Berekening van een platte zonnecollector
De praktijk leert dat een gemiddelde van 900 W thermische energie per vierkante meter van een oppervlak loodrecht op fel zonlicht wordt geïnstalleerd (met een wolkenloze lucht). We berekenen de SC aan de hand van een model met een oppervlakte van 1 m². De voorkant is mat, zwart (heeft bijna 100% absorptie van thermische energie). De achterzijde is geïsoleerd met een 10 cm laag geëxpandeerd polystyreen. Het is nodig om de warmteverliezen te berekenen die optreden aan de andere, schaduwzijde. Thermische isolatiecoëfficiënt van geëxpandeerd polystyreen - 0,05 W / m × deg. Als we de dikte kennen en aannemen dat het temperatuurverschil aan weerszijden van het materiaal binnen 50 graden is, berekenen we het warmteverlies:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Ongeveer dezelfde verliezen worden verwacht van de uiteinden en leidingen, dat wil zeggen dat het totale bedrag 50 watt zal zijn. Wolkenloze luchten zijn zeldzaam en er moet ook rekening worden gehouden met het effect van vuilafzetting op de collector. Daarom verlagen we de hoeveelheid thermische energie per 1 m² naar 800 W. Water dat als warmtedrager in platte SC's wordt gebruikt, heeft een warmtecapaciteit van 4200 J/kg × deg of 1,16 W/kg × deg. Dit betekent dat om de temperatuur van één liter water met één graad te verhogen, er 1,16 W energie nodig is. Op basis van deze berekeningen verkrijgen we de volgende waarde voor ons zonnecollectormodel van 1 m² oppervlakte:
We ronden gemakshalve af op 700/kg × deg. Deze uitdrukking geeft de hoeveelheid water aan die gedurende een uur in een collector (1 m² model) kan worden verwarmd. Hierbij wordt geen rekening gehouden met het warmteverlies van de voorzijde, dat zal toenemen naarmate het warmer wordt. Deze verliezen beperken de opwarming van de koelvloeistof in de zonnecollector binnen 70-90 graden. In dit opzicht kan de waarde van 700 worden toegepast op lage temperaturen (van 10 tot 60 graden). Uit de berekening van de zonnecollector blijkt dat een systeem van 1 m² in staat is om 10 liter water op 70 graden te verwarmen, wat ruim voldoende is om een huis van warm water te voorzien. U kunt de tijd voor het verwarmen van water verkorten door het volume van de zonnecollector te verkleinen en tegelijkertijd het oppervlak te behouden. Als het aantal mensen dat in het huis woont een grotere hoeveelheid water nodig heeft, moeten meerdere collectoren van dit gebied worden gebruikt, die in één systeem zijn aangesloten. Om het zonlicht zo efficiënt mogelijk op de straler te laten inwerken, moet de collector onder een hoek met de horizonlijn worden georiënteerd die gelijk is aan de breedtegraad van het gebied. Dit is al besproken in het artikel Hoe het vermogen van zonnepanelen te berekenen, hetzelfde principe is van toepassing. Er is gemiddeld 50 liter warm water nodig om het leven van één persoon te verzekeren. Aangezien het water voor het verwarmen een temperatuur heeft van ongeveer 10 °C, is het temperatuurverschil 70 - 10 = 60 °C. De hoeveelheid warmte die nodig is om water te verwarmen is als volgt:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW aan energie.
Door W te delen door de hoeveelheid zonne-energie per 1 m² oppervlakte in een bepaald gebied (gegevens van hydrometeorologische centra), krijgen we het collectoroppervlak. De berekening van een zonnecollector voor verwarming wordt op een vergelijkbare manier uitgevoerd. Maar het volume water (koelvloeistof) is meer nodig, wat afhangt van het volume van de verwarmde ruimte. Er kan worden geconcludeerd dat het verbeteren van de efficiëntie van dit type waterverwarmingssysteem kan worden bereikt door het volume te verminderen en tegelijkertijd het oppervlak te vergroten.
IJstechnologieën
Er wordt een aantal technologieën ontwikkeld waarbij ijs wordt geproduceerd tijdens de daluren en later wordt gebruikt voor koeling. Airconditioning kan bijvoorbeeld zuiniger worden gemaakt door 's nachts goedkope elektriciteit te gebruiken om water te bevriezen en vervolgens overdag de koelkracht van ijs te gebruiken om de hoeveelheid energie die nodig is om de airconditioning in stand te houden, te verminderen. De opslag van thermische energie met behulp van ijs maakt gebruik van de hoge smeltwarmte van water. Historisch gezien werd ijs van de bergen naar de steden getransporteerd om als koelmiddel te worden gebruikt. Eén metrische (= 1 m3) ton water kan 334 miljoen joule (J) of 317.000 Britse thermische eenheden (93 kWh) opslaan.Een relatief kleine opslagruimte kan genoeg ijs opslaan om een groot gebouw een hele dag of week te koelen.
