Plakanā saules kolektora aprēķins
Prakse rāda, ka vidēji 900 W siltumenerģijas uz vienu kvadrātmetru virsmas, kas uzstādīta perpendikulāri spilgtai saules gaismai (ar bezmākoņainām debesīm). Mēs aprēķināsim SC, pamatojoties uz modeli ar platību 1 m². Priekšpuse ir matēta, melna (ar gandrīz 100% siltumenerģijas absorbciju). Aizmugurējā puse ir izolēta ar 10 cm putupolistirola slāni. Ir nepieciešams aprēķināt siltuma zudumus, kas rodas pretējā, ēnas pusē. Putupolistirola siltumizolācijas koeficients - 0,05 W / m × gr. Zinot biezumu un pieņemot, ka temperatūras starpība materiāla pretējās pusēs ir 50 grādu robežās, mēs aprēķinām siltuma zudumus:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Apmēram tādi paši zudumi gaidāmi no galiem un caurulēm, tas ir, kopējā summa būs 50 vati. Debesis bez mākoņiem ir reti sastopamas, un jāņem vērā arī netīrumu nosēdumu ietekme uz kolektoru. Tāpēc mēs samazinām siltumenerģijas daudzumu uz 1 m² līdz 800 W. Ūdenim, ko izmanto kā siltumnesēju plakanos SC, siltuma jauda ir 4200 J/kg × grādi vai 1,16 W/kg × deg. Tas nozīmē, ka viena litra ūdens temperatūras paaugstināšanai par vienu grādu būs nepieciešami 1,16 W enerģijas. Ņemot vērā šos aprēķinus, mēs iegūstam šādu vērtību mūsu saules kolektora modelim 1 m² platībā:
Ērtības labad noapaļojam līdz 700 / kg × gr. Šī izteiksme norāda ūdens daudzumu, ko var uzsildīt kolektorā (1 m² modelī) stundu. Tas neņem vērā siltuma zudumus no priekšpuses, kas palielināsies, sasilstot. Šie zudumi ierobežos dzesēšanas šķidruma sildīšanu saules kolektorā 70-90 grādu robežās. Šajā sakarā vērtību 700 var piemērot zemām temperatūrām (no 10 līdz 60 grādiem). Saules kolektora aprēķins parāda, ka 1 m² sistēma spēj uzsildīt 10 litrus ūdens par 70 grādiem, kas ir pilnīgi pietiekami, lai nodrošinātu māju ar karsto ūdeni. Jūs varat samazināt ūdens sildīšanas laiku, samazinot saules kolektora tilpumu, vienlaikus saglabājot tā platību. Ja mājā dzīvojošo cilvēku skaitam nepieciešams lielāks ūdens daudzums, jāizmanto vairāki šīs platības kolektori, kas ir savienoti vienā sistēmā. Lai saules gaisma iedarbotos uz radiatoru pēc iespējas efektīvāk, kolektoram jābūt orientētam leņķī pret horizonta līniju, kas vienāda ar apgabala platuma grādiem. Tas jau tika apspriests rakstā Kā aprēķināt saules paneļu jaudu, tiek piemērots tas pats princips. Viena cilvēka dzīvības nodrošināšanai vidēji nepieciešami 50 litri karstā ūdens. Ņemot vērā, ka ūdens temperatūra pirms sildīšanas ir aptuveni 10 °C, temperatūras starpība ir 70 - 10 = 60 °C. Siltuma daudzums, kas nepieciešams ūdens sildīšanai, ir šāds:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW enerģijas.
Dalot W ar saules enerģijas daudzumu uz 1 m² virsmas noteiktā laukumā (dati no hidrometeoroloģiskajiem centriem), iegūstam kolektora laukumu. Saules kolektora aprēķins apkurei tiek veikts līdzīgi. Bet ūdens (dzesēšanas šķidruma) tilpums ir vajadzīgs vairāk, kas ir atkarīgs no apsildāmās telpas tilpuma. Var secināt, ka šāda veida ūdens sildīšanas sistēmas efektivitātes uzlabošanu var panākt, samazinot apjomu un vienlaikus palielinot platību.
Ledus tehnoloģijas
Tiek izstrādātas vairākas tehnoloģijas, kurās ledus tiek ražots ne-pīķa periodos un vēlāk tiek izmantots dzesēšanai. Piemēram, gaisa kondicionēšanu var padarīt ekonomiskāku, naktī izmantojot lētu elektroenerģiju ūdens sasaldēšanai un pēc tam dienas laikā izmantojot ledus dzesēšanas jaudu, lai samazinātu gaisa kondicionēšanas uzturēšanai nepieciešamo enerģijas daudzumu. Siltumenerģijas uzglabāšanai, izmantojot ledu, tiek izmantots augsts ūdens saplūšanas siltums. Vēsturiski ledus tika transportēts no kalniem uz pilsētām, lai to izmantotu kā dzesēšanas šķidrumu. Viena metriska (= 1 m3) tonna ūdens var uzglabāt 334 miljonus džoulu (J) jeb 317 000 britu siltuma vienību (93 kWh).Salīdzinoši mazā uzglabāšanas vienībā var uzglabāt pietiekami daudz ledus, lai atdzesētu lielu ēku visu dienu vai nedēļu.
