Plokščiojo saulės kolektoriaus skaičiavimas
Praktika rodo, kad statmenai ryškiai saulės šviesai įrengto paviršiaus kvadratiniam metrui (su be debesuotu dangumi) vidutiniškai tenka 900 W šiluminės energijos. SC apskaičiuosime pagal modelį, kurio plotas 1 m². Priekinė pusė matinė, juoda (turi beveik 100% šilumos energijos sugėrimą). Galinė pusė apšiltinta 10 cm putų polistirolo sluoksniu. Būtina apskaičiuoti šilumos nuostolius, kurie atsiranda atvirkštinėje, šešėlinėje pusėje. Putų polistirolo šiluminės izoliacijos koeficientas - 0,05 W / m × deg. Žinodami storį ir darydami prielaidą, kad temperatūros skirtumas priešingose medžiagos pusėse yra 50 laipsnių ribose, apskaičiuojame šilumos nuostolius:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Maždaug tiek pat nuostolių tikimasi iš galų ir vamzdžių, tai yra, bendra suma bus 50 vatų. Dangus be debesų yra retas, todėl taip pat reikia atsižvelgti į purvo nuosėdų poveikį kolektoriui. Todėl šilumos energijos kiekį 1 m² sumažinsime iki 800 W. Vandens, naudojamo kaip šilumnešis plokščiuose SC, šiluminė galia yra 4200 J/kg × deg arba 1,16 W/kg × deg. Tai reiškia, kad norint pakelti vieno litro vandens temperatūrą vienu laipsniu, prireiks 1,16 W energijos. Atsižvelgdami į šiuos skaičiavimus, gauname tokią 1 m² ploto saulės kolektoriaus modelio vertę:
Patogumui apvaliname iki 700 / kg × deg. Ši išraiška nurodo vandens kiekį, kurį galima šildyti kolektoriuje (1 m² modelis) valandą. Čia neatsižvelgiama į šilumos nuostolius iš priekinės pusės, kurie padidės, kai jis įšyla. Šie nuostoliai apribos aušinimo skysčio įkaitimą saulės kolektoriuje 70-90 laipsnių ribose. Šiuo atžvilgiu 700 vertė gali būti taikoma žemai temperatūrai (nuo 10 iki 60 laipsnių). Saulės kolektoriaus skaičiavimas rodo, kad 1 m² sistema gali pašildyti 10 litrų vandens 70 laipsnių, o to visiškai pakanka, kad namas būtų aprūpintas karštu vandeniu. Sutrumpinti vandens pašildymo laiką galite sumažindami saulės kolektoriaus tūrį išlaikant jo plotą. Jei name gyvenančių žmonių skaičius reikalauja didesnio vandens tūrio, reikėtų naudoti kelis šio ploto kolektorius, kurie sujungti į vieną sistemą. Kad saulės šviesa kuo efektyviau veiktų radiatorių, kolektorius turi būti nukreiptas kampu į horizonto liniją, lygią ploto platumai. Tai jau buvo aptarta straipsnyje Kaip apskaičiuoti saulės baterijų galią, galioja tas pats principas. Vidutiniškai vieno žmogaus gyvybei užtikrinti reikia 50 litrų karšto vandens. Atsižvelgiant į tai, kad vandens temperatūra prieš kaitinant yra apie 10 °C, temperatūrų skirtumas yra 70 - 10 = 60 °C. Šilumos kiekis, reikalingas vandeniui pašildyti, yra toks:
W = Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW energijos.
Padalinę W iš saulės energijos kiekio 1 m² paviršiaus tam tikrame plote (duomenys iš hidrometeorologijos centrų), gauname kolektoriaus plotą. Saulės kolektoriaus apskaičiavimas šildymui atliekamas panašiai. Bet vandens (aušinimo skysčio) tūrio reikia daugiau, tai priklauso nuo šildomos patalpos tūrio. Galima daryti išvadą, kad pagerinti tokio tipo vandens šildymo sistemos efektyvumą galima mažinant tūrį ir kartu didinant plotą.
Ledo technologijos
Kuriama nemažai technologijų, kai ledas gaminamas ne piko metu, o vėliau naudojamas aušinimui. Pavyzdžiui, oro kondicionavimą galima padaryti ekonomiškesnį, naktį naudojant pigią elektrą vandeniui užšaldyti, o vėliau naudojant ledo aušinimo galią dieną, kad sumažėtų energijos, reikalingos oro kondicionavimui palaikyti, kiekis. Šiluminės energijos kaupimui naudojant ledą naudojama didelė vandens sintezės šiluma. Istoriškai ledas buvo vežamas iš kalnų į miestus, kad būtų naudojamas kaip aušinimo skystis. Viena metrinė (= 1 m3) tona vandens gali sukaupti 334 milijonus džaulių (J) arba 317 000 britų šiluminių vienetų (93 kWh).Santykinai mažas saugykla gali laikyti pakankamai ledo, kad būtų galima atvėsinti didelį pastatą visą dieną ar savaitę.
