Obliczanie płaskiego kolektora słonecznego
Praktyka pokazuje, że średnio 900 W energii cieplnej na metr kwadratowy powierzchni zainstalowanej prostopadle do jasnego światła słonecznego (przy bezchmurnym niebie). SC obliczymy na podstawie modelu o powierzchni 1 m². Przód jest matowy, czarny (ma prawie 100% pochłanianie energii cieplnej). Tylna strona ocieplona 10 cm warstwą styropianu. Wymagane jest obliczenie strat ciepła występujących po przeciwnej, zacienionej stronie. Współczynnik izolacyjności termicznej styropianu - 0,05 W/m × deg. Znając grubość i zakładając, że różnica temperatur po przeciwnych stronach materiału mieści się w granicach 50 stopni, obliczamy straty ciepła:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
W przybliżeniu takie same straty są oczekiwane od końcówek i rur, to znaczy, że łączna ilość wyniesie 50 watów. Bezchmurne niebo jest rzadkością i należy również wziąć pod uwagę wpływ osadów brudu na kolektorze. Dlatego zmniejszymy ilość energii cieplnej na 1 m² do 800 W. Woda stosowana jako nośnik ciepła w płaskich układach SC ma pojemność cieplną 4200 J/kg × deg lub 1,16 W/kg × deg. Oznacza to, że aby podnieść temperaturę jednego litra wody o jeden stopień, potrzeba 1,16 W energii. Biorąc pod uwagę te obliczenia, otrzymujemy następującą wartość dla naszego modelu kolektora słonecznego o powierzchni 1 m²:
Zaokrąglamy dla wygody do 700/kg×st. To wyrażenie oznacza ilość wody, jaką można podgrzać w kolektorze (model 1 m²) przez godzinę. Nie uwzględnia to strat ciepła od strony przedniej, które będą się zwiększać w miarę nagrzewania. Straty te ograniczą nagrzewanie się chłodziwa w kolektorze słonecznym w granicach 70-90 stopni. W związku z tym wartość 700 można zastosować do niskich temperatur (od 10 do 60 stopni). Z obliczeń kolektora słonecznego wynika, że system o powierzchni 1 m² jest w stanie podgrzać 10 litrów wody o 70 stopni, co wystarcza do zapewnienia ciepłej wody w domu. Możesz skrócić czas podgrzewania wody zmniejszając objętość kolektora słonecznego przy zachowaniu jego powierzchni. Jeżeli ilość osób mieszkających w domu wymaga większej ilości wody, należy zastosować kilka kolektorów o tej powierzchni, które są połączone w jeden system. Aby światło słoneczne działało na grzejnik jak najefektywniej, kolektor musi być ustawiony pod kątem do linii horyzontu równym szerokości geograficznej terenu. Zostało to już omówione w artykule Jak obliczyć moc paneli słonecznych, obowiązuje ta sama zasada. Aby zapewnić życie jednej osobie, potrzeba średnio 50 litrów ciepłej wody. Biorąc pod uwagę, że woda przed podgrzaniem ma temperaturę około 10 °C, różnica temperatur wynosi 70 - 10 = 60 °C. Ilość ciepła potrzebna do podgrzania wody jest następująca:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW energii.
Dzieląc W przez ilość energii słonecznej przypadającej na 1 m² powierzchni na danym terenie (dane z ośrodków hydrometeorologicznych) otrzymujemy powierzchnię kolektora. W podobny sposób odbywa się kalkulacja kolektora słonecznego do ogrzewania. Ale objętość wody (chłodziwa) jest potrzebna więcej, co zależy od objętości ogrzewanego pomieszczenia. Można wnioskować, że poprawę efektywności tego typu systemu podgrzewania wody można osiągnąć poprzez zmniejszenie objętości i jednoczesne zwiększenie powierzchni.
