Calcul d'un capteur solaire plat
La pratique montre qu'une moyenne de 900 W d'énergie thermique par mètre carré d'une surface installée perpendiculairement à la lumière du soleil (avec un ciel sans nuages). Nous calculerons le SC sur la base d'un modèle d'une surface de 1 m². La face avant est mate, noire (a près de 100 % d'absorption de l'énergie thermique). La face arrière est isolée avec une couche de 10 cm de polystyrène expansé. Il est nécessaire de calculer les pertes de chaleur qui se produisent du côté opposé et ombragé. Coefficient d'isolation thermique du polystyrène expansé - 0,05 W / m × deg. Connaissant l'épaisseur et en supposant que la différence de température sur les côtés opposés du matériau est inférieure à 50 degrés, nous calculons la perte de chaleur :
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Environ les mêmes pertes sont attendues des extrémités et des tuyaux, c'est-à-dire que la quantité totale sera de 50 watts. Les ciels sans nuages sont rares et l'effet des dépôts de saleté sur le collecteur doit également être pris en compte. Par conséquent, nous réduirons la quantité d'énergie thermique par 1 m² à 800 W. L'eau utilisée comme caloporteur dans les SC plats a une capacité calorifique de 4200 J/kg × deg ou 1,16 W/kg × deg. Cela signifie que pour élever la température d'un litre d'eau d'un degré, il faudra 1,16 W d'énergie. Compte tenu de ces calculs, nous obtenons la valeur suivante pour notre modèle de capteur solaire de 1 m² de surface :
Nous arrondissons par commodité jusqu'à 700 / kg × deg. Cette expression indique la quantité d'eau pouvant être chauffée dans un capteur (modèle 1 m²) pendant une heure. Cela ne tient pas compte de la perte de chaleur de la face avant, qui augmentera à mesure qu'elle se réchauffe. Ces pertes limiteront le chauffage du liquide de refroidissement dans le capteur solaire à 70-90 degrés. À cet égard, la valeur de 700 peut être appliquée aux basses températures (de 10 à 60 degrés). Le calcul du capteur solaire montre qu'un système de 1 m² est capable de chauffer 10 litres d'eau à 70 degrés, ce qui est bien suffisant pour alimenter une maison en eau chaude. Vous pouvez réduire le temps de chauffage de l'eau en réduisant le volume du capteur solaire tout en conservant sa surface. Si le nombre de personnes vivant dans la maison nécessite un plus grand volume d'eau, plusieurs collecteurs de cette zone doivent être utilisés, qui sont connectés en un seul système. Pour que la lumière du soleil agisse le plus efficacement possible sur le radiateur, le collecteur doit être orienté à un angle par rapport à la ligne d'horizon égal à la latitude de la zone. Cela a déjà été abordé dans l'article Comment calculer la puissance des panneaux solaires, le même principe s'applique. En moyenne, 50 litres d'eau chaude sont nécessaires pour assurer la vie d'une personne. Étant donné que l'eau avant chauffage a une température d'environ 10 °C, la différence de température est de 70 - 10 = 60 °C. La quantité de chaleur nécessaire pour chauffer l'eau est la suivante :
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW d'énergie.
En divisant W par la quantité d'énergie solaire pour 1 m² de surface dans une zone donnée (données des centres hydrométéorologiques), on obtient la surface du capteur. Le calcul d'un capteur solaire pour le chauffage est effectué de la même manière. Mais le volume d'eau (liquide de refroidissement) est plus nécessaire, ce qui dépend du volume de la pièce chauffée. On peut conclure qu'il est possible d'améliorer l'efficacité de ce type de système de chauffage de l'eau en réduisant le volume et en augmentant simultanément la surface.
Technologies de la glace
Un certain nombre de technologies sont en cours de développement où la glace est produite pendant les périodes creuses et utilisée plus tard pour le refroidissement. Par exemple, la climatisation peut être rendue plus économique en utilisant de l'électricité bon marché la nuit pour geler l'eau, puis en utilisant la puissance de refroidissement de la glace pendant la journée pour réduire la quantité d'énergie nécessaire au maintien de la climatisation. Le stockage de l'énergie thermique à l'aide de glace utilise la chaleur élevée de fusion de l'eau. Historiquement, la glace était transportée des montagnes vers les villes pour être utilisée comme liquide de refroidissement. Une tonne métrique (= 1 m3) d'eau peut stocker 334 millions de joules (J) ou 317 000 unités thermiques britanniques (93 kWh).Une unité de stockage relativement petite peut stocker suffisamment de glace pour refroidir un grand bâtiment pendant une journée ou une semaine entière.