Naast het gebruik van ijs voor directe koeling, wordt het ook gebruikt in warmtepompen die verwarmingssystemen aandrijven. In deze gebieden zorgen fase-energieveranderingen voor een zeer ernstige warmtegeleidende laag, dicht bij de lagere temperatuurdrempel waarbij een warmtepomp die de warmte van water gebruikt, kan werken. Hierdoor kan het systeem de zwaarste verwarmingsbelastingen aan en kan het de tijd dat de energiebronelementen warmte aan het systeem kunnen teruggeven, verlengen.
Endotherme en exotherme chemische reacties
Zouthydraattechnologie
Een voorbeeld van een experimentele technologie voor energieopslag op basis van de energie van chemische reacties is een technologie op basis van zouthydraten. Het systeem gebruikt de energie van de reactie die ontstaat bij hydratatie of dehydratatie van zouten. Het werkt door warmte op te slaan in een tank met een 50% natriumhydroxide-oplossing. Warmte (bijvoorbeeld verkregen uit een zonnecollector) wordt opgeslagen door verdamping van water tijdens een endotherme reactie. Wanneer er weer water wordt toegevoegd, komt er warmte vrij tijdens de exotherme reactie bij 50C (120F). Op dit moment werken de systemen met een rendement van 60%. Het systeem is vooral effectief voor seizoensgebonden thermische energieopslag, omdat gedroogd zout lange tijd bij kamertemperatuur kan worden bewaard zonder energieverlies. Containers met gedehydrateerd zout kunnen zelfs naar verschillende locaties worden vervoerd. Het systeem heeft een hogere energiedichtheid dan de warmte die in water wordt opgeslagen, en dankzij de capaciteit kunt u energie voor meerdere maanden of zelfs jaren opslaan.
In 2013 presenteerde de Nederlandse technologieontwikkelaar TNO de resultaten van het MERITS-project voor het opslaan van warmte in een zoutvat. De warmte die van de zonnecollector naar het platte dak kan worden geleverd, verdampt het water dat zich in het zout bevindt. Wanneer er weer water wordt toegevoegd, komt er vrijwel geen energieverlies vrij. Een bak met een paar kubieke meters zout kan genoeg thermochemische energie opslaan om een huis de hele winter te verwarmen. Bij temperaturen zoals in Nederland heeft een gemiddeld warmtetolerant bedrijf in de winter ongeveer 6,7 GJ aan energie nodig. Om zoveel energie op te slaan in water (met een temperatuurverschil van 70C) zou 23 m3 water nodig zijn in een geïsoleerde tank, wat meer is dan de meeste huizen kunnen opslaan. Bij gebruik van zouthydraattechnologie met een energiedichtheid van ongeveer 1 GJ/m3 zou 4-8 m3 voldoende zijn.
Sinds 2016 voeren onderzoekers uit verschillende landen experimenten uit om het beste type zout of mengsel van zouten te bepalen. Lage druk in de container lijkt het beste te zijn voor krachtoverdracht. Bijzonder veelbelovend zijn organische zouten, de zogenaamde "ionische vloeistoffen". Vergeleken met lithiumhalogenide-sorptiemiddelen veroorzaken ze veel minder problemen in omgevingen met beperkte middelen, en vergeleken met de meeste halogeniden en natriumhydroxide zijn ze minder bijtend en hebben ze geen negatieve invloed door middel van kooldioxide-emissies.
Moleculaire chemische bindingen
Op dit moment wordt de mogelijkheid onderzocht om energie op te slaan in moleculaire chemische bindingen. Er is al een energiedichtheid bereikt die gelijk is aan die van lithium-ionbatterijen.
Stralingsverdeling aan de rand van de atmosfeer
Voor de klimatologie is de kwestie van de verdeling van de instroom en terugkeer van straling over de wereld van groot belang. Beschouw eerst de verdeling van zonnestraling op een horizontaal oppervlak "aan de rand van de atmosfeer". Je zou ook kunnen zeggen: 'bij afwezigheid van een atmosfeer'. Hiermee nemen we aan dat er geen absorptie of verstrooiing van straling is, noch de reflectie ervan door wolken. De verdeling van zonnestraling aan de rand van de atmosfeer is het eenvoudigst.Het bestaat echt op een hoogte van enkele tientallen kilometers. Deze verdeling wordt het zonneklimaat genoemd.
Het is bekend hoe de zonneconstante gedurende het jaar verandert en daarmee de hoeveelheid straling die naar de aarde komt. Als we de zonneconstante bepalen voor de werkelijke afstand van de aarde tot de zon, dan met een gemiddelde jaarwaarde van 1,98 cal/cm2 min. het zal gelijk zijn aan 2,05 cal/cm2 min. in januari en 1,91 cal/cm2 min. in juli.