Be to, kad ledas naudojamas tiesioginiam aušinimui, jis taip pat naudojamas šilumos siurbliuose, kurie maitina šildymo sistemas. Šiose srityse fazės energijos pokyčiai sukuria labai rimtą šilumą laidų sluoksnį, artimą žemesnei temperatūros ribai, kuriai esant gali veikti vandens šilumą naudojantys šilumos siurblys. Tai leidžia sistemai atlaikyti didžiausias šildymo apkrovas ir padidinti laiką, kurį energijos šaltinio elementai gali grąžinti šilumą į sistemą.
Endoterminės ir egzoterminės cheminės reakcijos
Druskos hidrato technologija
Eksperimentinės energijos kaupimo technologijos, pagrįstos cheminių reakcijų energija, pavyzdys yra technologija, pagrįsta druskų hidratais. Sistema naudoja reakcijos, susidariusios druskų hidratacijos arba dehidratacijos, energiją. Jis veikia kaupdamas šilumą rezervuare, kuriame yra 50% natrio hidroksido tirpalo. Šiluma (pavyzdžiui, gaunama iš saulės kolektoriaus) kaupiama dėl vandens išgaravimo endoterminės reakcijos metu. Vėl įpylus vandens, egzoterminės reakcijos metu 50C (120F) temperatūroje išsiskiria šiluma. Šiuo metu sistemos veikia 60 proc. Sistema ypač efektyvi sezoniniam šiluminės energijos kaupimui, nes išdžiovinta druska gali būti ilgai laikoma kambario temperatūroje neprarandant energijos. Dehidratuotos druskos talpyklas netgi galima gabenti į skirtingas vietas. Sistemos energijos tankis didesnis nei vandenyje sukaupta šiluma, o jos talpa leidžia kaupti energiją kelis mėnesius ar net metus.
2013 metais Nyderlandų technologijų kūrėjas TNO pristatė šilumos saugojimo druskos talpykloje projekto MERITS rezultatus. Šiluma, kuri gali būti tiekiama iš saulės kolektoriaus į plokščią stogą, išgarina druskoje esantį vandenį. Vėl įpylus vandens, šiluma išsiskiria praktiškai neprarandant energijos. Talpykla su keliais kubiniais metrais druskos gali sukaupti pakankamai termocheminės energijos, kad visą žiemą būtų galima šildyti namą. Esant tokiai temperatūrai kaip Olandijoje, vidutiniam karščiui atspariam ūkiui per žiemą prireiks apie 6,7 GJ energijos. Norint sukaupti tiek energijos vandenyje (su temperatūrų skirtumu 70C), reikėtų 23 m3 vandens izoliuotoje talpykloje, o tai yra daugiau nei gali sutalpinti dauguma namų. Naudojant druskos hidrato technologiją, kurios energijos tankis yra apie 1 GJ/m3, pakaktų 4-8 m3.
Nuo 2016 m. kelių šalių mokslininkai atlieka eksperimentus, siekdami nustatyti geriausią druskos ar druskų mišinio rūšį. Atrodo, kad žemas slėgis konteinerio viduje yra geriausias energijos perdavimui. Ypač perspektyvios yra organinės druskos, vadinamieji „joniniai skysčiai“. Palyginti su ličio halogenidų sorbentais, jie sukelia daug mažiau problemų aplinkoje, kurioje yra riboti ištekliai, o, palyginti su dauguma halogenidų ir natrio hidroksido, jie yra mažiau šausmingi ir neturi neigiamo poveikio dėl anglies dioksido emisijos.
Molekuliniai cheminiai ryšiai
Šiuo metu yra tiriama galimybė kaupti energiją molekuliniuose cheminiuose ryšiuose. Jau pasiektas energijos tankis, prilygstantis ličio jonų baterijoms.
Radiacijos pasiskirstymas ties atmosferos riba
Klimatologijoje labai svarbus radiacijos srauto ir sugrįžimo pasiskirstymas visame pasaulyje. Pirmiausia apsvarstykite saulės spinduliuotės pasiskirstymą ant horizontalaus paviršiaus „prie atmosferos ribos“. Taip pat galima sakyti: „nesant atmosferos“. Taip darome prielaidą, kad nėra nei spinduliuotės sugerties, nei sklaidos, nei jos atspindžio debesyse. Saulės spinduliuotės pasiskirstymas ties atmosferos riba yra pats paprasčiausias.Jis tikrai egzistuoja kelių dešimčių kilometrų aukštyje. Šis pasiskirstymas vadinamas saulės klimatu.
Yra žinoma, kaip per metus kinta saulės konstanta ir atitinkamai į Žemę patenkančios radiacijos kiekis. Jei nustatysime Saulės konstantą faktiniam Žemės atstumui nuo Saulės, tai su vidutine metine verte 1,98 cal/cm2 min. jis bus lygus 2,05 cal/cm2 min. sausį ir 1,91 cal/cm2 min. Liepą.
Todėl šiaurinis pusrutulis vasaros dieną gauna šiek tiek mažiau spinduliuotės ties atmosferos riba nei pietinis pusrutulis vasaros dieną.