Technologie lodowe
Opracowywanych jest szereg technologii, w których lód jest produkowany poza godzinami szczytu, a następnie wykorzystywany do chłodzenia. Na przykład, klimatyzacja może być bardziej ekonomiczna, wykorzystując tanią energię elektryczną w nocy do zamrażania wody, a następnie wykorzystując moc chłodzenia lodu w ciągu dnia, aby zmniejszyć ilość energii potrzebnej do utrzymania klimatyzacji. Magazynowanie energii cieplnej za pomocą lodu wykorzystuje wysokie ciepło topnienia wody. Dawniej lód był transportowany z gór do miast, gdzie był używany jako chłodziwo. Jedna metryczna (= 1 m3) tona wody może pomieścić 334 miliony dżuli (J) lub 317 000 brytyjskich jednostek cieplnych (93 kWh).Stosunkowo mała jednostka magazynowa może pomieścić wystarczającą ilość lodu, aby schłodzić duży budynek przez cały dzień lub tydzień.
Oprócz wykorzystania lodu do bezpośredniego chłodzenia, jest on również stosowany w pompach ciepła zasilających systemy grzewcze. W tych obszarach zmiany energii fazowe zapewniają bardzo poważną warstwę przewodzącą ciepło, blisko dolnej granicy temperatury, przy której może pracować pompa ciepła wykorzystująca ciepło wody. Pozwala to systemowi radzić sobie z najcięższymi obciążeniami grzewczymi i wydłuża czas, przez jaki elementy źródła energii mogą zwracać ciepło do systemu.
Endotermiczne i egzotermiczne reakcje chemiczne
Technologia hydratów soli
Przykładem eksperymentalnej technologii magazynowania energii opartej na energii reakcji chemicznych jest technologia oparta na hydratach soli. System wykorzystuje energię reakcji powstałej w przypadku uwodnienia lub odwodnienia soli. Działa poprzez magazynowanie ciepła w zbiorniku zawierającym 50% roztwór wodorotlenku sodu. Ciepło (na przykład uzyskane z kolektora słonecznego) jest magazynowane dzięki parowaniu wody podczas reakcji endotermicznej. Po ponownym dodaniu wody podczas egzotermicznej reakcji w temperaturze 50°C (120F) uwalniane jest ciepło. Obecnie systemy działają z wydajnością 60%. System jest szczególnie skuteczny w przypadku sezonowego magazynowania energii cieplnej, ponieważ wysuszoną sól można przechowywać w temperaturze pokojowej przez długi czas bez strat energii. Pojemniki z odwodnioną solą można nawet transportować w różne miejsca. System ma wyższą gęstość energii niż ciepło zmagazynowane w wodzie, a jego pojemność pozwala na przechowywanie energii przez kilka miesięcy, a nawet lat.
W 2013 roku holenderski deweloper technologii TNO przedstawił wyniki projektu MERITS dotyczącego magazynowania ciepła w zbiorniku soli. Ciepło, które może być dostarczone z kolektora słonecznego na płaski dach, odparowuje wodę zawartą w soli. Po ponownym dodaniu wody ciepło jest uwalniane praktycznie bez strat energii. Pojemnik z kilkoma metrami sześciennymi soli może zmagazynować energię termochemiczną wystarczającą do ogrzewania domu przez całą zimę. Przy temperaturach jak w Holandii, przeciętna farma tolerująca ciepło będzie wymagała około 6,7 GJ energii w okresie zimowym. Przechowywanie takiej ilości energii w wodzie (przy różnicy temperatur 70C) wymagałoby 23 m3 wody w izolowanym zbiorniku, czyli więcej niż jest w stanie pomieścić większość domów. Przy zastosowaniu technologii hydratów solnych o gęstości energii około 1 GJ/m3 wystarczyłoby 4-8 m3.
Od 2016 roku naukowcy z kilku krajów przeprowadzają eksperymenty w celu określenia najlepszego rodzaju soli lub mieszaniny soli. Niskie ciśnienie wewnątrz pojemnika wydaje się najlepsze do przenoszenia mocy. Szczególnie obiecujące są sole organiczne, tzw. „ciecze jonowe”. W porównaniu z sorbentami z halogenku litu powodują znacznie mniej problemów w środowiskach o ograniczonych zasobach, aw porównaniu z większością halogenków i wodorotlenku sodu są mniej żrące i nie mają negatywnego wpływu na emisję dwutlenku węgla.
Molekularne wiązania chemiczne
Obecnie badana jest możliwość magazynowania energii w molekularnych wiązaniach chemicznych. Osiągnięto już gęstość energii odpowiadającą akumulatorom litowo-jonowym.
