על שטף הקרינה הישירה. בפרט, שטף הקרינה המפוזרת גדל ככל שגובה השמש עולה ולהיפך.הוא גם עולה עם עלייה במספר החלקיקים המתפזרים באטמוספירה, כלומר. עם ירידה בשקיפות האטמוספירה, ויורדת עם גובה מעל פני הים עקב ירידה במספר החלקיקים המתפזרים בשכבות העיליות של האטמוספירה. לעננות ולכיסוי השלג השפעה רבה מאוד על קרינה מפוזרת, אשר עקב פיזור והשתקפות הקרינה הישירה והמפוזרת הנופלת עליהם ופיזורם מחדש באטמוספרה, יכולה להגביר את קרינת השמש המפוזרת פי כמה.

קרינה מפוזרת משלימה משמעותית את קרינת השמש הישירה ומגבירה משמעותית את זרימת אנרגיית השמש אל פני כדור הארץ. תפקידו גדול במיוחד בחורף בקווי רוחב גבוהים ובאזורים אחרים בעלי עננות גבוהה, בהם חלק הקרינה המפוזרת עשוי לעלות על חלקי הקרינה הישירה. לדוגמה, בכמות השנתית של אנרגיה סולארית, קרינה מפוזרת מהווה 56% בארכנגלסק ו-51% בסנט פטרסבורג.

קרינת השמש הכוללת היא סכום השטפים של קרינה ישירה ומפוזרת המגיעים למשטח אופקי. לפני הזריחה ואחרי השקיעה, כמו גם בשעות היום עם עננות מתמשכת, הקרינה הכוללת היא מלאה, ובגובה נמוך של השמש היא מורכבת בעיקר מקרינה מפוזרת. בשמים נטולי ענן או מעונן קלות, עם עלייה בגובה השמש, שיעור הקרינה הישירה בהרכב הכולל עולה במהירות ובשעות היום השטף שלה גדול פי כמה משטף הקרינה המפוזרת. עננות בממוצע מחלישה את סך הקרינה (ב-20-30%), אולם עם עננות חלקית שאינה מכסה את הדיסק הסולארי, השטף שלה עשוי להיות גדול יותר מאשר בשמים ללא עננים. כיסוי השלג מגביר באופן משמעותי את שטף הקרינה הכוללת על ידי הגדלת שטף הקרינה המפוזרת.

הקרינה הכוללת, הנופלת על פני כדור הארץ, נספגת ברובה בשכבת האדמה העליונה או בשכבת מים עבה יותר (קרינה נספגת) והופכת לחום, ומוחזרת חלקית (קרינה מוחזרת).

חגורות תרמיות

בהתאם לכמות קרינת השמש החודרת אל פני כדור הארץ, נבדלים 7 אזורים תרמיים על פני הגלובוס: חם, שני אזורים בינוניים, שניים קרים ושני אזורים של כפור נצחי. הגבולות של אזורים תרמיים הם איזותרמים. החגורה החמה תחומה על ידי איזותרמיות שנתיות ממוצעות של +20°С מצפון ומדרום (איור 9). שני אזורים ממוזגים מצפון ומדרום לאזור החם מוגבלים מצד קו המשווה על ידי איזותרמה שנתית ממוצעת של +20 מעלות צלזיוס, ומהצד של קווי רוחב גבוהים על ידי איזותרמה של +10 מעלות צלזיוס (טמפרטורת האוויר הממוצעת של החודשים החמים ביותר הם יולי בצפון וינואר בחצי הכדור הדרומי). הגבול הצפוני חופף בערך לגבול תפוצת היער. שני האזורים הקרים מצפון ומדרום לאזור הממוזג בחצי הכדור הצפוני והדרומי נמצאים בין האיזותרמיות +10°C ו-0°C של החודש החם ביותר. שתי החגורות של הכפור הנצחי תחום על ידי האיזותרם של 0°C של החודש החם ביותר מהחגורות הקרות. ממלכת השלג והקרח הנצחית משתרעת לקוטב הצפוני והדרומי.

תוצאות מדידה של קרינת שמש ישירה

עם שקיפות האטמוספירה ללא שינוי, עוצמת קרינת השמש הישירה תלויה במסה האופטית של האטמוספירה, כלומר, בסופו של דבר בגובה השמש. לכן, במהלך היום, קרינת השמש צריכה קודם כל לעלות במהירות, אחר כך לאט יותר מהזריחה עד הצהריים, ובהתחלה לאט, ואז לרדת במהירות מהצהריים לשקיעה.

אבל שקיפות האווירה במהלך היום משתנה בגבולות מסוימים. לכן, עקומת מהלך הקרינה בשעות היום, אפילו ביום ללא עננים לחלוטין, מראה כמה אי סדרים.
הבדלים בעוצמת הקרינה בצהריים נובעים בעיקר מהבדלים בגובה השמש בצהריים, הנמוך יותר בחורף מאשר בקיץ. העוצמה המינימלית בקווי רוחב ממוזגים מתרחשת בחודש דצמבר, כאשר השמש נמצאת בשפל. אבל העוצמה המקסימלית היא לא בחודשי הקיץ, אלא באביב.העובדה היא שבאביב האוויר הוא הכי פחות מעונן על ידי מוצרי עיבוי ומעט מאובק. בקיץ מתגבר האבק, וגם תכולת אדי המים באטמוספרה עולה, מה שמפחית במידת מה את עוצמת הקרינה.

ערכי עוצמת הקרינה הישירה המקסימלית עבור נקודות מסוימות הם כדלקמן (בקל/ס"מ 2 דקות): מפרץ טיקסי 1.30, פבלווסק 1.43, אירקוטסק 1.47, מוסקבה 1.48, קורסק 1.51, טביליסי 1.51, ולדיווסטוק 1, 46, טאשקן.

ניתן לראות מנתונים אלו שהערכים המקסימליים של עוצמת הקרינה גדלים מעט מאוד עם ירידה בקו הרוחב הגיאוגרפי, למרות העלייה בגובה השמש. זה מוסבר על ידי עלייה בתכולת הלחות, ובחלקו על ידי אבק אוויר בקווי הרוחב הדרומיים. בקו המשווה, ערכי הקרינה המקסימליים אינם עולים בהרבה על מקסימום הקיץ של קווי הרוחב הממוזגים. באוויר היבש של מדבריות סובטרופיים (סהרה), לעומת זאת, נצפו ערכים של עד 1.58 cal/cm2 min.

עם גובה מעל פני הים, ערכי הקרינה המקסימליים עולים עקב ירידה במסה האופטית של האטמוספירה באותו גובה של השמש. עבור כל 100 מ' של גובה, עוצמת הקרינה בטרופוספירה עולה ב-0.01-0.02 cal/cm2 דקות. כבר אמרנו שהערכים המקסימליים של עוצמת הקרינה הנצפים בהרים מגיעים ל-1.7 cal/cm2 דק' ויותר.