Daarom ontvangt het noordelijk halfrond tijdens een zomerdag iets minder straling aan de grens van de atmosfeer dan het zuidelijk halfrond tijdens zijn zomerdag.
De hoeveelheid straling die per dag wordt ontvangen aan de grens van de atmosfeer hangt af van de tijd van het jaar en de breedtegraad van de plaats. Onder elke breedtegraad bepaalt het seizoen de duur van de instroom van straling. Maar onder verschillende breedtegraden is de duur van het dagdeel van de dag op hetzelfde tijdstip anders.
Op de pool gaat de zon in de zomer helemaal niet onder en in de winter komt ze 6 maanden niet op. Tussen de pool en de poolcirkel gaat de zon niet onder in de zomer en komt ze in de winter niet op gedurende een periode van zes maanden tot een dag. Op de evenaar duurt de dag altijd 12 uur. Van de poolcirkel tot de evenaar neemt het aantal uren daglicht in de zomer af en in de winter toe.
Maar de instroom van zonnestraling op een horizontaal oppervlak hangt niet alleen af van de lengte van de dag, maar ook van de hoogte van de zon. De hoeveelheid straling die per eenheid horizontaal oppervlak aan de grens van de atmosfeer arriveert, is evenredig met de sinus van de hoogte van de zon. En de hoogte van de zon verandert niet alleen op elke plaats gedurende de dag, maar is ook afhankelijk van de tijd van het jaar. De hoogte van de zon op de evenaar varieert het hele jaar van 90 tot 66,5°, in de tropen van 90 tot 43°, in de poolcirkels van 47 tot 0° en aan de polen van 23,5 tot 0°.
De bolvorm van de aarde en de helling van het equatoriale vlak tot het vlak van de ecliptica creëren een complexe verdeling van de stralingsinstroom over breedtegraden aan de grens van de atmosfeer en de veranderingen ervan gedurende het jaar.
In de winter neemt de instroom van straling heel snel af van de evenaar naar de pool, in de zomer veel langzamer. In dit geval wordt het maximum in de zomer waargenomen in de keerkring en neemt de instroom van straling enigszins af van de keerkring naar de evenaar. Het kleine verschil in de instroom van straling tussen de tropische en polaire breedtegraden in de zomer wordt verklaard door het feit dat, hoewel de hoogte van de zon in de poolstreken lager is in de zomer dan in de tropen, de lengte van de dag lang is. Op de dag van de zomerzonnewende zou de pool dus bij afwezigheid van een atmosfeer meer straling ontvangen dan de evenaar. In de buurt van het aardoppervlak is, als gevolg van de verzwakking van de straling door de atmosfeer, de weerkaatsing ervan door wolken, enz., de zomerinstroom van straling op polaire breedtegraden echter aanzienlijk minder dan op lagere breedtegraden.
Aan de bovengrens van de atmosfeer buiten de tropen is er ten tijde van de zomerzonnewende één jaarlijks stralingsmaximum en ten tijde van de winterzonnewende één minimum. Maar tussen de tropen heeft de instroom van straling twee maxima per jaar, toe te schrijven aan die momenten waarop de zon haar hoogste middaghoogte bereikt. Op de evenaar zal dit zijn op de dagen van de equinoxen, op andere intratropische breedtegraden - na de lente en vóór de herfst equinox, weg van de timing van de equinoxen, hoe groter de breedtegraad. De amplitude van de jaarlijkse variatie op de evenaar is klein, binnen de tropen is deze klein; in gematigde en hoge breedtegraden is het veel groter.
Verdeling van warmte en licht op aarde
De zon is de ster van het zonnestelsel, de bron van een enorme hoeveelheid warmte en verblindend licht voor de planeet Aarde. Ondanks dat de zon zich op een behoorlijke afstand van ons bevindt en slechts een klein deel van zijn straling ons bereikt, is dit voldoende voor de ontwikkeling van leven op aarde. Onze planeet draait in een baan om de zon. Als de aarde gedurende het jaar vanuit een ruimtevaartuig wordt waargenomen, kan men opmerken dat de zon altijd maar de ene helft van de aarde verlicht, daarom zal daar dag zijn en op dat moment zal er nacht zijn op de andere helft. Het aardoppervlak krijgt alleen overdag warmte.