Papildus ledus izmantošanai tiešai dzesēšanai, to izmanto arī siltumsūkņos, kas darbina apkures sistēmas. Šajās zonās fāzes enerģijas izmaiņas nodrošina ļoti nopietnu siltumvadošu slāni, kas ir tuvu zemākajam temperatūras slieksnim, pie kura var darboties siltumsūknis, kas izmanto ūdens siltumu. Tas ļauj sistēmai tikt galā ar vissmagākajām apkures slodzēm un palielināt laiku, ko enerģijas avota elementi var atgriezt sistēmā siltumu.
Endotermiskās un eksotermiskās ķīmiskās reakcijas
Sāls hidrāta tehnoloģija
Eksperimentālas enerģijas uzglabāšanas tehnoloģijas, kuras pamatā ir ķīmisko reakciju enerģija, piemērs ir tehnoloģija, kuras pamatā ir sāls hidrāti. Sistēma izmanto reakcijas enerģiju, kas rodas sāļu hidratācijas vai dehidratācijas gadījumā. Tas darbojas, uzglabājot siltumu tvertnē, kurā ir 50% nātrija hidroksīda šķīdums. Siltums (piemēram, iegūts no saules kolektora) tiek uzkrāts ūdens iztvaikošanas dēļ endotermiskās reakcijas laikā. Kad atkal pievieno ūdeni, eksotermiskās reakcijas laikā 50C (120F) temperatūrā izdalās siltums. Šobrīd sistēmas darbojas ar 60% efektivitāti. Sistēma ir īpaši efektīva sezonālai siltumenerģijas uzglabāšanai, jo žāvētu sāli var ilgstoši uzglabāt istabas temperatūrā bez enerģijas zudumiem. Dehidrētā sāls konteinerus pat var transportēt uz dažādām vietām. Sistēmai ir lielāks enerģijas blīvums nekā ūdenī uzkrātajam siltumam, un tās jauda ļauj uzglabāt enerģiju vairākus mēnešus vai pat gadus.
Nīderlandes tehnoloģiju izstrādātājs TNO 2013. gadā prezentēja projekta MERITS rezultātus siltuma uzglabāšanai sāls traukā. Siltums, ko var novadīt no saules kolektora uz plakano jumtu, iztvaiko sālī esošo ūdeni. Kad ūdens tiek pievienots vēlreiz, siltums tiek atbrīvots praktiski bez enerģijas zudumiem. Tvertnē ar dažiem kubikmetriem sāls var uzkrāt pietiekami daudz termoķīmiskās enerģijas, lai visu ziemu apsildītu māju. Ar tādu temperatūru kā Nīderlandē vidējai siltumizturīgai saimniecībai ziemā būs nepieciešami aptuveni 6,7 GJ enerģijas. Lai uzglabātu tik daudz enerģijas ūdenī (ar temperatūras starpību 70C), būtu nepieciešami 23 m3 ūdens izolētā tvertnē, kas ir vairāk nekā lielākā daļa māju spēj uzglabāt. Izmantojot sālshidrāta tehnoloģiju ar enerģijas blīvumu aptuveni 1 GJ/m3, pietiktu ar 4-8 m3.
No 2016. gada pētnieki no vairākām valstīm veic eksperimentus, lai noteiktu labāko sāls veidu vai sāļu maisījumu. Zems spiediens tvertnes iekšpusē, šķiet, ir labākais enerģijas pārnešanai. Īpaši daudzsološi ir organiskie sāļi, tā sauktie "jonu šķidrumi". Salīdzinot ar litija halogenīdu sorbentiem, tie rada daudz mazāk problēmu vidē ar ierobežotu resursu daudzumu, un, salīdzinot ar lielāko daļu halogenīdu un nātrija hidroksīda, tie ir mazāk kodīgi un tiem nav negatīvas ietekmes no oglekļa dioksīda emisijām.
Molekulārās ķīmiskās saites
Šobrīd tiek pētīta iespēja uzglabāt enerģiju molekulārajās ķīmiskajās saitēs. Jau ir sasniegts litija jonu akumulatoriem līdzvērtīgs enerģijas blīvums.
Radiācijas izplatība pie atmosfēras robežas
Klimatoloģijā būtisku interesi rada jautājums par starojuma pieplūdes un atgriešanās sadalījumu visā pasaulē. Vispirms apsveriet saules starojuma sadalījumu uz horizontālas virsmas "uz atmosfēras robežas". Varētu arī teikt: "ja nav atmosfēras". Ar to mēs pieņemam, ka nenotiek ne starojuma absorbcija, ne izkliede, ne arī tā atstarošana mākoņos. Saules starojuma sadalījums pie atmosfēras robežas ir visvienkāršākais.Tas patiešām pastāv vairāku desmitu kilometru augstumā. Šo sadalījumu sauc par saules klimatu.