Rozkład promieniowania na granicy atmosfery
Dla klimatologii istotne znaczenie ma kwestia rozkładu dopływu i powrotu promieniowania na kuli ziemskiej. Rozważmy najpierw rozkład promieniowania słonecznego na poziomej powierzchni „na granicy atmosfery”. Można też powiedzieć: „pod nieobecność atmosfery”. Zakładamy przez to, że nie ma ani pochłaniania, ani rozpraszania promieniowania, ani jego odbicia przez chmury. Najprostszy jest rozkład promieniowania słonecznego na granicy atmosfery.Tak naprawdę istnieje na wysokości kilkudziesięciu kilometrów. Ten rozkład nazywa się klimatem słonecznym.
Wiadomo, jak zmienia się stała słoneczna w ciągu roku, a co za tym idzie, ilość promieniowania docierającego do Ziemi. Jeżeli wyznaczymy stałą słoneczną dla rzeczywistej odległości Ziemi od Słońca, to ze średnią roczną wartością 1,98 cal/cm2 min. wyniesie 2,05 cal/cm2 min. w styczniu i 1,91 cal/cm2 min. w lipcu.
Dlatego półkula północna w letni dzień otrzymuje nieco mniej promieniowania na granicy atmosfery niż półkula południowa w letni dzień.
Ilość promieniowania otrzymywanego dziennie na granicy atmosfery zależy od pory roku i szerokości geograficznej miejsca. Pod każdą szerokością geograficzną sezon określa czas trwania napływu promieniowania. Ale pod różnymi szerokościami geograficznymi czas trwania części dnia w tym samym czasie jest inny.
Na biegunie latem słońce wcale nie zachodzi, a zimą nie wschodzi przez 6 miesięcy. Między biegunem a kołem podbiegunowym słońce latem nie zachodzi, a zimą nie wschodzi przez okres od sześciu miesięcy do jednego dnia. Na równiku dzień trwa zawsze 12 godzin. Od koła podbiegunowego do równika liczba godzin dziennych zmniejsza się latem, a wydłuża się zimą.
Ale napływ promieniowania słonecznego na poziomą powierzchnię zależy nie tylko od długości dnia, ale także od wysokości słońca. Ilość promieniowania docierającego do granicy atmosfery na jednostkę powierzchni poziomej jest proporcjonalna do sinusa wysokości Słońca. A wysokość słońca nie tylko zmienia się w każdym miejscu w ciągu dnia, ale także zależy od pory roku. Wysokość Słońca na równiku zmienia się w ciągu roku od 90 do 66,5°, w tropikach od 90 do 43°, w kręgach podbiegunowych od 47 do 0°, a na biegunach od 23,5 do 0°.
Kulistość Ziemi i nachylenie płaszczyzny równikowej do płaszczyzny ekliptyki tworzą złożony rozkład dopływu promieniowania na szerokościach geograficznych na granicy atmosfery i jego zmiany w ciągu roku.
Zimą dopływ promieniowania bardzo szybko maleje od równika do bieguna, latem spada znacznie wolniej. W tym przypadku maksimum latem obserwuje się w tropiku, a napływ promieniowania nieco spada od zwrotnika do równika. Niewielką różnicę w napływie promieniowania między szerokościami tropikalnymi i polarnymi w lecie tłumaczy się tym, że chociaż wysokość słońca na szerokościach polarnych jest latem niższa niż w tropikach, długość dnia jest długa. Dlatego w dniu przesilenia letniego, przy braku atmosfery, biegun otrzyma więcej promieniowania niż równik. Jednak w pobliżu powierzchni ziemi, w wyniku tłumienia promieniowania przez atmosferę, jego odbicia przez chmury itp., letni napływ promieniowania w szerokościach polarnych jest znacznie mniejszy niż w niższych szerokościach geograficznych.
Na górnej granicy atmosfery poza tropikami występuje jedno maksimum promieniowania rocznego w czasie przesilenia letniego i jedno minimum w czasie przesilenia zimowego. Ale między tropikami napływ promieniowania ma dwa maksima rocznie, co można przypisać okresom, w których słońce osiąga najwyższą wysokość w południe. Na równiku będzie to dzień równonocy, w innych śródtropikalnych szerokościach geograficznych - po wiosennej i przed jesienną równonocą, odchodząc od czasu równonocy, im większa szerokość geograficzna. Amplituda rocznej zmienności na równiku jest niewielka, wewnątrz tropików jest mała; w umiarkowanych i wysokich szerokościach geograficznych jest znacznie większy.