Onze aarde warmt ongelijkmatig op. De ongelijke verwarming van de aarde wordt verklaard door zijn bolvorm, dus de invalshoek van de zonnestraal in verschillende gebieden is anders, wat betekent dat verschillende delen van de aarde verschillende hoeveelheden warmte ontvangen. Op de evenaar vallen de zonnestralen verticaal en verwarmen ze de aarde enorm.Hoe verder van de evenaar, hoe kleiner de invalshoek van de bundel, en bijgevolg ontvangen deze gebieden minder warmte. Dezelfde krachtbundel van zonnestraling verwarmt een veel kleiner gebied nabij de evenaar, omdat het verticaal valt. Bovendien leggen stralen die onder een kleinere hoek dan op de evenaar vallen, de atmosfeer binnen, een langere weg af, waardoor een deel van de zonnestralen in de troposfeer wordt verstrooid en het aardoppervlak niet bereikt. Dit alles geeft aan dat naarmate je verder van de evenaar naar het noorden of zuiden gaat, de luchttemperatuur afneemt, naarmate de invalshoek van de zonnestraal kleiner wordt.
De mate van opwarming van het aardoppervlak wordt ook beïnvloed door het feit dat de aardas helt ten opzichte van het vlak van de baan, waarlangs de aarde een volledige omwenteling om de zon maakt, onder een hoek van 66,5 ° en altijd gericht is door het noordelijke uiteinde in de richting van de Polar Star.
Stel je voor dat de aarde, die rond de zon beweegt, de as van de aarde loodrecht op het vlak van de rotatiebaan heeft. Dan zou het oppervlak op verschillende breedtegraden het hele jaar door een constante hoeveelheid warmte ontvangen, de invalshoek van de zonnestraal constant constant zijn, de dag zou altijd gelijk zijn aan de nacht, er zou geen verandering van seizoenen zijn. Op de evenaar zouden deze omstandigheden weinig verschillen van de huidige. De helling van de aardas heeft een significant effect op de opwarming van het aardoppervlak, en daarmee op het hele klimaat, juist op gematigde breedtegraden.
Gedurende het jaar, dat wil zeggen tijdens de volledige omwenteling van de aarde rond de zon, zijn vooral vier dagen opmerkelijk: 21 maart, 23 september, 22 juni, 22 december.
De tropen en poolcirkels verdelen het aardoppervlak in gordels die verschillen in zonneverlichting en de hoeveelheid warmte die van de zon wordt ontvangen. Er zijn 5 verlichtingszones: de noordelijke en zuidelijke poolzones, die weinig licht en warmte ontvangen, de tropische zone met een warm klimaat, en de noordelijke en zuidelijke gematigde zones, die meer licht en warmte ontvangen dan de polaire, maar minder dan de tropische.
Dus, tot slot, we kunnen een algemene conclusie trekken: ongelijke verwarming en verlichting van het aardoppervlak worden geassocieerd met de bolvorm van onze aarde en met de helling van de aardas tot 66,5 ° tot de rotatiebaan rond de zon.
Warmteaccumulatie in heet gesteente, beton, kiezelstenen, enz.
Water heeft een van de hoogste warmtecapaciteiten - 4,2 J / cm3 * K, terwijl beton slechts een derde van deze waarde heeft. Beton daarentegen kan door bijvoorbeeld elektrische verwarming tot veel hogere temperaturen van 1200C worden verwarmd en heeft dus een veel hogere totale capaciteit. In navolging van het onderstaande voorbeeld kan een geïsoleerde kubus van ongeveer 2,8 m doorsnede mogelijk voldoende opgeslagen warmte leveren voor één woning om aan 50% van de warmtevraag te voldoen. In principe zou dit kunnen worden gebruikt om overtollige wind- of fotovoltaïsche thermische energie op te slaan vanwege het vermogen van elektrische verwarming om hoge temperaturen te bereiken.
Op provinciaal niveau trok het Wiggenhausen-Süd-project in de Duitse stad Friedrichshafen internationale aandacht. Dit is een 12.000 m3 (420.000 cu.ft.) warmteopslageenheid van gewapend beton aangesloten op een 4.300 m2 (46.000 sq.
ft.), die de helft van de behoefte aan warm water en verwarming voor 570 woningen dekt. Siemens bouwt nabij Hamburg een warmteopslag met een capaciteit van 36 MWh, bestaande uit basalt verwarmd tot 600C en 1,5 MW aan stroom opwekt. Een soortgelijk systeem is gepland voor de bouw in de Deense stad Sorø, waar 41-58% van de opgeslagen warmte met een capaciteit van 18 MWh zal worden overgedragen aan de stadsverwarming van de stad, en 30-41% als elektriciteit.
Hoe de terugverdientijd van zonneverwarming berekenen?
Aan de hand van onderstaande tabel kunt u berekenen hoeveel uw stookkosten besparen bij het gebruik van zonnecollectoren, hoe lang dit systeem kan renderen en welke voordelen u kunt behalen over verschillende gebruiksperioden. Dit model is ontwikkeld voor Primorsky Krai, maar kan ook worden gebruikt om het gebruik van zonneverwarming in Khabarovsk Krai, Amur Oblast, Sakhalin, Kamchatka en Zuid-Siberië te schatten.In dit geval zullen zonnecollectoren in december-januari op hogere breedtegraden minder effect hebben, maar gezien het langere stookseizoen zullen de algemene voordelen niet minder zijn.