Ir zināms, kā gada laikā mainās Saules konstante un līdz ar to arī uz Zemi nākošā starojuma daudzums. Ja nosaka Saules konstanti faktiskajam Zemes attālumam no Saules, tad ar vidējo gada vērtību 1,98 cal/cm2 min. tas būs vienāds ar 2,05 cal/cm2 min. janvārī un 1,91 cal/cm2 min. jūlijā.
Tāpēc ziemeļu puslode vasaras dienā saņem nedaudz mazāku starojumu pie atmosfēras robežas nekā dienvidu puslode vasaras dienā.
Dienā saņemtā starojuma daudzums uz atmosfēras robežas ir atkarīgs no gada laika un vietas platuma. Katrā platuma grādos sezona nosaka radiācijas pieplūduma ilgumu. Bet dažādos platuma grādos dienas dienas daļas ilgums tajā pašā laikā ir atšķirīgs.
Polā saule vasarā nemaz neriet, ziemā nelec 6 mēnešus. Starp polu un polāro loku saule neriet vasarā un nelec ziemā laikposmā no sešiem mēnešiem līdz vienai dienai. Pie ekvatora dienas laiks vienmēr ilgst 12 stundas. No polārā loka līdz ekvatoram dienas gaismas laiks samazinās vasarā un palielinās ziemā.
Bet saules starojuma pieplūdums uz horizontālas virsmas ir atkarīgs ne tikai no dienas garuma, bet arī no saules augstuma. Radiācijas daudzums, kas nonāk pie atmosfēras robežas uz horizontālās virsmas vienību, ir proporcionāls saules augstuma sinusam. Un saules augstums ne tikai mainās katrā vietā dienas laikā, bet arī ir atkarīgs no gada laika. Saules augstums pie ekvatora visu gadu svārstās no 90 līdz 66,5°, tropos no 90 līdz 43°, polārajos lokos no 47 līdz 0° un poliem no 23,5 līdz 0°.
Zemes sfēriskums un ekvatoriālās plaknes slīpums pret ekliptikas plakni rada sarežģītu radiācijas pieplūduma sadalījumu pa platuma grādiem pie atmosfēras robežas un tā izmaiņām gada laikā.
Ziemā starojuma pieplūdums no ekvatora līdz polam samazinās ļoti ātri, vasarā tas samazinās daudz lēnāk. Šajā gadījumā maksimums vasarā tiek novērots tropos, un radiācijas pieplūdums nedaudz samazinās no tropa uz ekvatoru. Nelielā starojuma pieplūduma atšķirība starp tropiskajiem un polārajiem platuma grādiem vasarā skaidrojama ar to, ka, lai gan saules augstumi polārajos platuma grādos vasarā ir mazāki nekā tropos, dienas garums ir garš. Tāpēc vasaras saulgriežu dienā, ja nebūtu atmosfēras, pols saņemtu vairāk starojuma nekā ekvators. Taču zemes virsmas tuvumā atmosfēras starojuma vājināšanās, mākoņu atstarošanas u.c. rezultātā radiācijas pieplūdums polārajos platuma grādos vasarā ir ievērojami mazāks nekā zemākajos platuma grādos.
Atmosfēras augšējā robežā ārpus tropiem ir viens gada starojuma maksimums vasaras saulgriežu laikā un viens minimums ziemas saulgriežu laikā. Bet starp tropiem starojuma pieplūdumam ir divi maksimumi gadā, kas attiecināms uz tiem laikiem, kad saule sasniedz augstāko pusdienlaika augstumu. Pie ekvatora tas būs ekvinokcijas dienās, citos intratropiskajos platuma grādos - pēc pavasara un pirms rudens ekvinokcijas, attālinoties no ekvinokcijas laika, jo lielāks platums. Gada svārstību amplitūda pie ekvatora ir neliela, tropu iekšpusē tā ir neliela; mērenajos un augstajos platuma grādos tas ir daudz lielāks.
Siltuma un gaismas sadalījums uz Zemes
Saule ir Saules sistēmas zvaigzne, kas ir milzīga siltuma daudzuma un apžilbinošās gaismas avots planētai Zeme. Neskatoties uz to, ka Saule atrodas ievērojamā attālumā no mums un tikai neliela daļa tās starojuma sasniedz mūs, ar to pilnīgi pietiek dzīvības attīstībai uz Zemes. Mūsu planēta riņķo ap Sauli orbītā. Ja Zemi gada laikā novēro no kosmosa kuģa, tad var pamanīt, ka Saule vienmēr apgaismo tikai vienu pusi no Zemes, līdz ar to tur būs diena, bet pretējā pusē tajā laikā būs nakts. Zemes virsma siltumu saņem tikai dienas laikā.