En plus d'utiliser la glace pour le refroidissement direct, elle est également utilisée dans les pompes à chaleur qui alimentent les systèmes de chauffage. Dans ces zones, les changements d'énergie de phase fournissent une couche thermoconductrice très importante, proche du seuil inférieur de température auquel peut fonctionner une pompe à chaleur utilisant la chaleur de l'eau. Cela permet au système de gérer les charges de chauffage les plus lourdes et d'augmenter la durée pendant laquelle les éléments de la source d'énergie peuvent restituer la chaleur au système.
Réactions chimiques endothermiques et exothermiques
Technologie des hydrates de sel
Un exemple de technologie expérimentale de stockage d'énergie basée sur l'énergie des réactions chimiques est une technologie basée sur les hydrates de sel. Le système utilise l'énergie de la réaction créée dans le cas de l'hydratation ou de la déshydratation des sels. Il fonctionne en stockant la chaleur dans un réservoir contenant une solution d'hydroxyde de sodium à 50 %. La chaleur (par exemple, obtenue à partir d'un capteur solaire) est stockée en raison de l'évaporation de l'eau lors d'une réaction endothermique. Lorsque de l'eau est ajoutée à nouveau, de la chaleur est libérée lors de la réaction exothermique à 50C (120F). Actuellement, les systèmes fonctionnent avec une efficacité de 60 %. Le système est particulièrement efficace pour le stockage saisonnier de l'énergie thermique, car le sel séché peut être stocké à température ambiante pendant une longue période sans perte d'énergie. Les conteneurs de sel déshydraté peuvent même être transportés à différents endroits. Le système a une densité d'énergie supérieure à la chaleur stockée dans l'eau et sa capacité vous permet de stocker de l'énergie pendant plusieurs mois, voire plusieurs années.
En 2013, le développeur technologique néerlandais TNO a présenté les résultats du projet MERITS de stockage de chaleur dans un réservoir de sel. La chaleur qui peut être délivrée du capteur solaire au toit plat évapore l'eau contenue dans le sel. Lorsque de l'eau est ajoutée à nouveau, la chaleur est libérée pratiquement sans perte d'énergie. Un contenant de quelques mètres cubes de sel peut emmagasiner suffisamment d'énergie thermochimique pour chauffer une maison tout l'hiver. Avec des températures comme aux Pays-Bas, une ferme moyenne tolérante à la chaleur aura besoin d'environ 6,7 GJ d'énergie pendant l'hiver. Pour stocker autant d'énergie dans l'eau (avec une différence de température de 70°C), il faudrait 23 m3 d'eau dans un réservoir isolé, ce qui est plus que ce que la plupart des maisons peuvent stocker. Avec l'utilisation de la technologie des hydrates de sel avec une densité d'énergie d'environ 1 GJ/m3, 4 à 8 m3 seraient suffisants.
Depuis 2016, des chercheurs de plusieurs pays mènent des expériences pour déterminer le meilleur type de sel ou mélange de sels. La basse pression à l'intérieur du conteneur semble être la meilleure pour le transfert de puissance. Les sels organiques, appelés "liquides ioniques", sont particulièrement prometteurs. Comparés aux absorbants aux halogénures de lithium, ils causent beaucoup moins de problèmes dans les environnements aux ressources limitées, et comparés à la plupart des halogénures et à l'hydroxyde de sodium, ils sont moins caustiques et n'ont aucun impact négatif sur les émissions de dioxyde de carbone.
Liaisons chimiques moléculaires
À l'heure actuelle, la possibilité de stocker de l'énergie dans des liaisons chimiques moléculaires est à l'étude. Une densité d'énergie équivalente aux batteries lithium-ion a déjà été atteinte.
Répartition du rayonnement à la limite de l'atmosphère
Pour la climatologie, la question de la distribution de l'afflux et du retour du rayonnement sur le globe est d'un intérêt significatif. Considérons d'abord la distribution du rayonnement solaire sur une surface horizontale "à la limite de l'atmosphère". On pourrait dire aussi : « en l'absence d'atmosphère ». On suppose par là qu'il n'y a ni absorption ni diffusion du rayonnement, ni sa réflexion par les nuages. La répartition du rayonnement solaire à la frontière de l'atmosphère est la plus simple.Elle existe réellement à plusieurs dizaines de kilomètres d'altitude. Cette distribution s'appelle le climat solaire.
On sait comment la constante solaire change au cours de l'année et, par conséquent, la quantité de rayonnement arrivant sur la Terre. Si nous déterminons la constante solaire pour la distance réelle de la Terre au Soleil, alors avec une valeur annuelle moyenne de 1,98 cal/cm2 min. elle sera égale à 2,05 cal/cm2 min. en janvier et 1,91 cal/cm2 min. en juillet.