Voer in de eerste tabel de parameters van uw huis, verwarmingssysteem en energieprijzen in. Alle groen gemarkeerde velden kunnen worden aangepast en een bestaande of geplande woning simuleren.
Vul eerst in de eerste kolom de verwarmde ruimte van uw huis in.
Evalueer vervolgens de kwaliteit van de thermische isolatie van het gebouw en de verwarmingsmethode door de juiste waarden te selecteren.
Geef het aantal gezinsleden en het verbruik van warm water aan - dit zal helpen om de voordelen van warmwatervoorziening van zonnecollectoren te evalueren.
Voer de prijzen in voor uw gebruikelijke verwarmingsenergiebron - elektriciteit, diesel of kolen.
Vul de waarde in van het gebruikelijke inkomen van een gezinslid dat in uw huishouden verwarming doet. Dit helpt om de arbeidskosten voor het stookseizoen in te schatten en speelt een bijzonder belangrijke rol voor vaste brandstofsystemen, waar het nodig is om kolen te brengen en te lossen, in de oven te gooien, as weg te gooien, enz.
De prijs van het zonnecollectorsysteem wordt automatisch bepaald op basis van de door u opgegeven gebouwparameters. Deze prijs is bij benadering - de werkelijke installatiekosten en parameters van zonneverwarmingsapparatuur kunnen verschillen en worden in elk geval door specialisten individueel berekend.
In de kolom "Installatiekosten" kunt u de kosten van apparatuur en installatie van een traditioneel verwarmingssysteem invoeren - bestaande of geplande
Als het systeem al is geïnstalleerd, kunt u "0" invoeren.
Let op de hoogte van de uitgaven voor het stookseizoen en vergelijk deze met uw gebruikelijke uitgaven. Als ze anders zijn, probeer dan de instellingen te wijzigen.
In de kolom “Verwarmingskosten per seizoen” houden kolengestookte verwarmingssystemen rekening met de monetaire waarde van arbeidskosten. Als u er geen rekening mee wilt houden, kunt u de waarde van het inkomen van een gezinslid dat betrokken is bij verwarming verminderen. Voor systemen met vloeibare brandstof wordt in mindere mate rekening gehouden met arbeidskosten en niet voor systemen met elektrische ketels. De afstelling van de zonnecollectoren gebeurt automatisch en vereist geen constante aandacht.
In de kolom "Levensduur" is de standaard 20 jaar - dit is de gebruikelijke levensduur van zonneverwarmingssystemen met zonnecollectoren. Afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden kunnen zonnecollectoren langer meegaan dan deze periode. U kunt de levensduur wijzigen en de onderstaande grafiek geeft het verschil weer tussen installatie- en onderhoudskosten en de voordelen van het gebruik van zonnecollectoren voor verwarming. Zo ziet u hoeveel de stookkosten dalen en hoe lang dit verschil het mogelijk maakt om de installatiekosten van zonnecollectoren terug te verdienen.
De uiteindelijke resultaten zijn bij benadering, maar geven een goed beeld van hoeveel een zonneverwarmingssysteem kan kosten en hoe lang het zichzelf kan terugbetalen.
Houd er rekening mee dat de kosten van het stookseizoen aanzienlijk kunnen worden verlaagd door het gebruik van zonnecollectoren, vloerverwarmingssystemen en het verbeteren van de thermische isolatie van het gebouw. Ook kunnen de verwarmingskosten worden verlaagd als het gebouw van tevoren is ontworpen voor het gebruik van zonneverwarming en het gebruik van eco-huistechnologieën.
svetdv.ru
Wat is zonnewarmte?
Sinds de oudheid zijn mensen zich terdege bewust van de rol van de zon in hun leven. In bijna alle landen fungeerde het als de belangrijkste of een van de belangrijkste godheden, en gaf het leven en licht aan alle levende wezens. Tegenwoordig heeft de mensheid een veel beter idee van waar de warmte van de zon vandaan komt.
Vanuit het oogpunt van de wetenschap is onze zon een gele ster, de lichtbron voor ons hele planetenstelsel.Het haalt zijn energie uit de kern - het centrale deel van een enorme hete bal, waar thermonucleaire fusiereacties van onvoorstelbare kracht plaatsvinden bij een temperatuur gemeten in miljoenen graden. De straal van de kern is niet meer dan een vierde van de totale straal van de zon, maar in de kern wordt stralingsenergie opgewekt, waarvan een klein deel voldoende is om het leven op onze planeet te ondersteunen.