Mūsu Zeme sasilst nevienmērīgi. Zemes nevienmērīgā uzkaršana ir izskaidrojama ar tās sfērisko formu, tāpēc saules staru krišanas leņķis dažādos apgabalos ir atšķirīgs, kas nozīmē, ka dažādas Zemes daļas saņem atšķirīgu siltuma daudzumu. Pie ekvatora saules stari krīt vertikāli, un tie ļoti silda Zemi.Jo tālāk no ekvatora, staru kūļa krišanas leņķis kļūst mazāks, un līdz ar to šīs teritorijas saņem mazāk siltuma. Tas pats saules starojuma jaudas starojums silda daudz mazāku laukumu pie ekvatora, jo tas krīt vertikāli. Turklāt stari, kas krīt mazākā leņķī nekā pie ekvatora, iekļūstot atmosfērā, iziet tajā garāku ceļu, kā rezultātā daļa saules staru izkliedējas troposfērā un nesasniedz zemes virsmu. Tas viss liecina, ka, attālinoties no ekvatora uz ziemeļiem vai dienvidiem, gaisa temperatūra pazeminās, jo samazinās saules stara krišanas leņķis.
Zemes virsmas sildīšanas pakāpi ietekmē arī tas, ka zemes ass ir slīpa pret orbītas plakni, pa kuru Zeme veic pilnīgu apgriezienu ap Sauli, 66,5 ° leņķī un vienmēr ir vērsta ziemeļu gala virzienā uz Polāro zvaigzni.
Iedomājieties, ka Zemei, kustoties ap Sauli, Zemes ass ir perpendikulāra rotācijas orbītas plaknei. Tad virsma dažādos platuma grādos saņemtu nemainīgu siltuma daudzumu visu gadu, saules staru krišanas leņķis visu laiku būtu nemainīgs, diena vienmēr būtu vienāda ar nakti, nebūtu gadalaiku maiņas. Pie ekvatora šie apstākļi maz atšķirtos no pašreizējiem. Zemes ass slīpumam ir būtiska ietekme uz zemes virsmas sasilšanu un līdz ar to arī uz visu klimatu, tieši mērenajos platuma grādos.
Gada laikā, tas ir, pilnīgas Zemes apgrieziena laikā ap Sauli, īpaši izceļas četras dienas: 21.marts, 23.septembris, 22.jūnijs, 22.decembris.
Tropi un polārie apļi sadala Zemes virsmu joslās, kas atšķiras pēc saules apgaismojuma un no Saules saņemtā siltuma daudzuma. Ir 5 apgaismojuma zonas: ziemeļu un dienvidu polārā zona, kas saņem maz gaismas un siltuma, tropiskā zona ar karstu klimatu un ziemeļu un dienvidu mērenā zona, kas saņem vairāk gaismas un siltuma nekā polārās, bet mazāk nekā. tropiskie.
Tātad, nobeigumā mēs varam izdarīt vispārīgu secinājumu: zemes virsmas nevienmērīga sasilšana un apgaismojums ir saistīts ar mūsu Zemes sfēriskumu un ar zemes ass slīpumu līdz 66,5 ° pret griešanās orbītu ap Sauli.
Siltuma uzkrāšanās karstos akmeņos, betonā, oļos utt.
Ūdenim ir viena no lielākajām siltumietilpībām - 4,2 J / cm3 * K, savukārt betonam ir tikai viena trešdaļa no šīs vērtības. Savukārt betonu var uzkarsēt līdz daudz augstākai temperatūrai – 1200C, piemēram, izmantojot elektrisko apkuri, un tādējādi tam ir daudz lielāka kopējā jauda. Saskaņā ar tālāk sniegto piemēru izolēts kubs, kura diametrs ir aptuveni 2,8 m, var nodrošināt pietiekami daudz uzkrātā siltuma vienai mājai, lai apmierinātu 50% no apkures pieprasījuma. Principā to varētu izmantot, lai uzglabātu lieko vēja vai fotoelektrisko siltumenerģiju, jo elektriskā apkure spēj sasniegt augstu temperatūru.
Apgabala līmenī starptautisku uzmanību piesaistīja projekts Wiggenhausen-Süd Vācijas pilsētā Frīdrihshāfenē. Šī ir 12 000 m3 (420 000 kub.pēdas) dzelzsbetona siltuma uzglabāšanas iekārta, kas savienota ar 4300 m2 (46 000 kv.
ft), sedzot pusi no nepieciešamības pēc karstā ūdens un apkures 570 mājām. Siemens netālu no Hamburgas būvē siltuma krātuvi ar 36 MWh jaudu, kas sastāv no bazalta, kas uzsildīts līdz 600C un ģenerē 1,5 MW jaudu. Līdzīgu sistēmu plānots izbūvēt Dānijas pilsētā Soro, kur 41-58% no uzkrātā siltuma ar jaudu 18 MWh tiks nodoti pilsētas centralizētajai siltumapgādei, bet 30-41% kā elektroenerģija.