Par conséquent, l'hémisphère nord pendant une journée d'été reçoit un peu moins de rayonnement à la limite de l'atmosphère que l'hémisphère sud pendant sa journée d'été.
La quantité de rayonnement reçue par jour à la limite de l'atmosphère dépend de la période de l'année et de la latitude du lieu. Sous chaque latitude, la saison détermine la durée de l'afflux de rayonnement. Mais sous différentes latitudes, la durée de la partie diurne de la journée à la même heure est différente.
Au pôle, le soleil ne se couche pas du tout en été, et ne se lève pas pendant 6 mois en hiver. Entre le pôle et le cercle arctique, le soleil ne se couche pas en été et ne se lève pas en hiver pendant une période de six mois à un jour. A l'équateur, la journée dure toujours 12 heures. Du cercle polaire arctique à l'équateur, les heures de clarté diminuent en été et augmentent en hiver.
Mais l'afflux de rayonnement solaire sur une surface horizontale dépend non seulement de la longueur du jour, mais aussi de la hauteur du soleil. La quantité de rayonnement arrivant à la limite de l'atmosphère par unité de surface horizontale est proportionnelle au sinus de la hauteur du soleil. Et la hauteur du soleil change non seulement à chaque endroit pendant la journée, mais dépend également de la période de l'année. La hauteur du soleil à l'équateur varie tout au long de l'année de 90 à 66,5°, sous les tropiques de 90 à 43°, dans les cercles polaires de 47 à 0° et aux pôles de 23,5 à 0°.
La sphéricité de la Terre et l'inclinaison du plan équatorial par rapport au plan de l'écliptique créent une distribution complexe de l'influx de rayonnement sur les latitudes à la limite de l'atmosphère et de ses changements au cours de l'année.
En hiver, l'afflux de rayonnement diminue très rapidement de l'équateur au pôle, en été il diminue beaucoup plus lentement. Dans ce cas, le maximum en été est observé sous le tropique et l'afflux de rayonnement diminue quelque peu du tropique à l'équateur. La faible différence d'afflux de rayonnement entre les latitudes tropicales et polaires en été s'explique par le fait que bien que les hauteurs du soleil aux latitudes polaires soient plus faibles en été que sous les tropiques, la durée du jour est longue. Le jour du solstice d'été, donc, en l'absence d'atmosphère, le pôle recevrait plus de rayonnement que l'équateur. Cependant, près de la surface de la Terre, du fait de l'atténuation du rayonnement par l'atmosphère, de sa réflexion par les nuages, etc., l'afflux estival de rayonnement aux latitudes polaires est nettement inférieur à celui des latitudes plus basses.
À la limite supérieure de l'atmosphère en dehors des tropiques, il y a un maximum de rayonnement annuel au moment du solstice d'été et un minimum au moment du solstice d'hiver. Mais entre les tropiques, l'influx de rayonnement a deux maxima par an, attribuables aux moments où le soleil atteint sa hauteur maximale à midi. À l'équateur, ce sera les jours des équinoxes, sous d'autres latitudes intratropicales - après l'équinoxe de printemps et avant l'équinoxe d'automne, en s'éloignant du moment des équinoxes, plus la latitude est grande. L'amplitude de la variation annuelle à l'équateur est faible, à l'intérieur des tropiques elle est faible ; dans les latitudes tempérées et élevées, il est beaucoup plus grand.
Répartition de la chaleur et de la lumière sur Terre
Le soleil est l'étoile du système solaire, qui est la source d'une énorme quantité de chaleur et de lumière aveuglante pour la planète Terre. Malgré le fait que le Soleil est à une distance considérable de nous et que seule une petite partie de son rayonnement nous atteint, cela suffit amplement au développement de la vie sur Terre. Notre planète tourne autour du soleil sur une orbite. Si la Terre est observée depuis un vaisseau spatial au cours de l'année, alors on peut remarquer que le Soleil n'éclaire toujours qu'une moitié de la Terre, donc, il y aura du jour là-bas, et à ce moment-là il y aura de la nuit sur la moitié opposée. La surface de la terre ne reçoit de la chaleur que pendant la journée.