De vrijgekomen energie komt de buitenste lagen van de zon binnen via de convectieve zone en bereikt de fotosfeer - het stralende oppervlak van de ster. De temperatuur van de fotosfeer nadert de 6000 graden, het is het die de stralingsenergie die onze planeet ontvangt, omzet en in de ruimte uitzendt. In feite leven we dankzij de geleidelijke, langzame verbranding van het stellaire plasma waaruit de zon bestaat.
Spectrale samenstelling van zonnestraling
Het golflengte-interval tussen 0,1 en 4 micron is goed voor 99% van de totale energie van zonnestraling. Slechts 1% blijft over voor straling met kortere en langere golflengten, tot röntgenstraling en radiogolven aan.
Zichtbaar licht beslaat een smal golflengtebereik, slechts van 0,40 tot 0,75 micron. Dit interval bevat echter bijna de helft van alle zonnestralingsenergie (46%). Bijna dezelfde hoeveelheid (47%) bevindt zich in infraroodstralen en de resterende 7% in ultraviolet.
In de meteorologie is het gebruikelijk om onderscheid te maken tussen kortgolvige en langgolvige straling. Kortgolvige straling wordt straling genoemd in het golflengtegebied van 0,1 tot 4 micron. Het omvat, naast zichtbaar licht, de ultraviolette en infrarode straling die er qua golflengten het dichtst bij staat. Zonnestraling is 99% van deze kortegolfstraling. Langegolfstraling omvat straling van het aardoppervlak en de atmosfeer met golflengten van 4 tot 100-120 micron.
Intensiteit van directe zonnestraling
Straling die rechtstreeks van de zonneschijf naar het aardoppervlak komt, wordt directe zonnestraling genoemd, in tegenstelling tot straling die in de atmosfeer wordt verspreid. Zonnestraling plant zich vanaf de zon in alle richtingen voort. Maar de afstand van de aarde tot de zon is zo groot dat directe straling op elk oppervlak van de aarde valt in de vorm van een bundel evenwijdige stralen die als het ware uit het oneindige komen. Zelfs de aardbol als geheel is zo klein in vergelijking met de afstand tot de zon dat alle zonnestraling die erop valt, kan worden beschouwd als een bundel evenwijdige stralen zonder merkbare fout.
De instroom van directe zonnestraling naar het aardoppervlak of naar een hoger niveau in de atmosfeer wordt gekenmerkt door de intensiteit van de straling Id.w.z. de hoeveelheid stralingsenergie die binnenkomt per tijdseenheid (één minuut) per oppervlakte-eenheid (één vierkante centimeter) loodrecht op de zonnestralen.
Rijst. 1. De instroom van zonnestraling naar het oppervlak loodrecht op de stralen (AB), en op een horizontaal oppervlak (AC).
Het is gemakkelijk te begrijpen dat een oppervlakte-eenheid die loodrecht op de zonnestralen staat, onder de gegeven omstandigheden de maximaal mogelijke hoeveelheid straling zal ontvangen. Een eenheid van horizontaal gebied heeft een kleinere hoeveelheid stralingsenergie:
ik' = ik sinh
waar H is de hoogte van de zon (Fig. 1).
Alle soorten energie zijn onderling equivalent. Daarom kan stralingsenergie worden uitgedrukt in eenheden van elke soort energie, bijvoorbeeld in thermisch of mechanisch. Het ligt voor de hand om het uit te drukken in thermische eenheden, want meetinstrumenten zijn gebaseerd op het thermische effect van straling: stralingsenergie, die bijna volledig in het apparaat wordt opgenomen, wordt omgezet in warmte, die wordt gemeten. Zo wordt de intensiteit van directe zonnestraling uitgedrukt in calorieën per vierkante centimeter per minuut (cal/cm2min).
Stroomopwekking
Zonne-energie werkt door zonlicht om te zetten in elektriciteit.Dit kan direct gebeuren, met behulp van fotovoltaïsche cellen, of indirect, met behulp van geconcentreerde zonne-energiesystemen, waarbij lenzen en spiegels zonlicht uit een groot gebied in een dunne straal verzamelen, en een volgmechanisme de positie van de zon volgt. Fotovoltaïek zet licht om in elektriciteit met behulp van het foto-elektrisch effect.
Verwacht wordt dat zonne-energie tegen 2050 de grootste bron van elektriciteit zal worden, waarbij fotovoltaïsche en geconcentreerde zonne-energie respectievelijk 16% en 11% van de wereldwijde elektriciteitsopwekking voor hun rekening nemen.