Kā aprēķināt saules apkures atmaksāšanos
Izmantojot zemāk esošo tabulu, varat aprēķināt, cik daudz samazināsies apkures izmaksas, izmantojot saules kolektorus, cik ilgi šī sistēma var atmaksāties un kādus ieguvumus var iegūt dažādos darbības periodos. Šis modelis tika izstrādāts Primorskas apgabalam, bet to var izmantot arī, lai novērtētu saules apkures izmantošanu Habarovskas apgabalā, Amūras apgabalā, Sahalīnā, Kamčatkā un Dienvidsibīrijā.Šajā gadījumā saules kolektori mazāk iedarbosies decembrī-janvārī augstākos platuma grādos, taču kopējie ieguvumi nebūs mazāki, ņemot vērā garāko apkures sezonu.
Pirmajā tabulā ievadiet savas mājas parametrus, apkures sistēmu un enerģijas cenas. Visi lauki, kas ir atzīmēti ar zaļu krāsu, var tikt pārveidoti un imitēt esošu vai plānoto māju.
Vispirms pirmajā kolonnā ievadiet savas mājas apsildāmo platību.
Pēc tam novērtējiet ēkas siltumizolācijas kvalitāti un apkures metodi, izvēloties atbilstošās vērtības.
Norādiet ģimenes locekļu skaitu un karstā ūdens patēriņu - tas palīdzēs novērtēt saules kolektoru karstā ūdens piegādes priekšrocības.
Ievadiet cenas savam ierastajam apkures enerģijas avotam - elektrībai, dīzeļdegvielai vai oglēm.
Ievadiet tā ģimenes locekļa parasto ienākumu vērtību, kurš nodarbojas ar apkuri jūsu mājsaimniecībā. Tas palīdz aplēst darbaspēka izmaksas apkures sezonai un īpaši svarīga loma ir cietā kurināmā sistēmām, kur nepieciešams ievest un izkraut ogles, mest krāsnī, izmest pelnus utt.
Saules kolektoru sistēmas cena tiks noteikta automātiski, pamatojoties uz Jūsu norādītajiem ēkas parametriem. Šī cena ir aptuvena – saules apkures iekārtu faktiskās uzstādīšanas izmaksas un parametri var atšķirties un tos aprēķina speciālisti katrā gadījumā individuāli.
Ailē "Uzstādīšanas izmaksas" varat ievadīt tradicionālās apkures sistēmas - esošās vai plānotās - aprīkojuma un uzstādīšanas izmaksas.
Ja sistēma jau ir instalēta, varat ievadīt "0".
Pievērsiet uzmanību izdevumu apjomam apkures sezonai un salīdziniet ar saviem parastajiem izdevumiem. Ja tie atšķiras, mēģiniet mainīt iestatījumus.
Ailē “Apkures izmaksas sezonā” ogļu apkures sistēmas ņem vērā darbaspēka izmaksu vērtību naudas izteiksmē. Ja nevēlaties tos ņemt vērā, varat samazināt apkurē iesaistītā ģimenes locekļa ienākumu vērtību. Darbaspēka izmaksas šķidrā kurināmā sistēmām tiek ņemtas vērā mazākā mērā un netiek ņemtas vērā elektrisko katlu sistēmās. Saules kolektoru regulēšana tiek veikta automātiski un tai nav nepieciešama pastāvīga uzmanība.
Kolonnā "Mūžs" noklusējuma vērtība ir 20 gadi - tas ir parastais saules apkures sistēmu mūžs ar saules kolektoriem. Atkarībā no ekspluatācijas apstākļiem saules kolektori var kalpot ilgāk par šo periodu. Varat mainīt kalpošanas laiku, un zemāk esošajā grafikā tiks atspoguļota atšķirība starp uzstādīšanas un apkopes izmaksām un ieguvumiem no saules kolektoru izmantošanas apkurei. Tādējādi jūs redzēsiet, cik daudz samazināsies apkures izmaksas un cik ilgā laikā šī starpība ļaus atpelnīt saules kolektoru uzstādīšanas izmaksas.
Galīgie rezultāti ir aptuveni, taču tie sniedz labu priekšstatu par to, cik saules apkures sistēma var maksāt un cik ilgi tā var atmaksāties.
Vēršam uzmanību, ka apkures sezonas izmaksas var ievērojami samazināt, izmantojot saules kolektorus, siltās grīdas sistēmas un uzlabojot ēkas siltumizolāciju. Tāpat apkures izmaksas var samazināt, ja ēka jau iepriekš projektēta saules apkures izmantošanai un izmantojot ekomājas tehnoloģijas.
svetdv.ru
Kas ir saules siltums
Kopš seniem laikiem cilvēki ir labi apzinājušies Saules lomu viņu dzīvē. Gandrīz visās tautās tā darbojās kā galvenā vai viena no galvenajām dievībām, kas deva dzīvību un gaismu visam dzīvajam. Mūsdienās cilvēcei ir daudz labāks priekšstats par to, no kurienes nāk saules siltums.
No zinātnes viedokļa mūsu Saule ir dzeltena zvaigzne, kas ir visas mūsu planētu sistēmas gaismeklis.Savu enerģiju tas smeļas no kodola – milzīgas karstas bumbas centrālās daļas, kur miljonos grādu mērāmā temperatūrā notiek neiedomājamas jaudas termokodolsintēzes reakcijas. Kodola rādiuss ir ne vairāk kā ceturtā daļa no kopējā Saules rādiusa, bet tieši kodolā rodas starojuma enerģija, kuras neliela daļa ir pietiekama dzīvības uzturēšanai uz mūsu planētas.