Notre Terre se réchauffe de manière inégale. Le réchauffement inégal de la Terre s'explique par sa forme sphérique, de sorte que l'angle d'incidence des rayons du soleil dans différentes zones est différent, ce qui signifie que différentes parties de la Terre reçoivent différentes quantités de chaleur. À l'équateur, les rayons du soleil tombent verticalement et chauffent considérablement la Terre.Plus on s'éloigne de l'équateur, plus l'angle d'incidence du faisceau devient petit, et par conséquent, ces territoires reçoivent moins de chaleur. Le même faisceau de puissance de rayonnement solaire chauffe une zone beaucoup plus petite près de l'équateur, car il tombe verticalement. De plus, les rayons tombant à un angle plus petit qu'à l'équateur, pénétrant dans l'atmosphère, y parcourent un chemin plus long, de sorte qu'une partie des rayons du soleil sont dispersés dans la troposphère et n'atteignent pas la surface de la Terre. Tout cela indique que lorsque vous vous éloignez de l'équateur vers le nord ou le sud, la température de l'air diminue, à mesure que l'angle d'incidence du faisceau du soleil diminue.
Le degré de réchauffement de la surface de la Terre est également affecté par le fait que l'axe de la Terre est incliné par rapport au plan de l'orbite, le long duquel la Terre fait une révolution complète autour du Soleil, à un angle de 66,5 ° et est toujours dirigé par l'extrémité nord vers l'étoile polaire.
Imaginez que la Terre, se déplaçant autour du Soleil, ait l'axe de la Terre perpendiculaire au plan de l'orbite de rotation. Alors la surface à différentes latitudes recevrait une quantité constante de chaleur tout au long de l'année, l'angle d'incidence du rayon solaire serait constant tout le temps, le jour serait toujours égal à la nuit, il n'y aurait pas de changement de saisons. A l'équateur, ces conditions différeraient peu de l'actuel. L'inclinaison de l'axe terrestre a un effet significatif sur le réchauffement de la surface terrestre, et donc sur l'ensemble du climat, précisément aux latitudes tempérées.
Au cours de l'année, c'est-à-dire lors de la révolution complète de la Terre autour du Soleil, quatre jours sont particulièrement remarquables : 21 mars, 23 septembre, 22 juin, 22 décembre.
Les tropiques et les cercles polaires divisent la surface de la Terre en ceintures qui diffèrent par l'illumination solaire et la quantité de chaleur reçue du Soleil. Il existe 5 zones d'éclairement : les zones polaires nord et sud, qui reçoivent peu de lumière et de chaleur, la zone tropicale au climat chaud, et les zones tempérées nord et sud, qui reçoivent plus de lumière et de chaleur que les zones polaires, mais moins que les tropicales.
Donc, en conclusion, nous pouvons tirer une conclusion générale: un chauffage et un éclairage inégaux de la surface de la Terre sont associés à la sphéricité de notre Terre et à l'inclinaison de l'axe de la Terre jusqu'à 66,5 ° par rapport à l'orbite de rotation autour du Soleil.
Accumulation de chaleur dans la roche chaude, le béton, les cailloux, etc.
L'eau a l'une des capacités calorifiques les plus élevées - 4,2 J / cm3 * K, tandis que le béton n'a qu'un tiers de cette valeur. Le béton, d'autre part, peut être chauffé à des températures beaucoup plus élevées de 1200C, par exemple, par chauffage électrique et a donc une capacité globale beaucoup plus élevée. Suivant l'exemple ci-dessous, un cube isolé d'environ 2,8 m de diamètre peut être en mesure de fournir suffisamment de chaleur stockée pour qu'une maison puisse répondre à 50 % de la demande de chauffage. En principe, cela pourrait être utilisé pour stocker l'énergie thermique éolienne ou photovoltaïque excédentaire en raison de la capacité du chauffage électrique à atteindre des températures élevées.
Au niveau du comté, le projet Wiggenhausen-Süd dans la ville allemande de Friedrichshafen a attiré l'attention internationale. Il s'agit d'une unité de stockage de chaleur en béton armé de 12 000 m3 (420 000 pi3) reliée à un réservoir de 4 300 m2 (46 000 pi2).
pi), couvrant la moitié des besoins en eau chaude et en chauffage de 570 foyers. Siemens construit une installation de stockage de chaleur près de Hambourg d'une capacité de 36 MWh, composée de basalte chauffé à 600C et générant 1,5 MW d'électricité. Un système similaire est prévu pour la construction dans la ville danoise de Sorø, où 41 à 58 % de la chaleur stockée d'une capacité de 18 MWh seront transférées au chauffage urbain de la ville, et 30 à 41 % sous forme d'électricité.
Comment calculer le retour sur investissement du chauffage solaire
À l'aide du tableau ci-dessous, vous pouvez calculer de combien vos coûts de chauffage seront réduits en utilisant des capteurs solaires, combien de temps ce système peut être rentable et quels avantages peuvent être obtenus sur différentes périodes de fonctionnement. Ce modèle a été développé pour le kraï de Primorsky, mais peut également être utilisé pour estimer l'utilisation du chauffage solaire dans le kraï de Khabarovsk, l'oblast d'Amour, Sakhaline, le Kamtchatka et le sud de la Sibérie.Dans ce cas, les capteurs solaires auront moins d'effet en décembre-janvier aux latitudes plus élevées, mais les avantages globaux ne seront pas moindres, compte tenu de la saison de chauffage plus longue.