Per parą prie atmosferos ribos gaunamos spinduliuotės kiekis priklauso nuo metų laiko ir vietos platumos. Kiekvienoje platumoje sezonas lemia radiacijos antplūdžio trukmę. Tačiau skirtingose platumose dienos dalies trukmė tuo pačiu metu skiriasi.
Prie ašigalio vasarą saulė visai nenusileidžia, o žiemą nepakyla 6 mėnesius. Tarp ašigalio ir poliarinio rato saulė nenusileidžia vasarą, o žiemą nepakyla nuo šešių mėnesių iki vienos dienos. Prie pusiaujo dienos laikas visada trunka 12 valandų. Nuo poliarinio rato iki pusiaujo šviesos paros valandos sumažėja vasarą, o padaugėja žiemą.
Bet saulės spinduliuotės antplūdis ant horizontalaus paviršiaus priklauso ne tik nuo paros ilgio, bet ir nuo saulės aukščio. Radiacijos kiekis, patenkantis į atmosferos ribą, tenkantis horizontalaus paviršiaus vienetui, yra proporcingas saulės aukščio sinusui. O saulės aukštis ne tik keičiasi kiekvienoje vietoje per dieną, bet ir priklauso nuo metų laiko. Saulės aukštis ties pusiauju ištisus metus svyruoja nuo 90 iki 66,5°, tropikuose – nuo 90 iki 43°, poliariniuose apskritimuose – nuo 47 iki 0° ir ašigalių – nuo 23,5 iki 0°.
Žemės sferiškumas ir pusiaujo plokštumos polinkis į ekliptikos plokštumą sukuria sudėtingą radiacijos antplūdžio pasiskirstymą platumose ties atmosferos riba ir jos pokyčius per metus.
Žiemą radiacijos antplūdis nuo pusiaujo iki ašigalio mažėja labai greitai, vasarą – daug lėčiau. Šiuo atveju tropikuose stebimas maksimumas vasarą, o radiacijos antplūdis iš tropiko į pusiaują šiek tiek sumažėja. Nedidelis radiacijos antplūdžio skirtumas tarp atogrąžų ir poliarinių platumų vasarą paaiškinamas tuo, kad nors saulės aukštis poliarinėse platumose vasarą yra mažesnis nei tropikuose, dienos ilgumas yra ilgas. Todėl vasaros saulėgrįžos dieną, nesant atmosferos, ašigalis gautų daugiau spinduliuotės nei pusiaujas. Tačiau netoli žemės paviršiaus dėl atmosferos spinduliuotės susilpnėjimo, jos atspindžio debesyse ir pan., vasarą spinduliuotės antplūdis poliarinėse platumose yra žymiai mažesnis nei žemesnėse platumose.
Viršutinėje atmosferos riboje už atogrąžų ribų yra vienas metinis radiacijos maksimumas vasaros saulėgrįžos metu ir vienas minimumas žiemos saulėgrįžos metu. Tačiau tarp tropikų spinduliuotės antplūdis turi du maksimumus per metus, priskiriamus tais laikais, kai saulė pasiekia aukščiausią vidurdienio aukštį. Ties pusiauju tai bus lygiadienių dienomis, kitose intratropinėse platumose – po pavasario ir prieš rudens lygiadienį, tolstant nuo lygiadienių laiko, tuo didesnė platuma. Metinio kitimo amplitudė ties pusiauju – maža, tropikų viduje – maža; vidutinio klimato ir didelėse platumose jis yra daug didesnis.
Šilumos ir šviesos pasiskirstymas Žemėje
Saulė yra Saulės sistemos žvaigždė, kuri yra didžiulio šilumos kiekio ir akinančios šviesos šaltinis Žemei. Nepaisant to, kad Saulė nuo mūsų yra gerokai nutolusi ir mus pasiekia tik nedidelė jos spinduliuotės dalis, gyvybės Žemėje vystymuisi to visiškai pakanka. Mūsų planeta sukasi aplink Saulę orbita. Jei per metus Žemė stebima iš erdvėlaivio, tai galima pastebėti, kad Saulė visada apšviečia tik vieną Žemės pusę, todėl ten bus diena, o tuo metu priešingoje pusėje – naktis. Žemės paviršius šilumos gauna tik dieną.
Mūsų Žemė šyla netolygiai. Netolygus Žemės įkaitimas paaiškinamas jos sferine forma, todėl saulės spindulio kritimo kampas skirtingose srityse yra skirtingas, o tai reiškia, kad skirtingos Žemės dalys gauna skirtingą šilumos kiekį. Ties pusiauju saulės spinduliai krenta vertikaliai, jie stipriai įkaitina Žemę.Kuo toliau nuo pusiaujo, spindulio kritimo kampas mažėja, todėl šios teritorijos gauna mažiau šilumos. Ta pati saulės spinduliuotės galia šildo daug mažesnį plotą prie pusiaujo, nes jis krenta vertikaliai. Be to, mažesniu kampu nei ties pusiauju krintantys spinduliai, prasiskverbę į atmosferą, joje nukeliauja ilgesnį kelią, dėl to dalis saulės spindulių išsibarstę troposferoje ir nepasiekia žemės paviršiaus. Visa tai rodo, kad tolstant nuo pusiaujo į šiaurę ar pietus, oro temperatūra mažėja, mažėjant saulės spindulio kritimo kampui.