Atbrīvotā enerģija caur konvektīvo zonu nonāk Saules ārējos slāņos un sasniedz fotosfēru – zvaigznes izstarojošo virsmu. Fotosfēras temperatūra tuvojas 6000 grādiem, tieši tā pārvērš un izstaro kosmosā starojuma enerģiju, ko saņem mūsu planēta. Patiesībā mēs dzīvojam pakāpeniskas, lēnas zvaigžņu plazmas, kas veido Sauli, degšanas dēļ.
Saules starojuma spektrālais sastāvs
Viļņa garuma intervāls no 0,1 līdz 4 mikroniem veido 99% no kopējās saules starojuma enerģijas. Tikai 1% paliek starojumam ar īsāku un garāku viļņu garumu, līdz pat rentgena stariem un radioviļņiem.
Redzamā gaisma aizņem šauru viļņu garumu diapazonu, tikai no 0,40 līdz 0,75 mikroniem. Tomēr šajā intervālā ir gandrīz puse no visas saules starojuma enerģijas (46%). Gandrīz tikpat daudz (47%) atrodas infrasarkanajos staros, bet atlikušie 7% ir ultravioletajos staros.
Meteoroloģijā ir pieņemts atšķirt īsviļņu un garo viļņu starojumu. Īsviļņu starojumu sauc par starojumu viļņu garuma diapazonā no 0,1 līdz 4 mikroniem. Papildus redzamajai gaismai tas ietver ultravioleto un infrasarkano starojumu, kas tam ir vistuvāk viļņu garumā. Saules starojums 99% ir šāds īsviļņu starojums. Garo viļņu starojums ietver zemes virsmas un atmosfēras starojumu ar viļņu garumu no 4 līdz 100-120 mikroniem.
Tiešā saules starojuma intensitāte
Starojumu, kas nonāk uz zemes virsmas tieši no saules diska, atšķirībā no atmosfērā izkliedētā starojuma sauc par tiešo saules starojumu. Saules starojums izplatās no Saules visos virzienos. Bet attālums no Zemes līdz Saulei ir tik liels, ka tiešais starojums nokrīt uz jebkuras Zemes virsmas paralēlu staru kūļa veidā, kas izplūst it kā no bezgalības. Pat zemeslode kopumā ir tik mazs, salīdzinot ar attālumu no Saules, ka visu uz to krītošo saules starojumu var uzskatīt par paralēlu staru kūli bez manāmas kļūdas.
Tiešā saules starojuma pieplūdumu uz zemes virsmu vai jebkuru augstāku līmeni atmosfērā raksturo starojuma intensitāte es, t.i., starojuma enerģijas daudzums, kas ieplūst laika vienībā (vienā minūtē) uz laukuma vienību (vienu kvadrātcentimetru) perpendikulāri saules stariem.
Rīsi. 1. Saules starojuma pieplūdums uz virsmu, kas ir perpendikulārs stariem (AB), un uz horizontālas virsmas (AC).
Ir viegli saprast, ka laukuma vienība, kas atrodas perpendikulāri saules stariem, noteiktos apstākļos saņems maksimālo iespējamo starojuma daudzumu. Horizontālās laukuma vienībai būs mazāks starojuma enerģijas daudzums:
I' = es grēkoju
kur h ir saules augstums (1. att.).
Visi enerģijas veidi ir savstarpēji līdzvērtīgi. Tāpēc starojuma enerģiju var izteikt jebkura veida enerģijas vienībās, piemēram, termiskajā vai mehāniskajā. Dabiski to izteikt siltuma mērvienībās, jo mērinstrumenti ir balstīti uz starojuma termisko efektu: starojuma enerģija, gandrīz pilnībā absorbēta ierīcē, tiek pārvērsta siltumā, ko mēra. Tādējādi tiešā saules starojuma intensitāte tiks izteikta kalorijās uz kvadrātcentimetru minūtē (cal/cm2min).
Enerģijas ražošana
Saules enerģija darbojas, pārvēršot saules gaismu elektrībā.Tas var notikt vai nu tieši, izmantojot fotoelementus, vai netieši, izmantojot koncentrētas saules enerģijas sistēmas, kurās lēcas un spoguļi savāc saules gaismu no liela laukuma plānā starā, un izsekošanas mehānisms izseko Saules stāvokli. Fotoelementi pārvērš gaismu elektrībā, izmantojot fotoelektrisko efektu.
Tiek prognozēts, ka līdz 2050. gadam saules enerģija kļūs par lielāko elektroenerģijas avotu, un fotoelementi un koncentrētā saules enerģija veidos attiecīgi 16% un 11% no pasaules elektroenerģijas ražošanas.