Dans le premier tableau, entrez les paramètres de votre maison, votre système de chauffage et les prix de l'énergie. Tous les champs marqués en vert peuvent être modifiés et simuler une maison existante ou projetée.
Entrez d'abord la zone chauffée de votre maison dans la première colonne.
Évaluez ensuite la qualité de l'isolation thermique et du mode de chauffage du bâtiment en sélectionnant les valeurs appropriées.
Indiquez le nombre de membres de la famille et la consommation d'eau chaude - cela aidera à évaluer les avantages de l'approvisionnement en eau chaude des capteurs solaires.
Entrez les prix de votre source d'énergie de chauffage habituelle - électricité, diesel ou charbon.
Entrez la valeur du revenu habituel d'un membre de la famille qui s'occupe du chauffage dans votre ménage. Cela aide à estimer les coûts de main-d'œuvre pour la saison de chauffage et joue un rôle particulièrement important pour les systèmes à combustible solide, où il est nécessaire d'apporter et de décharger du charbon, de le jeter dans le four, de jeter des cendres, etc.
Le prix du système de capteurs solaires sera déterminé automatiquement, en fonction des paramètres du bâtiment que vous avez spécifiés. Ce prix est approximatif - les coûts d'installation réels et les paramètres de l'équipement de chauffage solaire peuvent différer et sont calculés par des spécialistes individuellement dans chaque cas.
Dans la colonne "Coûts d'installation", vous pouvez saisir le coût de l'équipement et de l'installation d'un système de chauffage traditionnel - existant ou prévu
Si le système est déjà installé, vous pouvez entrer "0".
Faites attention au montant des dépenses pour la saison de chauffage et comparez avec vos dépenses habituelles. S'ils sont différents, essayez de modifier les paramètres.
Dans la colonne "Coûts de chauffage par saison", les systèmes de chauffage au charbon tiennent compte de la valeur monétaire des coûts de main-d'œuvre. Si vous ne souhaitez pas les prendre en compte, vous pouvez réduire la valeur des revenus d'un membre de la famille impliqué dans le chauffage. Les coûts de main-d'œuvre sont considérés dans une moindre mesure pour les systèmes à combustible liquide et ne sont pas pris en compte pour les systèmes de chaudières électriques. Le réglage des capteurs solaires est effectué automatiquement et ne nécessite pas une attention constante.
Dans la colonne "Durée de vie", la valeur par défaut est de 20 ans - c'est la durée de vie habituelle des systèmes de chauffage solaire avec capteurs solaires. Selon les conditions de fonctionnement, les capteurs solaires peuvent durer plus longtemps que cette période. Vous pouvez modifier la durée de vie et le graphique ci-dessous reflétera la différence entre les coûts d'installation et de maintenance et les avantages de l'utilisation de capteurs solaires pour le chauffage. Ainsi, vous verrez de combien les frais de chauffage seront réduits et combien de temps cette différence permettra de récupérer les frais d'installation des capteurs solaires.
Les résultats finaux sont approximatifs, mais donnent une bonne idée du coût d'un système de chauffage solaire et de la durée de son amortissement.
Veuillez noter que les coûts de la saison de chauffage peuvent être considérablement réduits en utilisant des capteurs solaires, des systèmes de chauffage par le sol et en améliorant l'isolation thermique du bâtiment. De plus, les coûts de chauffage peuvent être réduits si le bâtiment est conçu à l'avance pour l'utilisation du chauffage solaire et l'utilisation de technologies éco-maison.
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Qu'est-ce que la chaleur solaire
Depuis l'Antiquité, les gens sont bien conscients du rôle du Soleil dans leur vie. Dans presque toutes les nations, il a agi comme la principale ou l'une des principales divinités, donnant vie et lumière à tous les êtres vivants. Aujourd'hui, l'humanité a une bien meilleure idée de l'origine de la chaleur du soleil.
Du point de vue de la science, notre Soleil est une étoile jaune, qui est le luminaire de tout notre système planétaire.Il tire son énergie du noyau - la partie centrale d'une énorme boule chaude, où se produisent des réactions de fusion thermonucléaire d'une puissance inimaginable à une température mesurée en millions de degrés. Le rayon du noyau ne dépasse pas un quart du rayon total du Soleil, mais c'est dans le noyau que l'énergie rayonnante est générée, dont une petite fraction suffit à soutenir la vie sur notre planète.