Žemės paviršiaus įkaitimo laipsniui įtakos turi ir tai, kad žemės ašis yra pasvirusi į orbitos plokštumą, išilgai kurios Žemė visiškai apsisuka aplink Saulę, 66,5° kampu ir visada nukreipta šiaurinis galas link Poliarinės žvaigždės.
Įsivaizduokite, kad Žemė, judanti aplink Saulę, turi statmeną sukimosi orbitos plokštumai Žemės ašį. Tada paviršius skirtingose platumose visus metus gautų pastovų šilumos kiekį, saulės spindulių kritimo kampas visą laiką būtų pastovus, diena visada lygi nakčiai, nesikeistų metų laikai. Ties pusiauju šios sąlygos mažai skirtųsi nuo dabartinių. Žemės ašies polinkis turi didelę įtaką žemės paviršiaus įkaitimui, taigi ir visam klimatui, būtent vidutinio klimato platumose.
Per metus, tai yra per visišką Žemės apsisukimą aplink Saulę, ypač dėmesio vertos keturios dienos: kovo 21 d., rugsėjo 23 d., birželio 22 d., gruodžio 22 d.
Tropikai ir poliariniai apskritimai padalija Žemės paviršių į juostas, kurios skiriasi saulės apšvietimu ir iš Saulės gaunamos šilumos kiekiu. Yra 5 apšvietimo zonos: šiaurinė ir pietinė poliarinės zonos, kurios gauna mažai šviesos ir šilumos, tropinė zona su karštu klimatu ir šiaurinė ir pietinė vidutinio klimato zonos, kurios gauna daugiau šviesos ir šilumos nei poliarinės, bet mažiau nei poliarinės. atogrąžų.
Taigi, apibendrinant, galime padaryti bendrą išvadą: netolygus žemės paviršiaus įkaitimas ir apšvietimas yra susijęs su mūsų Žemės sferiškumu ir žemės ašies pokrypiu iki 66,5 ° į sukimosi aplink Saulę orbitą.
Šilumos kaupimasis karštose uolienose, betone, akmenėliuose ir kt.
Vanduo turi vieną didžiausių šiluminių galių – 4,2 J / cm3 * K, o betonas turi tik trečdalį šios vertės. Kita vertus, betonas gali būti įkaitintas iki daug aukštesnės 1200C temperatūros, pavyzdžiui, kaitinant elektra, todėl jo bendra talpa yra daug didesnė. Remiantis toliau pateiktu pavyzdžiu, maždaug 2,8 m skersmens izoliuotas kubas gali užtikrinti pakankamai sukauptos šilumos vienam namui, kad patenkintų 50 % šildymo poreikio. Iš esmės tai galėtų būti naudojama vėjo ar fotovoltinės šiluminės energijos pertekliui kaupti, nes elektrinis šildymas gali pasiekti aukštą temperatūrą.
Apskrities lygmeniu Wiggenhausen-Süd projektas Vokietijos mieste Friedrichshafen sulaukė tarptautinio dėmesio. Tai 12 000 m3 (420 000 kub. pėd.) gelžbetoninis šilumos kaupiklis, sujungtas su 4 300 m2 (46 000 kv.
ft), padengia pusę karšto vandens ir šildymo poreikio 570 namų. „Siemens“ netoli Hamburgo stato 36 MWh galios šilumos saugyklą, kurią sudaro iki 600C įkaitintas bazaltas, gaminantis 1,5 MW galios. Panašią sistemą planuojama statyti Danijos mieste Sorø, kur 41-58% sukauptos 18 MWh galios šilumos bus perduota miesto centralizuotam šildymui, o 30-41% - kaip elektra.
Kaip apskaičiuoti saulės šildymo atsipirkimą
Naudodamiesi žemiau esančia lentele galite apskaičiuoti, kiek sumažės jūsų šildymo išlaidos naudojant saulės kolektorius, kiek laiko ši sistema gali atsipirkti ir kokią naudą galima gauti įvairiais eksploatacijos laikotarpiais. Šis modelis buvo sukurtas Primorsky krašte, bet taip pat gali būti naudojamas įvertinti saulės šildymo naudojimą Chabarovsko krašte, Amūro srityje, Sachaline, Kamčiatkoje ir Pietų Sibire.Tokiu atveju saulės kolektoriai gruodžio–sausio mėnesiais turės mažesnį efektą aukštesnėse platumose, tačiau bendra nauda bus ne mažesnė, atsižvelgiant į ilgesnį šildymo sezoną.
Pirmoje lentelėje įveskite savo namo parametrus, šildymo sistemą ir energijos kainas. Visi laukai, pažymėti žaliai, gali būti modifikuoti ir imituoti esamą ar planuojamą namą.