Komerciālās spēkstacijas, kurās izmanto koncentrētu saules enerģiju, pirmo reizi parādījās 1980. gados. Pēc 1985. gada šāda veida 354 MW SEGS iekārta Mohaves tuksnesī (Kalifornija) kļuva par lielāko saules elektrostaciju pasaulē. Citas šāda veida saules elektrostacijas ir Solnova (150 MW) un Andasol (100 MW), abas Spānijā. Starp lielākajām fotoelektriskajām elektrostacijām (angļu valodā) ir Agua Caliente Solar Project (250 MW) ASV un Charanka Solar Park (221 MW) Indijā. Tiek izstrādāti projekti, kuru jauda pārsniedz 1 GW, taču lielākā daļa fotoelektrisko iekārtu ar jaudu līdz 5 kW ir mazas un atrodas uz jumta. 2013. gadā saules enerģija veidoja mazāk nekā 1% no elektroenerģijas globālajā tīklā.
Saules starojuma veidi
Atmosfērā saules starojums ceļā uz zemes virsmu tiek daļēji absorbēts un daļēji izkliedēts un atspoguļots no mākoņiem un zemes virsmas. Atmosfērā tiek novēroti trīs saules starojuma veidi: tiešais, difūzais un kopējais.
Tiešais saules starojums - starojums, kas nāk uz zemes virsmu tieši no Saules diska. Saules starojums izplatās no Saules visos virzienos. Bet attālums no Zemes līdz Saulei ir tik liels, ka tiešais starojums nokrīt uz jebkuras Zemes virsmas paralēlu staru kūļa veidā, kas izplūst it kā no bezgalības. Pat visa zemeslode kopumā ir tik maza, salīdzinot ar attālumu līdz Saulei, ka visu uz to krītošo saules starojumu bez ievērojamas kļūdas var uzskatīt par paralēlu staru kūli.
Atmosfēras augšējo robežu sasniedz tikai tiešais starojums. Apmēram 30% no radiācijas, kas rodas uz Zemes, tiek atstarota kosmosā. Skābeklis, slāpeklis, ozons, oglekļa dioksīds, ūdens tvaiki (mākoņi) un aerosola daļiņas absorbē 23% no tiešā saules starojuma atmosfērā. Ozons absorbē ultravioleto un redzamo starojumu. Neskatoties uz to, ka tā saturs gaisā ir ļoti mazs, tas absorbē visu ultravioleto starojumu (apmēram 3%).
Tādējādi tas vispār netiek novērots uz zemes virsmas, kas ir ļoti svarīgi dzīvībai uz Zemes.
Arī tiešais saules starojums ceļā caur atmosfēru ir izkliedēts. Gaisa daļiņa (piliens, kristāls vai molekula), kas atrodas elektromagnētiskā viļņa ceļā, nepārtraukti “izvelk” enerģiju no krītošā viļņa un izstaro to visos virzienos, kļūstot par enerģijas emitētāju.
Apmēram 25% no kopējās saules starojuma plūsmas enerģijas, kas iet caur atmosfēru, izkliedē atmosfēras gāzu molekulas un aerosols un atmosfērā pārvēršas izkliedētā saules starojumā. Tādējādi izkliedētais saules starojums ir saules starojums, kas ir izkliedēts atmosfērā. Izkliedētais starojums nāk uz zemes virsmu nevis no Saules diska, bet no visas debess. Izkliedētais starojums atšķiras no tiešā starojuma ar savu spektrālo sastāvu, jo dažāda viļņa garuma stari ir izkliedēti dažādās pakāpēs.
Tā kā primārais izkliedētā starojuma avots ir tiešais saules starojums, difūzā starojuma plūsma ir atkarīga no tiem pašiem faktoriem, kas ietekmē tiešā starojuma plūsmu. Jo īpaši izkliedētā starojuma plūsma palielinās, palielinoties Saules augstumam un otrādi.Tas arī palielinās, palielinoties izkliedējošo daļiņu skaitam atmosfērā, t.i. ar atmosfēras caurspīdīguma samazināšanos un samazinās līdz ar augstumu virs jūras līmeņa, jo samazinās izkliedējošo daļiņu skaits atmosfēras pārklājošajos slāņos. Mākoņainībai un sniega segai ir ļoti liela ietekme uz difūzo starojumu, kas uz tiem krītošā tiešā un difūzā starojuma izkliedes un atstarošanas un atkārtotas izkliedes atmosfērā dēļ var vairākas reizes palielināt izkliedēto saules starojumu.
Izkliedētais starojums būtiski papildina tiešo saules starojumu un būtiski palielina saules enerģijas plūsmu uz zemes virsmu. Īpaši liela tā loma ir ziemā augstos platuma grādos un citos reģionos ar augstu mākoņainību, kur difūzā starojuma daļa var pārsniegt tiešā starojuma daļu. Piemēram, saules enerģijas gada apjomā izkliedētais starojums veido 56% Arhangeļskā un 51% Sanktpēterburgā.