L'énergie libérée pénètre dans les couches externes du Soleil à travers la zone convective et atteint la photosphère - la surface rayonnante de l'étoile. La température de la photosphère approche les 6 000 degrés, c'est elle qui convertit et émet dans l'espace l'énergie rayonnante que notre planète reçoit. En fait, nous vivons grâce à la combustion graduelle et lente du plasma stellaire qui compose le Soleil.
Composition spectrale du rayonnement solaire
L'intervalle de longueur d'onde entre 0,1 et 4 microns représente 99% de l'énergie totale du rayonnement solaire. Il ne reste que 1 % pour les rayonnements de longueurs d'onde plus courtes et plus longues, jusqu'aux rayons X et aux ondes radio.
La lumière visible occupe une gamme étroite de longueurs d'onde, seulement de 0,40 à 0,75 microns. Cependant, cet intervalle contient près de la moitié de toute l'énergie rayonnante solaire (46%). Presque la même quantité (47%) est dans les rayons infrarouges et les 7% restants dans l'ultraviolet.
En météorologie, il est d'usage de faire la distinction entre le rayonnement à ondes courtes et à ondes longues. Le rayonnement à ondes courtes est appelé rayonnement dans la gamme de longueurs d'onde de 0,1 à 4 microns. Il comprend, en plus de la lumière visible, les rayonnements ultraviolets et infrarouges les plus proches en longueurs d'onde. Le rayonnement solaire est composé à 99 % de ces rayonnements à ondes courtes. Le rayonnement à ondes longues comprend le rayonnement de la surface et de l'atmosphère de la Terre avec des longueurs d'onde de 4 à 100-120 microns.
Intensité du rayonnement solaire direct
Le rayonnement provenant directement du disque solaire à la surface de la Terre est appelé rayonnement solaire direct, par opposition au rayonnement diffusé dans l'atmosphère. Le rayonnement solaire se propage à partir du Soleil dans toutes les directions. Mais la distance de la Terre au Soleil est si grande que le rayonnement direct tombe sur n'importe quelle surface de la Terre sous la forme d'un faisceau de rayons parallèles émanant, pour ainsi dire, de l'infini. Même le globe dans son ensemble est si petit par rapport à la distance du Soleil que tout rayonnement solaire tombant sur lui peut être considéré comme un faisceau de rayons parallèles sans erreur notable.
L'afflux de rayonnement solaire direct à la surface de la terre ou à tout autre niveau supérieur de l'atmosphère est caractérisé par l'intensité du rayonnement je, c'est-à-dire la quantité d'énergie rayonnante entrant par unité de temps (une minute) par unité de surface (un centimètre carré) perpendiculaire aux rayons du soleil.
Riz. 1. L'afflux de rayonnement solaire à la surface perpendiculaire aux rayons (UN B), et sur une surface horizontale (CA).
Il est facile de comprendre qu'une unité de surface située perpendiculairement aux rayons du soleil recevra le maximum de rayonnement possible dans des conditions données. Une unité de surface horizontale aura une plus petite quantité d'énergie rayonnante :
I' = je pèche
où h est la hauteur du soleil (Fig. 1).
Tous les types d'énergie sont mutuellement équivalents. Par conséquent, l'énergie rayonnante peut être exprimée en unités de tout type d'énergie, par exemple thermique ou mécanique. Il est naturel de l'exprimer en unités thermiques, car les instruments de mesure sont basés sur l'effet thermique du rayonnement : l'énergie rayonnante, presque entièrement absorbée par l'appareil, est convertie en chaleur, qui est mesurée. Ainsi, l'intensité du rayonnement solaire direct sera exprimée en calories par centimètre carré par minute (cal/cm2min).
La production d'énergie
L'énergie solaire fonctionne en convertissant la lumière du soleil en électricité.Cela peut se produire soit directement, en utilisant le photovoltaïque, soit indirectement, en utilisant des systèmes d'énergie solaire concentrée, dans lesquels des lentilles et des miroirs collectent la lumière du soleil d'une grande surface dans un faisceau mince, et un mécanisme de suivi suit la position du Soleil. Le photovoltaïque convertit la lumière en électricité grâce à l'effet photoélectrique.
L'énergie solaire devrait devenir la plus grande source d'électricité d'ici 2050, le photovoltaïque et l'énergie solaire concentrée représentant respectivement 16 % et 11 % de la production mondiale d'électricité.