Dystrybucja ciepła i światła na Ziemi
Słońce jest gwiazdą Układu Słonecznego, która jest źródłem ogromnej ilości ciepła i oślepiającego światła dla planety Ziemia. Pomimo tego, że Słońce znajduje się w znacznej odległości od nas i dociera do nas tylko niewielka część jego promieniowania, to w zupełności wystarczy do rozwoju życia na Ziemi. Nasza planeta krąży wokół Słońca po orbicie. Jeśli Ziemię obserwujemy ze statku kosmicznego w ciągu roku, to można zauważyć, że Słońce zawsze oświetla tylko połowę Ziemi, a zatem będzie tam dzień, a na przeciwnej połowie będzie noc. Powierzchnia ziemi odbiera ciepło tylko w ciągu dnia.
Nasza Ziemia ociepla się nierównomiernie. Nierównomierne nagrzewanie się Ziemi tłumaczy się jej kulistym kształtem, a więc kąt padania promieni słonecznych w różnych obszarach jest różny, co oznacza, że różne części Ziemi otrzymują różne ilości ciepła. Na równiku promienie słoneczne padają pionowo i bardzo mocno ogrzewają Ziemię.Im dalej od równika, tym kąt padania wiązki staje się mniejszy, a co za tym idzie, obszary te otrzymują mniej ciepła. Ta sama wiązka mocy promieniowania słonecznego ogrzewa znacznie mniejszy obszar w pobliżu równika, ponieważ pada pionowo. Ponadto promienie padające pod mniejszym kątem niż na równiku, przenikając do atmosfery, pokonują w niej dłuższą drogę, w wyniku czego część promieni słonecznych rozprasza się w troposferze i nie dociera do powierzchni ziemi. Wszystko to wskazuje na to, że wraz z oddalaniem się od równika na północ lub południe temperatura powietrza spada wraz ze zmniejszaniem się kąta padania promieni słonecznych.
Na stopień nagrzania powierzchni Ziemi wpływa również fakt, że oś Ziemi jest nachylona do płaszczyzny orbity, wzdłuż której Ziemia wykonuje pełny obrót wokół Słońca pod kątem 66,5 ° i jest zawsze kierowana przez północny koniec w kierunku Gwiazdy Polarnej.
Wyobraź sobie, że Ziemia poruszająca się wokół Słońca ma oś Ziemi prostopadłą do płaszczyzny orbity obrotu. Wtedy powierzchnia na różnych szerokościach geograficznych otrzymywałaby stałą ilość ciepła przez cały rok, kąt padania promieni słonecznych byłby cały czas stały, dzień zawsze byłby równy nocy, nie byłoby zmiany pór roku. Na równiku warunki te niewiele różniłyby się od obecnych. Nachylenie osi ziemi ma istotny wpływ na nagrzewanie się powierzchni ziemi, a co za tym idzie na cały klimat, właśnie w umiarkowanych szerokościach geograficznych.
W ciągu roku, czyli podczas całkowitego obrotu Ziemi wokół Słońca, na szczególną uwagę zasługują cztery dni: 21 marca, 23 września, 22 czerwca, 22 grudnia.
Zwrotniki i koła podbiegunowe dzielą powierzchnię Ziemi na pasy, które różnią się oświetleniem słonecznym i ilością ciepła odbieranego od Słońca. Istnieje 5 stref oświetlenia: północna i południowa strefa polarna, które otrzymują mało światła i ciepła, strefa tropikalna o gorącym klimacie oraz północna i południowa strefa umiarkowana, które otrzymują więcej światła i ciepła niż polarne, ale mniej niż tropikalne.
Podsumowując, możemy wyciągnąć ogólny wniosek: nierównomierne ogrzewanie i oświetlenie powierzchni Ziemi związane są z kulistością naszej Ziemi i nachyleniem osi Ziemi do 66,5 ° do orbity obrotu wokół Słońca.