Pirma, pirmame stulpelyje įveskite savo namo šildomą plotą.
Tada įvertinkite pastato šilumos izoliacijos kokybę ir šildymo būdą pasirinkdami atitinkamas reikšmes.
Nurodykite šeimos narių skaičių ir karšto vandens suvartojimą – tai padės įvertinti saulės kolektorių karšto vandens tiekimo naudą.
Įveskite savo įprasto šildymo energijos šaltinio – elektros, dyzelino ar anglies – kainas.
Įveskite jūsų namų ūkyje šildymu užsiimančio šeimos nario įprastų pajamų vertę. Tai padeda įvertinti darbo sąnaudas šildymo sezonui ir ypač svarbų vaidmenį atlieka kietojo kuro sistemoms, kur reikia atvežti ir iškrauti anglį, mesti į krosnį, išmesti pelenus ir pan.
Saulės kolektorių sistemos kaina bus nustatyta automatiškai, pagal Jūsų nurodytus pastato parametrus. Ši kaina yra apytikslė – realios saulės šildymo įrangos įrengimo sąnaudos ir parametrai gali skirtis ir kiekvienu atveju juos skaičiuoja specialistai individualiai.
Stulpelyje "Įrengimo išlaidos" galite įrašyti tradicinės šildymo sistemos - esamos ar planuojamos - įrangos ir įrengimo kainą.
Jei sistema jau įdiegta, galite įvesti „0“.
Atkreipkite dėmesį į šildymo sezono išlaidų dydį ir palyginkite su įprastomis išlaidomis. Jei jie skiriasi, pabandykite pakeisti nustatymus.
Skiltyje „Šildymo kaštai per sezoną“ anglimi kūrenamose šildymo sistemose atsižvelgiama į darbo sąnaudų piniginę vertę. Jei nenorite į juos atsižvelgti, galite sumažinti su šildymu susijusio šeimos nario pajamų vertę. Darbo sąnaudos skystojo kuro sistemoms yra mažesnės, o elektrinių katilų sistemose į jas neatsižvelgiama. Saulės kolektorių reguliavimas atliekamas automatiškai ir nereikalauja nuolatinio dėmesio.
Stulpelyje „Gyvavimo laikas“ numatytasis 20 metų – toks yra įprastas saulės šildymo sistemų su saulės kolektoriais tarnavimo laikas. Atsižvelgiant į eksploatavimo sąlygas, saulės kolektoriai gali tarnauti ilgiau nei šį laikotarpį. Galite pakeisti eksploatavimo trukmę, o žemiau pateikta diagrama parodys skirtumą tarp įrengimo ir priežiūros išlaidų bei saulės kolektorių naudojimo šildymui naudą. Taip pamatysite kiek sumažės šildymo kaštai ir per kiek laiko šis skirtumas leis susigrąžinti saulės kolektorių įrengimo išlaidas.
Galutiniai rezultatai yra apytiksliai, tačiau gerai įsivaizduoja, kiek gali kainuoti saulės kolektorių sistema ir kiek laiko ji gali atsipirkti.
Atkreipiame dėmesį, kad šildymo sezono išlaidas galima ženkliai sumažinti naudojant saulės kolektorius, grindinio šildymo sistemas bei gerinant pastato šilumos izoliaciją. Taip pat šildymo išlaidas galima sumažinti, jei pastatas iš anksto suprojektuotas saulės energijos naudojimui ir naudojant ekologinio namo technologijas.
svetdv.ru
Kas yra saulės šiluma
Nuo seniausių laikų žmonės puikiai žinojo apie Saulės vaidmenį jų gyvenime. Beveik visose tautose ji veikė kaip pagrindinė arba viena iš pagrindinių dievybių, suteikusi gyvybę ir šviesą viskam, kas gyva. Šiandien žmonija daug geriau supranta, iš kur kyla saulės šiluma.
Moksliniu požiūriu mūsų Saulė yra geltona žvaigždė, kuri yra visos mūsų planetų sistemos šviesulys.Jis semiasi energijos iš šerdies – didžiulio karšto kamuoliuko centrinės dalies, kurioje milijonais laipsnių matuojamoje temperatūroje vyksta neįsivaizduojamos galios termobranduolinės sintezės reakcijos. Šerdies spindulys yra ne didesnis kaip ketvirtadalis viso Saulės spindulio, tačiau būtent šerdyje susidaro spinduliavimo energija, kurios mažos dalelės pakanka gyvybei mūsų planetoje palaikyti.
Išsiskyrusi energija per konvekcinę zoną patenka į išorinius Saulės sluoksnius ir pasiekia fotosferą – spinduliuojantį žvaigždės paviršių. Fotosferos temperatūra artėja prie 6000 laipsnių, būtent ji paverčia ir išspinduliuoja į kosmosą spinduliavimo energiją, kurią gauna mūsų planeta. Tiesą sakant, mes gyvename dėl laipsniško, lėto Saulės sudarančios žvaigždžių plazmos degimo.