Commerciële energiecentrales die geconcentreerde zonne-energie gebruiken, verschenen voor het eerst in de jaren tachtig. Na 1985 werd een 354 MW SEGS-installatie van dit type in de Mojave-woestijn (Californië) de grootste zonne-energiecentrale ter wereld. Andere zonnecentrales van dit type zijn Solnova (150 MW) en Andasol (100 MW), beide in Spanje. Tot de grootste fotovoltaïsche energiecentrales (Engels) behoren Agua Caliente Solar Project (250 MW) in de VS en Charanka Solar Park (221 MW) in India. Er zijn projecten van meer dan 1 GW in ontwikkeling, maar de meeste fotovoltaïsche installaties tot 5 kW zijn klein en hebben daken.Vanaf 2013 was zonne-energie goed voor minder dan 1% van de elektriciteit in het wereldwijde net.
Soorten zonnestraling
In de atmosfeer wordt zonnestraling op weg naar het aardoppervlak gedeeltelijk geabsorbeerd, en gedeeltelijk verstrooid en gereflecteerd door wolken en het aardoppervlak. In de atmosfeer worden drie soorten zonnestraling waargenomen: direct, diffuus en totaal.
Directe zonnestraling - straling die rechtstreeks van de schijf van de zon naar het aardoppervlak komt. Zonnestraling plant zich vanaf de zon in alle richtingen voort. Maar de afstand van de aarde tot de zon is zo groot dat directe straling op elk oppervlak van de aarde valt in de vorm van een bundel evenwijdige stralen die als het ware uit het oneindige komen. Zelfs de hele aardbol als geheel is zo klein in vergelijking met de afstand tot de zon dat alle zonnestraling die erop valt, kan worden beschouwd als een bundel parallelle stralen zonder merkbare fout.
Alleen directe straling bereikt de bovengrens van de atmosfeer. Ongeveer 30% van de straling die op aarde invalt, wordt weerkaatst in de ruimte. Zuurstof, stikstof, ozon, kooldioxide, waterdamp (wolken) en aerosoldeeltjes absorberen 23% van de directe zonnestraling in de atmosfeer. Ozon absorbeert ultraviolette en zichtbare straling. Ondanks het feit dat het gehalte in de lucht erg klein is, absorbeert het alle ultraviolette straling (ongeveer 3%)
Het wordt dus helemaal niet waargenomen aan het aardoppervlak, wat erg belangrijk is voor het leven op aarde.
Directe zonnestraling op weg door de atmosfeer wordt ook verstrooid. Een luchtdeeltje (druppel, kristal of molecuul) dat zich in het pad van een elektromagnetische golf bevindt, 'onttrekt' voortdurend energie aan de invallende golf en straalt deze opnieuw uit in alle richtingen, waardoor het een energie-uitzender wordt.
Ongeveer 25% van de energie van de totale zonnestralingsflux die door de atmosfeer gaat, wordt gedissipeerd door atmosferische gasmoleculen en aerosol en wordt in de atmosfeer omgezet in verstrooide zonnestraling. Dus verstrooide zonnestraling is zonnestraling die verstrooiing in de atmosfeer heeft ondergaan. Verstrooide straling komt niet van de zonneschijf naar het aardoppervlak, maar van het hele firmament. Verstrooide straling verschilt van directe straling in zijn spectrale samenstelling, omdat stralen van verschillende golflengten in verschillende mate worden verstrooid.
Aangezien de primaire bron van diffuse straling directe zonnestraling is, hangt de flux van diffuse straling af van dezelfde factoren die de flux van directe straling beïnvloeden. Met name de flux van verstrooide straling neemt toe naarmate de zon hoger wordt en vice versa.Het neemt ook toe met een toename van het aantal verstrooiende deeltjes in de atmosfeer, d.w.z. met een afname van de transparantie van de atmosfeer, en neemt af met de hoogte boven zeeniveau als gevolg van een afname van het aantal verstrooiende deeltjes in de bovenliggende lagen van de atmosfeer. Bewolking en sneeuwbedekking hebben een zeer grote invloed op de diffuse straling, die door de verstrooiing en reflectie van de directe en diffuse straling die erop invalt en hun herverstrooiing in de atmosfeer, de diffuse zonnestraling meerdere malen kan verhogen.
Verstrooide straling vormt een aanzienlijke aanvulling op de directe zonnestraling en verhoogt aanzienlijk de stroom van zonne-energie naar het aardoppervlak. Zijn rol is vooral groot in de winter op hoge breedtegraden en in andere regio's met veel bewolking, waar de fractie diffuse straling de fractie directe straling kan overschrijden. In de jaarlijkse hoeveelheid zonne-energie bijvoorbeeld, is verstrooide straling goed voor 56% in Archangelsk en 51% in St. Petersburg.