Akumulacja ciepła w gorącej skale, betonie, kamykach itp.
Woda ma jedną z najwyższych pojemności cieplnych – 4,2 J/cm3*K, podczas gdy beton ma tylko jedną trzecią tej wartości. Z drugiej strony beton może być podgrzewany do znacznie wyższych temperatur 1200C, na przykład przez ogrzewanie elektryczne, a tym samym ma znacznie wyższą ogólną wydajność. Zgodnie z poniższym przykładem, izolowany sześcian o średnicy około 2,8 m może zapewnić wystarczającą ilość zmagazynowanego ciepła dla jednego domu, aby zaspokoić 50% zapotrzebowania na ogrzewanie. W zasadzie można by to wykorzystać do przechowywania nadmiaru energii wiatrowej lub fotowoltaicznej energii cieplnej ze względu na zdolność ogrzewania elektrycznego do osiągania wysokich temperatur.
Na poziomie powiatu projekt Wiggenhausen-Süd w niemieckim mieście Friedrichshafen przyciągnął międzynarodową uwagę. Jest to żelbetowy magazyn ciepła o powierzchni 12 000 m3 (420 000 stóp sześciennych) połączony z 4300 m2 (46 000 mkw.)
stóp), pokrywając połowę zapotrzebowania na ciepłą wodę i ogrzewanie w 570 domach. Siemens buduje pod Hamburgiem magazyn ciepła o pojemności 36 MWh, składający się z bazaltu podgrzanego do temperatury 600C i wytwarzającego 1,5 MW mocy. Podobny system planowany jest do budowy w duńskim mieście Sorø, gdzie 41-58% zmagazynowanego ciepła o mocy 18 MWh zostanie przekazane do sieci ciepłowniczej miasta, a 30-41% w postaci energii elektrycznej.
Jak obliczyć zwrot z ogrzewania słonecznego?
Posługując się poniższą tabelą możesz obliczyć, o ile zmniejszy się Twoje koszty ogrzewania, korzystając z kolektorów słonecznych, jak długo ten system może się opłacać i jakie korzyści można uzyskać w różnych okresach eksploatacji. Model ten został opracowany dla Kraju Nadmorskiego, ale można go również wykorzystać do oszacowania wykorzystania ogrzewania słonecznego w Kraju Chabarowskim, Obwodzie Amurskim, Sachalinie, Kamczatce i południowej Syberii.W tym przypadku kolektory słoneczne będą mniej skuteczne w okresie grudzień-styczeń na wyższych szerokościach geograficznych, ale ogólne korzyści nie będą mniejsze, biorąc pod uwagę dłuższy sezon grzewczy.
W pierwszej tabeli wpisz parametry swojego domu, system grzewczy i ceny energii. Wszystkie pola zaznaczone na zielono można modyfikować i symulować istniejący lub planowany dom.
Najpierw w pierwszej kolumnie wejdź do ogrzewanego obszaru swojego domu.
Następnie oceń jakość izolacji termicznej budynku oraz sposób ogrzewania dobierając odpowiednie wartości.
Wskaż liczbę członków rodziny i zużycie ciepłej wody - pomoże to ocenić korzyści z zaopatrzenia w ciepłą wodę kolektorów słonecznych.
Wprowadź ceny za swoje zwykłe źródło energii grzewczej - prąd, olej napędowy lub węgiel.
Wprowadź wartość zwykłego dochodu członka rodziny, który zajmuje się ogrzewaniem w Twoim gospodarstwie domowym. Pomaga to oszacować koszty pracy na sezon grzewczy i odgrywa szczególnie ważną rolę w systemach na paliwa stałe, gdzie konieczne jest doprowadzenie i rozładunek węgla, wrzucenie go do paleniska, wyrzucenie popiołu itp.
Cena instalacji kolektorów słonecznych zostanie ustalona automatycznie na podstawie podanych przez Ciebie parametrów budynku. Podana cena jest orientacyjna - rzeczywiste koszty montażu i parametry solarnych urządzeń grzewczych mogą się różnić i są każdorazowo indywidualnie kalkulowane przez specjalistów.