Saulės spinduliuotės spektrinė sudėtis
Bangos ilgio intervalas nuo 0,1 iki 4 mikronų sudaro 99% visos saulės spinduliuotės energijos. Tik 1% lieka trumpesnio ir ilgesnio bangos ilgio spinduliuotei iki rentgeno spindulių ir radijo bangų.
Matoma šviesa užima siaurą bangų ilgių diapazoną, tik nuo 0,40 iki 0,75 mikrono. Tačiau šiame intervale yra beveik pusė visos saulės spinduliuotės energijos (46%). Beveik tiek pat (47%) yra infraraudonuosiuose spinduliuose, o likę 7% – ultravioletiniuose.
Meteorologijoje įprasta skirti trumpųjų ir ilgųjų bangų spinduliuotę. Trumpųjų bangų spinduliuote vadinama spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra nuo 0,1 iki 4 mikronų. Be matomos šviesos, ji apima ultravioletinę ir infraraudonąją spinduliuotę, kuri yra artimiausia bangos ilgiui. Saulės spinduliuotė yra 99% tokia trumpųjų bangų spinduliuotė. Ilgųjų bangų spinduliuotei priklauso žemės paviršiaus ir atmosferos spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra nuo 4 iki 100-120 mikronų.
Tiesioginės saulės spinduliuotės intensyvumas
Spinduliuotė, patenkanti į žemės paviršių tiesiai iš saulės disko, vadinama tiesiogine saulės spinduliuote, priešingai nei atmosferoje išsklaidyta spinduliuotė. Saulės spinduliuotė iš Saulės sklinda visomis kryptimis. Tačiau atstumas nuo Žemės iki Saulės yra toks didelis, kad tiesioginė spinduliuotė patenka į bet kurį Žemės paviršių lygiagrečių spindulių pluošto pavidalu, sklindančiu tarsi iš begalybės. Netgi visas Žemės rutulys, palyginti su atstumu nuo Saulės, yra toks mažas, kad visa ant jo krintanti saulės spinduliuotė gali būti laikoma lygiagrečių spindulių pluoštu be pastebimos paklaidos.
Tiesioginės saulės spinduliuotės antplūdis į žemės paviršių ar bet kurį aukštesnį atmosferos lygį pasižymi radiacijos intensyvumu. aš, t.y. spinduliavimo energijos kiekis, patenkantis per laiko vienetą (vieną minutę) ploto vienetui (vienam kvadratiniam centimetrui), statmenai saulės spinduliams.
Ryžiai. 1. Saulės spinduliuotės antplūdis į paviršių statmenai spinduliams (AB), ir ant horizontalaus paviršiaus (AC).
Nesunku suprasti, kad vienetinis plotas, esantis statmenai saulės spinduliams, tam tikromis sąlygomis gaus didžiausią įmanomą spinduliuotės kiekį. Horizontaliojo ploto vienetas turės mažesnį spinduliavimo energijos kiekį:
I' = as sinh
kur h yra saulės aukštis (1 pav.).
Visos energijos rūšys yra lygiavertės. Todėl spinduliavimo energija gali būti išreikšta bet kokios rūšies energijos vienetais, pavyzdžiui, šilumine ar mechanine. Natūralu ją išreikšti šiluminiais vienetais, nes matavimo prietaisai yra pagrįsti šiluminiu spinduliuotės efektu: spinduliavimo energija, beveik visiškai sugerta prietaise, paverčiama šiluma, kuri išmatuojama. Taigi tiesioginės saulės spinduliuotės intensyvumas bus išreikštas kalorijomis kvadratiniam centimetrui per minutę (cal/cm2min).
Energijos gamyba
Saulės energija veikia saulės šviesą paverčiant elektra.Tai gali atsitikti arba tiesiogiai, naudojant fotovoltinę energiją, arba netiesiogiai, naudojant koncentruotas saulės energijos sistemas, kuriose lęšiai ir veidrodžiai surenka saulės šviesą iš didelio ploto į ploną spindulį, o sekimo mechanizmas seka Saulės padėtį. Fotoelektra paverčia šviesą į elektrą, naudodama fotoelektrinį efektą.
Prognozuojama, kad saulės energija iki 2050 m. taps didžiausiu elektros energijos šaltiniu, o fotovoltinė ir koncentruota saulės energija sudarys atitinkamai 16 % ir 11 % pasaulinės elektros energijos.
Komercinės elektrinės, naudojančios koncentruotą saulės energiją, pirmą kartą atsirado devintajame dešimtmetyje. Po 1985 metų tokio tipo 354 MW SEGS instaliacija Mohave dykumoje (Kalifornija) tapo didžiausia saulės elektrine pasaulyje. Kitos tokio tipo saulės elektrinės yra Solnova (150 MW) ir Andasol (100 MW), abi Ispanijoje. Tarp didžiausių fotovoltinių elektrinių (angliškai) yra „Agua Caliente Solar Project“ (250 MW) JAV ir „Charanka Solar Park“ (221 MW) Indijoje. Vykdomi projektai, kurių galia viršija 1 GW, tačiau dauguma fotovoltinių įrenginių iki 5 kW yra maži ir ant stogo. 2013 m. saulės energija sudarė mažiau nei 1% elektros energijos pasauliniame tinkle.