Les centrales électriques commerciales utilisant l'énergie solaire concentrée sont apparues pour la première fois dans les années 1980. Après 1985, une installation SEGS de 354 MW de ce type dans le désert de Mojave (Californie) est devenue la plus grande centrale solaire au monde. D'autres centrales solaires de ce type comprennent SPP Solnova (anglais) (150 MW) et SPP Andasol (anglais) (100 MW), toutes deux en Espagne. Parmi les plus grandes centrales photovoltaïques (anglaises) figurent le projet solaire Agua Caliente (250 MW) aux États-Unis et le parc solaire Charanka (221 MW) en Inde. Des projets de plus de 1 GW sont en cours de développement, mais la plupart des installations photovoltaïques jusqu'à 5 kW sont petites et installées sur les toits. En 2013, l'énergie solaire représentait moins de 1 % de l'électricité du réseau mondial.
Types de rayonnement solaire
Dans l'atmosphère, le rayonnement solaire qui se dirige vers la surface terrestre est partiellement absorbé, et partiellement diffusé et réfléchi par les nuages et la surface terrestre. Trois types de rayonnement solaire sont observés dans l'atmosphère : direct, diffus et total.
Rayonnement solaire direct - rayonnement venant à la surface de la terre directement du disque du soleil. Le rayonnement solaire se propage à partir du Soleil dans toutes les directions. Mais la distance de la Terre au Soleil est si grande que le rayonnement direct tombe sur n'importe quelle surface de la Terre sous la forme d'un faisceau de rayons parallèles émanant, pour ainsi dire, de l'infini. Même le globe entier dans son ensemble est si petit par rapport à la distance au Soleil que tout rayonnement solaire tombant dessus peut être considéré comme un faisceau de rayons parallèles sans erreur notable.
Seul le rayonnement direct atteint la limite supérieure de l'atmosphère. Environ 30% du rayonnement incident sur la Terre est réfléchi dans l'espace extra-atmosphérique. L'oxygène, l'azote, l'ozone, le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau (nuages) et les particules d'aérosols absorbent 23 % du rayonnement solaire direct dans l'atmosphère. L'ozone absorbe les rayons ultraviolets et visibles. Malgré le fait que son contenu dans l'air soit très faible, il absorbe tout le rayonnement ultraviolet (environ 3%)
Ainsi, il n'est pas du tout observé à la surface de la Terre, ce qui est très important pour la vie sur Terre.
Le rayonnement solaire direct traversant l'atmosphère est également diffusé. Une particule (goutte, cristal ou molécule) d'air, qui se trouve sur le trajet d'une onde électromagnétique, « extrait » continuellement de l'énergie de l'onde incidente et la rediffuse dans toutes les directions, devenant un émetteur d'énergie.
Environ 25% de l'énergie du flux de rayonnement solaire total traversant l'atmosphère est dissipée par les molécules de gaz atmosphériques et les aérosols et est convertie dans l'atmosphère en rayonnement solaire diffus. Ainsi, le rayonnement solaire diffusé est un rayonnement solaire qui a subi une diffusion dans l'atmosphère. Le rayonnement diffusé arrive à la surface de la terre non pas du disque solaire, mais de tout le firmament. Le rayonnement diffusé diffère du rayonnement direct par sa composition spectrale, car les rayons de différentes longueurs d'onde sont diffusés à des degrés différents.
Étant donné que la principale source de rayonnement diffus est le rayonnement solaire direct, le flux de rayonnement diffus dépend des mêmes facteurs qui affectent le flux de rayonnement direct. En particulier, le flux de rayonnement diffusé augmente à mesure que la hauteur du Soleil augmente et vice versa.Il augmente également avec une augmentation du nombre de particules diffusantes dans l'atmosphère, c'est-à-dire avec une diminution de la transparence de l'atmosphère, et diminue avec la hauteur au-dessus du niveau de la mer en raison d'une diminution du nombre de particules de diffusion dans les couches sus-jacentes de l'atmosphère. La nébulosité et la couverture neigeuse ont une très grande influence sur le rayonnement diffus qui, en raison de la diffusion et de la réflexion du rayonnement direct et diffus incident sur eux et de leur re-diffusion dans l'atmosphère, peut multiplier par plusieurs le rayonnement solaire diffus.
Le rayonnement diffusé complète considérablement le rayonnement solaire direct et augmente considérablement le flux d'énergie solaire vers la surface de la terre. Son rôle est particulièrement important en hiver aux latitudes élevées et dans d'autres régions à forte nébulosité, où la fraction de rayonnement diffus peut dépasser la fraction de rayonnement direct. Par exemple, dans la quantité annuelle d'énergie solaire, le rayonnement diffusé représente 56 % à Arkhangelsk et 51 % à Saint-Pétersbourg.