Kopējais saules starojums ir tiešā un difūzā starojuma plūsmu summa, kas nonāk uz horizontālas virsmas. Pirms saullēkta un pēc saulrieta, kā arī dienā ar nepārtrauktu mākoņainību kopējais starojums ir pilnībā, un zemā Saules augstumā to galvenokārt veido izkliedēta radiācija. Bez mākoņiem vai nedaudz mākoņainās debesīs, palielinoties Saules augstumam, tiešā starojuma īpatsvars kopējā sastāvā strauji palielinās un dienas laikā tā plūsma ir daudzkārt lielāka nekā izkliedētā starojuma plūsma. Mākoņainība vidēji vājina kopējo starojumu (par 20-30%), tomēr ar daļēju mākoņainību, kas nesedz Saules disku, tā plūsma var būt lielāka nekā bez mākoņiem. Sniega sega ievērojami palielina kopējā starojuma plūsmu, palielinot izkliedētā starojuma plūsmu.
Kopējais starojums, krītot uz zemes virsmas, lielākoties tiek absorbēts augšējā augsnes slānī vai biezākā ūdens slānī (absorbētais starojums) un pārvēršas siltumā, un daļēji tiek atstarots (atstarots starojums).
Termiskās jostas
Atkarībā no Saules starojuma daudzuma, kas nonāk Zemes virsmā, uz zemeslodes izšķir 7 termiskās zonas: karstā, divas mērenas, divas aukstas un divas mūžīgā sala zonas. Termisko zonu robežas ir izotermas. Karsto jostu no ziemeļiem un dienvidiem ierobežo gada vidējās izotermas +20°С (9. att.). Divas mērenās zonas uz ziemeļiem un dienvidiem no karstās zonas no ekvatora puses ierobežo gada vidējā izoterma +20 ° С, bet no lielo platuma grādu puses ar izotermu +10 ° С (vidējā gaisa temperatūra siltākie mēneši ir jūlijs ziemeļu puslodēs un janvāris dienvidu puslodēs). Ziemeļu robeža aptuveni sakrīt ar meža izplatības robežu. Divas aukstās zonas uz ziemeļiem un dienvidiem no mērenās joslas ziemeļu un dienvidu puslodē atrodas starp +10°C un 0°C siltākā mēneša izotermām. Abas mūžīgā sala jostas ierobežo siltākā mēneša 0°C izoterma no aukstajām joslām. Mūžīgā sniega un ledus valstība sniedzas līdz Ziemeļpolam un Dienvidpolam.
Tiešā saules starojuma mērījumu rezultāti
Nemainoties atmosfēras caurspīdīgumam, tiešā saules starojuma intensitāte ir atkarīga no atmosfēras optiskās masas, t.i., galu galā no saules augstuma. Tāpēc dienas laikā saules starojumam vispirms strauji jāpalielinās, pēc tam lēnāk no saullēkta līdz pusdienlaikam un sākumā lēnām, pēc tam strauji jāsamazinās no pusdienlaika līdz saulrietam.
Bet atmosfēras caurspīdīgums dienas laikā mainās noteiktās robežās. Tāpēc starojuma dienas gaitas līkne pat pilnīgi bez mākoņiem uzrāda dažus nelīdzenumus.
Starojuma intensitātes atšķirības pusdienlaikā galvenokārt ir saistītas ar saules pusdienlaika augstuma atšķirībām, kas ziemā ir zemākas nekā vasarā. Minimālā intensitāte mērenajos platuma grādos ir decembrī, kad saule ir viszemāk. Taču maksimālā intensitāte ir nevis vasaras mēnešos, bet gan pavasarī.Fakts ir tāds, ka pavasarī gaiss ir vismazāk duļķains no kondensācijas produktiem un maz putekļains. Vasarā palielinās putekļu veidošanās, palielinās arī ūdens tvaiku saturs atmosfērā, kas nedaudz samazina starojuma intensitāti.
Maksimālās tiešā starojuma intensitātes vērtības dažiem punktiem ir šādas (kal/cm2min): Tiksi līcis 1,30, Pavlovska 1,43, Irkutska 1,47, Maskava 1,48, Kurska 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostoka 1, 46, Taškenta 1,5
No šiem datiem var redzēt, ka radiācijas intensitātes maksimālās vērtības pieaug ļoti maz, samazinoties ģeogrāfiskajam platumam, neskatoties uz saules augstuma pieaugumu. Tas izskaidrojams ar mitruma satura pieaugumu un daļēji ar gaisa putekļiem dienvidu platuma grādos. Pie ekvatora radiācijas maksimālās vērtības ievērojami nepārsniedz mērenās platuma grādos vasaras maksimumus. Savukārt subtropu tuksnešu (Sahāras) sausajā gaisā tika novērotas vērtības līdz 1,58 cal/cm2 min.
Ar augstumu virs jūras līmeņa maksimālās starojuma vērtības palielinās, jo samazinās atmosfēras optiskā masa vienā un tajā pašā saules augstumā. Uz katriem 100 m augstuma starojuma intensitāte troposfērā palielinās par 0,01-0,02 cal/cm2 min. Jau teicām, ka kalnos novērotās radiācijas intensitātes maksimālās vērtības sasniedz 1,7 cal/cm2 min un vairāk.