W kolumnie „Koszty instalacji” można wpisać koszt wyposażenia i montażu tradycyjnego systemu grzewczego – istniejącego lub planowanego
Jeśli system jest już zainstalowany, możesz wpisać „0”.
Zwróć uwagę na wysokość wydatków na sezon grzewczy i porównaj ze zwykłymi wydatkami. Jeśli są różne, spróbuj zmienić ustawienia.
W kolumnie „Koszty ogrzewania na sezon” systemy grzewcze opalane węglem uwzględniają pieniężną wartość kosztów pracy. Jeśli nie chcesz ich brać pod uwagę, możesz obniżyć wartość dochodu członka rodziny zajmującego się ogrzewaniem. Koszty robocizny są uwzględniane w mniejszym stopniu w przypadku instalacji na paliwo ciekłe i nie są uwzględniane w przypadku instalacji kotłów elektrycznych. Regulacja kolektorów słonecznych odbywa się automatycznie i nie wymaga stałej uwagi.
W kolumnie „Czas życia” domyślnie 20 lat - to zwyczajowy okres użytkowania systemów ogrzewania słonecznego z kolektorami słonecznymi. W zależności od warunków pracy kolektory słoneczne mogą wytrzymać dłużej niż ten okres. Możesz zmienić żywotność, a poniższy wykres ilustruje różnicę między kosztami instalacji i konserwacji oraz korzyściami płynącymi z zastosowania kolektorów słonecznych do ogrzewania. Dzięki temu zobaczysz, jak bardzo zmniejszą się koszty ogrzewania i jak długo ta różnica pozwoli na odzyskanie kosztów instalacji kolektorów słonecznych.
Ostateczne wyniki są przybliżone, ale dają dobre wyobrażenie o tym, ile może kosztować system ogrzewania słonecznego i jak długo może się zwrócić.
Należy pamiętać, że koszty sezonu grzewczego można znacznie obniżyć, stosując kolektory słoneczne, systemy ogrzewania podłogowego oraz poprawiając izolacyjność cieplną budynku. Również koszty ogrzewania można obniżyć, jeśli budynek jest wcześniej zaprojektowany do wykorzystania ogrzewania słonecznego i technologii eko-domu.
svetdv.ru
Co to jest ciepło słoneczne
Od czasów starożytnych ludzie doskonale zdawali sobie sprawę z roli Słońca w ich życiu. W prawie wszystkich narodach działał jako główne lub jedno z głównych bóstw, dając życie i światło wszystkim żywym istotom. Dziś ludzkość ma znacznie lepsze wyobrażenie o tym, skąd pochodzi ciepło słoneczne.
Z punktu widzenia nauki nasze Słońce jest żółtą gwiazdą, która jest źródłem światła dla całego naszego układu planetarnego.Czerpie energię z jądra - centralnej części ogromnej gorącej kuli, w której w temperaturze mierzonej w milionach stopni zachodzą reakcje termojądrowej fuzji o niewyobrażalnej mocy. Promień jądra wynosi nie więcej niż jedną czwartą całkowitego promienia Słońca, ale to w jądrze generowana jest energia promienista, z której niewielka część wystarcza do podtrzymania życia na naszej planecie.
Uwolniona energia wchodzi do zewnętrznych warstw Słońca przez strefę konwekcyjną i dociera do fotosfery - promieniującej powierzchni gwiazdy. Temperatura fotosfery zbliża się do 6000 stopni, to ona przekształca i emituje w kosmos energię promieniowania, którą otrzymuje nasza planeta. W rzeczywistości żyjemy dzięki stopniowemu, powolnemu spalaniu gwiezdnej plazmy, z której składa się Słońce.
Skład spektralny promieniowania słonecznego
Odstęp długości fali od 0,1 do 4 mikronów stanowi 99% całkowitej energii promieniowania słonecznego. Tylko 1% pozostaje dla promieniowania o krótszych i dłuższych falach, aż do promieni rentgenowskich i fal radiowych.
Światło widzialne zajmuje wąski zakres długości fal, tylko od 0,40 do 0,75 mikrona. Jednak przedział ten zawiera prawie połowę całej słonecznej energii promieniowania (46%). Prawie taka sama ilość (47%) występuje w promieniach podczerwonych, a pozostałe 7% w ultrafiolecie.