Le rayonnement solaire total est la somme des flux de rayonnement direct et diffus arrivant sur une surface horizontale. Avant le lever et après le coucher du soleil, ainsi que pendant la journée avec une nébulosité continue, le rayonnement total est complet et, à basse altitude du Soleil, il consiste principalement en un rayonnement diffusé. Dans un ciel sans nuages ou légèrement nuageux, avec une augmentation de la hauteur du Soleil, la proportion de rayonnement direct dans la composition du total augmente rapidement et pendant la journée, son flux est plusieurs fois supérieur au flux de rayonnement diffusé. La nébulosité affaiblit en moyenne le rayonnement total (de 20 à 30 %), cependant, avec une nébulosité partielle qui ne recouvre pas le disque solaire, son flux peut être plus important qu'avec un ciel sans nuage. La couverture neigeuse augmente significativement le flux de rayonnement total en augmentant le flux de rayonnement diffusé.
Le rayonnement total, tombant à la surface de la terre, est principalement absorbé par la couche supérieure du sol ou une couche d'eau plus épaisse (rayonnement absorbé) et se transforme en chaleur, et est partiellement réfléchi (rayonnement réfléchi).
Ceintures thermiques
Selon la quantité de rayonnement solaire pénétrant à la surface de la Terre, 7 zones thermiques sont distinguées sur le globe : chaudes, deux modérées, deux froides et deux zones de gel éternel. Les limites des zones thermiques sont des isothermes. La ceinture chaude est limitée par les isothermes annuels moyens de +20°C du nord au sud (Fig. 9). Deux zones tempérées au nord et au sud de la zone chaude sont limitées du côté de l'équateur par une isotherme moyenne annuelle de +20 ° С, et du côté des hautes latitudes par une isotherme de +10 ° С (la température moyenne de l'air de les mois les plus chauds sont juillet dans les hémisphères nord et janvier dans les hémisphères sud). La frontière nord coïncide approximativement avec la frontière de distribution forestière. Les deux zones froides au nord et au sud de la zone tempérée dans les hémisphères nord et sud se situent entre les isothermes +10°C et 0°C du mois le plus chaud. Les deux ceintures de gelées éternelles sont délimitées par l'isotherme 0°C du mois le plus chaud des ceintures froides. Le royaume des neiges et glaces éternelles s'étend jusqu'aux pôles Nord et Sud.
Résultats de mesure du rayonnement solaire direct
La transparence de l'atmosphère étant inchangée, l'intensité du rayonnement solaire direct dépend de la masse optique de l'atmosphère, c'est-à-dire finalement de la hauteur du soleil. Par conséquent, pendant la journée, le rayonnement solaire doit d'abord augmenter rapidement, puis plus lentement du lever du soleil à midi, et d'abord lentement, puis diminuer rapidement de midi au coucher du soleil.
Mais la transparence de l'atmosphère pendant la journée varie dans certaines limites. Par conséquent, la courbe de l'évolution diurne du rayonnement, même par une journée complètement sans nuages, présente certaines irrégularités.
Les différences d'intensité de rayonnement à midi sont principalement dues aux différences de hauteur du soleil à midi, qui est plus faible en hiver qu'en été. L'intensité minimale dans les latitudes tempérées se produit en décembre, lorsque le soleil est au plus bas. Mais l'intensité maximale n'est pas dans les mois d'été, mais au printemps.Le fait est qu'au printemps l'air est le moins obscurci par les produits de condensation et peu poussiéreux. En été, la poussière augmente et la teneur en vapeur d'eau dans l'atmosphère augmente également, ce qui réduit quelque peu l'intensité du rayonnement.
Les valeurs maximales d'intensité de rayonnement direct pour certains points sont les suivantes (en cal/cm2min) : Tiksi Bay 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkoutsk 1,47, Moscou 1,48, Koursk 1,51, Tbilissi 1,51, Vladivostok 1, 46, Tachkent 1,52.
On peut voir à partir de ces données que les valeurs maximales de l'intensité de rayonnement croissent très peu avec la latitude géographique décroissante, malgré l'augmentation de la hauteur du soleil. Cela s'explique par une augmentation de la teneur en humidité, et en partie par le poudrage de l'air aux latitudes méridionales. A l'équateur, les valeurs maximales de rayonnement ne dépassent pas largement les maxima estivaux des latitudes tempérées. Dans l'air sec des déserts subtropicaux (Sahara), cependant, des valeurs allant jusqu'à 1,58 cal/cm2 min ont été observées.
Avec la hauteur au-dessus du niveau de la mer, les valeurs maximales de rayonnement augmentent en raison d'une diminution de la masse optique de l'atmosphère à la même hauteur du soleil. Pour chaque 100 m d'altitude, l'intensité du rayonnement dans la troposphère augmente de 0,01-0,02 cal/cm2 min. Nous avons déjà dit que les valeurs maximales d'intensité de rayonnement observées en montagne atteignent 1,7 cal/cm2 min et plus.