Saulės spinduliuotės rūšys
Atmosferoje saulės spinduliuotė, pakeliui į žemės paviršių, iš dalies sugeriama, o iš dalies išsklaidoma ir atsispindi nuo debesų ir žemės paviršiaus. Atmosferoje stebima trijų tipų saulės spinduliuotė: tiesioginė, difuzinė ir visa.
Tiesioginė saulės spinduliuotė – spinduliuotė, patenkanti į žemės paviršių tiesiai iš saulės disko. Saulės spinduliuotė iš Saulės sklinda visomis kryptimis. Tačiau atstumas nuo Žemės iki Saulės yra toks didelis, kad tiesioginė spinduliuotė patenka į bet kurį Žemės paviršių lygiagrečių spindulių pluošto pavidalu, sklindančiu tarsi iš begalybės. Netgi visas Žemės rutulys, lyginant su atstumu iki Saulės, yra toks mažas, kad visa ant jo krintanti saulės spinduliuotė gali būti laikoma lygiagrečių spindulių pluoštu be pastebimos paklaidos.
Viršutinę atmosferos ribą pasiekia tik tiesioginė spinduliuotė. Apie 30% Žemėje patenkančios radiacijos atsispindi kosmose. Deguonis, azotas, ozonas, anglies dioksidas, vandens garai (debesys) ir aerozolio dalelės sugeria 23% tiesioginės saulės spinduliuotės atmosferoje. Ozonas sugeria ultravioletinę ir matomą spinduliuotę. Nepaisant to, kad jo kiekis ore yra labai mažas, jis sugeria visą ultravioletinę spinduliuotę (apie 3%).
Taigi jis visai nepastebimas žemės paviršiuje, o tai labai svarbu gyvybei Žemėje.
Tiesioginė saulės spinduliuotė, eidama per atmosferą, taip pat yra išsklaidyta. Oro dalelė (lašas, kristalas ar molekulė), esanti elektromagnetinės bangos kelyje, nuolat „ištraukia“ energiją iš krintančios bangos ir spinduliuoja ją visomis kryptimis, tapdama energijos skleidėja.
Apie 25 % viso per atmosferą einančio saulės spinduliuotės srauto energijos išsklaido atmosferos dujų molekulės ir aerozolis ir atmosferoje paverčiama išsklaidyta saulės spinduliuote. Taigi, išsklaidyta saulės spinduliuotė yra saulės spinduliuotė, kuri buvo išsklaidyta atmosferoje. Išsklaidyta spinduliuotė į žemės paviršių patenka ne iš saulės disko, o iš viso dangaus skliauto. Išsklaidyta spinduliuotė skiriasi nuo tiesioginės spinduliuotės savo spektrine sudėtimi, nes skirtingo bangos ilgio spinduliai yra išsklaidomi skirtingais laipsniais.
Kadangi pagrindinis išsklaidytos spinduliuotės šaltinis yra tiesioginė saulės spinduliuotė, išsklaidytos spinduliuotės srautas priklauso nuo tų pačių veiksnių, kurie turi įtakos tiesioginės spinduliuotės srautui. Visų pirma, išsklaidytos spinduliuotės srautas didėja didėjant Saulės aukščiui ir atvirkščiai.Jis taip pat didėja, kai atmosferoje daugėja sklaidančių dalelių, t.y. mažėjant atmosferos skaidrumui, o didėjant aukščiui virš jūros lygio mažėja, nes mažėja sklaidos dalelių skaičius viršutiniuose atmosferos sluoksniuose. Debesuotumas ir sniego danga turi labai didelę įtaką difuzinei spinduliuotei, kuri dėl ant jų patenkančios tiesioginės ir išsklaidytos spinduliuotės sklaidos ir atspindėjimo bei pakartotinio sklaidos atmosferoje gali kelis kartus padidinti išsklaidytą saulės spinduliuotę.
Išsklaidyta spinduliuotė žymiai papildo tiesioginę saulės spinduliuotę ir žymiai padidina saulės energijos srautą į žemės paviršių. Jos vaidmuo ypač didelis žiemą didelėse platumose ir kituose regionuose, kuriuose yra didelis debesuotumas, kur pasklidosios spinduliuotės dalis gali viršyti tiesioginės spinduliuotės dalį. Pavyzdžiui, metiniame saulės energijos kiekyje Archangelske išsklaidyta radiacija sudaro 56%, o Sankt Peterburge – 51%.