De totale zonnestraling is de som van de fluxen van directe en diffuse straling die op een horizontaal oppervlak aankomen. Voor zonsopgang en na zonsondergang, evenals overdag bij aanhoudende bewolking, is de totale straling volledig, en op lage hoogten van de zon bestaat deze voornamelijk uit strooistraling. In een onbewolkte of licht bewolkte hemel, met een toename van de hoogte van de zon, neemt het aandeel van directe straling in de samenstelling van het totaal snel toe en overdag is de flux vele malen groter dan de flux van verstrooide straling. Bewolking verzwakt gemiddeld de totale straling (met 20-30%), maar bij gedeeltelijke bewolking die de zonneschijf niet bedekt, kan de flux groter zijn dan bij een wolkenloze hemel. De sneeuwbedekking verhoogt de totale stralingsstroom aanzienlijk door de flux van verstrooide straling te vergroten.
De totale straling die op het aardoppervlak valt, wordt grotendeels geabsorbeerd door de bovenste laag grond of een dikkere laag water (geabsorbeerde straling) en wordt omgezet in warmte en wordt gedeeltelijk gereflecteerd (gereflecteerde straling).
Thermische riemen
Afhankelijk van de hoeveelheid zonnestraling die het aardoppervlak binnenkomt, worden op de aardbol 7 thermische zones onderscheiden: warme, twee gematigde, twee koude en twee zones met eeuwige vorst. De grenzen van thermische zones zijn isothermen. De hete band wordt begrensd door gemiddelde jaarlijkse isothermen van +20°С vanuit het noorden en zuiden (Fig. 9). Twee gematigde zones ten noorden en ten zuiden van de hete zone worden vanaf de evenaar begrensd door een gemiddelde jaarlijkse isotherm van +20 ° , en vanaf de zijde van hoge breedtegraden door een isotherm van +10 ° С (de gemiddelde luchttemperatuur van de warmste maanden zijn juli in het noorden en januari op het zuidelijk halfrond). De noordgrens valt ongeveer samen met de grens van bosdistributie. De twee koude zones ten noorden en ten zuiden van de gematigde zone op het noordelijk en zuidelijk halfrond liggen tussen de +10°C en 0°C isothermen van de warmste maand. De twee gordels van eeuwige vorst worden begrensd door de 0°C isotherm van de warmste maand van de koude gordels. Het rijk van eeuwige sneeuw en ijs strekt zich uit tot aan de Noord- en Zuidpool.
Meetresultaten van directe zonnestraling
Bij ongewijzigde transparantie van de atmosfeer hangt de intensiteit van directe zonnestraling af van de optische massa van de atmosfeer, d.w.z. uiteindelijk van de hoogte van de zon. Daarom moet de zonnestraling overdag eerst snel toenemen, dan langzamer van zonsopgang tot 's middags, en eerst langzaam, dan snel afnemen van 's middags tot zonsondergang.
Maar de transparantie van de atmosfeer gedurende de dag varieert binnen bepaalde grenzen. Daarom vertoont de curve van het stralingsverloop overdag, zelfs op een volledig wolkenloze dag, enkele onregelmatigheden.
Verschillen in stralingsintensiteit 's middags worden voornamelijk veroorzaakt door verschillen in de middaghoogte van de zon, die in de winter lager is dan in de zomer. De minimale intensiteit op gematigde breedtegraden vindt plaats in december, wanneer de zon op zijn laagst staat. Maar de maximale intensiteit is niet in de zomermaanden, maar in het voorjaar.In het voorjaar is de lucht namelijk het minst troebel door condensatieproducten en weinig stoffig. In de zomer neemt de stofvorming toe en neemt ook het gehalte aan waterdamp in de atmosfeer toe, wat de stralingsintensiteit enigszins vermindert.
De maximale directe stralingsintensiteitswaarden voor sommige punten zijn als volgt (in cal/cm2min): Tiksi Bay 1.30, Pavlovsk 1.43, Irkutsk 1.47, Moscow 1.48, Kursk 1.51, Tbilisi 1.51, Vladivostok 1, 46, Tasjkent 1.52.
Uit deze gegevens blijkt dat de maximale waarden van de stralingsintensiteit zeer weinig groeien met afnemende geografische breedte, ondanks de toename van de hoogte van de zon. Dit wordt verklaard door een toename van het vochtgehalte en deels door luchtstoffering op zuidelijke breedtegraden. Op de evenaar overschrijden de maximale stralingswaarden de zomermaxima van gematigde breedtegraden niet. In de droge lucht van subtropische woestijnen (Sahara) werden echter waarden tot 1,58 cal/cm2 min waargenomen.
Met hoogte boven zeeniveau nemen de maximale stralingswaarden toe als gevolg van een afname van de optische massa van de atmosfeer op dezelfde hoogte van de zon. Voor elke 100 m hoogte neemt de stralingsintensiteit in de troposfeer toe met 0,01-0,02 cal/cm2 min. We hebben al gezegd dat de maximale waarden van stralingsintensiteit die in de bergen worden waargenomen 1,7 cal/cm2 min en meer bereiken.