Bendra saulės spinduliuotė yra tiesioginės ir difuzinės spinduliuotės srautų, patenkančių į horizontalų paviršių, suma. Prieš saulėtekį ir po saulėlydžio, taip pat dieną su nuolatiniu debesuotumu, visa radiacija yra visiškai, o mažame Saulės aukštyje daugiausia susideda iš išsklaidytos spinduliuotės. Be debesų arba šiek tiek debesuotame danguje, didėjant Saulės aukščiui, tiesioginės spinduliuotės dalis bendroje sudtyje sparčiai didėja, o dienos metu jos srautas yra daug kartų didesnis nei išsklaidytos spinduliuotės srautas. Debesuotumas vidutiniškai susilpnina bendrą spinduliuotę (20-30%), tačiau esant daliniam debesuotumui, kuris neuždengia saulės disko, jo srautas gali būti didesnis nei esant be debesų. Sniego danga žymiai padidina bendros spinduliuotės srautą, padidindama išsklaidytos spinduliuotės srautą.
Visuminė spinduliuotė, patenkanti į žemės paviršių, daugiausia sugeriama viršutinio dirvožemio sluoksnio arba storesnio vandens sluoksnio (sugerta spinduliuotė) ir virsta šiluma, o iš dalies atsispindi (atspindėta spinduliuotė).
Šiluminiai diržai
Priklausomai nuo į Žemės paviršių patenkančios saulės spinduliuotės kiekio, Žemės rutulyje išskiriamos 7 šiluminės zonos: karštoji, dvi vidutinio stiprumo, dvi šaltos ir dvi amžino įšalo zonos. Šiluminių zonų ribos yra izotermos. Karštąją juostą riboja vidutinės +20°С metinės izotermos iš šiaurės ir pietų (9 pav.). Dvi vidutinio klimato juostos į šiaurę ir pietus nuo karštosios zonos iš pusiaujo pusės riboja vidutinė +20 ° С metinė izoterma, o iš didelių platumų pusės - +10 ° С izoterma (vidutinė oro temperatūra šilčiausi mėnesiai yra liepa šiauriniame pusrutulyje ir sausis pietų pusrutulyje). Šiaurinė siena maždaug sutampa su miškų paplitimo riba. Dvi šaltos zonos į šiaurę ir į pietus nuo vidutinio klimato zonos šiauriniame ir pietiniame pusrutulyje yra tarp +10°C ir 0°C šilčiausio mėnesio izotermų. Dvi amžino įšalo juostas riboja šilčiausio mėnesio 0°C izoterma nuo šaltųjų juostų. Amžinojo sniego ir ledo karalystė tęsiasi iki Šiaurės ir Pietų ašigalių.
Tiesioginės saulės spinduliuotės matavimo rezultatai
Kai atmosferos skaidrumas nesikeičia, tiesioginės saulės spinduliuotės intensyvumas priklauso nuo atmosferos optinės masės, t.y. galiausiai nuo saulės aukščio. Todėl dienos metu saulės spinduliuotė pirmiausia turi sparčiai didėti, vėliau nuo saulėtekio iki vidurdienio lėčiau, o iš pradžių lėtai, o nuo vidurdienio iki saulėlydžio – greitai mažėti.
Tačiau dienos metu atmosferos skaidrumas tam tikrose ribose skiriasi. Todėl dienos spinduliuotės eigos kreivė, net ir visiškai be debesų, rodo tam tikrus nelygumus.
Vidurdienio spinduliuotės intensyvumo skirtumai pirmiausia atsiranda dėl saulės vidurdienio aukščio skirtumų, kurie žiemą yra mažesni nei vasarą. Minimalus intensyvumas vidutinio klimato platumose būna gruodžio mėnesį, kai saulė yra žemiausia. Tačiau didžiausias intensyvumas yra ne vasaros mėnesiais, o pavasarį.Faktas yra tas, kad pavasarį oras mažiausiai drumstas kondensato produktų ir mažai dulkėtas. Vasarą padaugėja dulkių, taip pat padidėja vandens garų kiekis atmosferoje, o tai šiek tiek sumažina radiacijos intensyvumą.
Maksimalios tiesioginės spinduliuotės intensyvumo vertės kai kuriuose taškuose yra šios (kal/cm2min): Tiksi įlanka 1,30, Pavlovskas 1,43, Irkutskas 1,47, Maskva 1,48, Kurskas 1,51, Tbilisis 1,51, Vladivostokas 1, 46, Taškentas 1,5
Iš šių duomenų matyti, kad mažėjant geografinei platumai, nepaisant didėjančio saulės aukščio, maksimalios spinduliuotės intensyvumo vertės auga labai mažai. Tai paaiškinama padidėjusiu drėgmės kiekiu ir iš dalies oro dulkėjimu pietinėse platumose. Prie pusiaujo didžiausios radiacijos vertės neviršija vidutinių platumų vasaros maksimumų. Sausame subtropinių dykumų ore (Sacharoje) buvo stebimos vertės iki 1,58 cal/cm2 min.
Kai aukštis virš jūros lygio, maksimalios radiacijos vertės didėja dėl to, kad sumažėja atmosferos optinė masė tame pačiame saulės aukštyje. Kiekvienam 100 m aukščio spinduliuotės intensyvumas troposferoje padidėja 0,01-0,02 cal/cm2 min. Jau sakėme, kad kalnuose stebimos maksimalios spinduliuotės intensyvumo vertės siekia 1,7 cal/cm2 min ir daugiau.