W meteorologii zwyczajowo rozróżnia się promieniowanie krótkofalowe i długofalowe. Promieniowanie krótkofalowe nazywane jest promieniowaniem w zakresie długości fal od 0,1 do 4 mikronów. Obejmuje ona, oprócz światła widzialnego, promieniowanie ultrafioletowe i podczerwone najbliższe mu w długościach fal. Promieniowanie słoneczne to w 99% takie promieniowanie krótkofalowe. Promieniowanie długofalowe obejmuje promieniowanie powierzchni Ziemi i atmosfery o długości fali od 4 do 100-120 mikronów.
Intensywność bezpośredniego promieniowania słonecznego
Promieniowanie docierające do powierzchni ziemi bezpośrednio z dysku słonecznego nazywane jest bezpośrednim promieniowaniem słonecznym, w przeciwieństwie do promieniowania rozproszonego w atmosferze. Promieniowanie słoneczne rozchodzi się ze Słońca we wszystkich kierunkach. Ale odległość od Ziemi do Słońca jest tak duża, że bezpośrednie promieniowanie pada na każdą powierzchnię Ziemi w postaci wiązki równoległych promieni emanujących jakby z nieskończoności. Nawet kula ziemska jako całość jest tak mała w porównaniu z odległością od Słońca, że całe padające na nią promieniowanie słoneczne można bez zauważalnego błędu uznać za wiązkę równoległych promieni.
Napływ bezpośredniego promieniowania słonecznego na powierzchnię ziemi lub na wyższy poziom w atmosferze charakteryzuje się natężeniem promieniowania i, tj. ilość energii promienistej wchodzącej w jednostce czasu (jedna minuta) na jednostkę powierzchni (jeden centymetr kwadratowy) prostopadłej do promieni słonecznych.
Ryż. 1. Dopływ promieniowania słonecznego na powierzchnię prostopadłą do promieni (AB) oraz na poziomej powierzchni (AC).
Łatwo zrozumieć, że obszar jednostki położony prostopadle do promieni słonecznych otrzyma maksymalną możliwą ilość promieniowania w danych warunkach. Jednostka obszaru poziomego będzie miała mniejszą ilość energii promieniowania:
ja' = grzeszę
gdzie h to wysokość słońca (ryc. 1).
Wszystkie rodzaje energii są wzajemnie równoważne. Dlatego energię promieniowania można wyrazić w jednostkach dowolnego rodzaju energii, na przykład termicznej lub mechanicznej. Wyrażanie jej w jednostkach termicznych jest naturalne, ponieważ przyrządy pomiarowe opierają się na termicznym efekcie promieniowania: energia promieniowania, prawie całkowicie pochłonięta przez urządzenie, zamieniana jest na ciepło, które jest mierzone. Zatem intensywność bezpośredniego promieniowania słonecznego będzie wyrażona w kaloriach na centymetr kwadratowy na minutę (cal/cm2min).
Wytwarzanie energii
Energia słoneczna działa poprzez przekształcanie światła słonecznego w energię elektryczną.Może się to odbywać bezpośrednio, przy użyciu fotowoltaiki, lub pośrednio, przy użyciu systemów skoncentrowanej energii słonecznej, w których soczewki i lustra zbierają światło słoneczne z dużego obszaru w cienką wiązkę, a mechanizm śledzący śledzi położenie Słońca. Fotowoltaika zamienia światło na energię elektryczną za pomocą efektu fotoelektrycznego.
Przewiduje się, że do 2050 r. energia słoneczna stanie się największym źródłem energii elektrycznej, przy czym fotowoltaika i skoncentrowana energia słoneczna będą stanowić odpowiednio 16% i 11% światowej produkcji energii elektrycznej.
Elektrownie komercyjne wykorzystujące skoncentrowaną energię słoneczną po raz pierwszy pojawiły się w latach 80. XX wieku. Po 1985 roku tego typu instalacja SEGS o mocy 354 MW na pustyni Mojave (Kalifornia) stała się największą elektrownią słoneczną na świecie. Inne elektrownie słoneczne tego typu to Solnova (150 MW) i Andasol (100 MW), obie w Hiszpanii. Do największych elektrowni fotowoltaicznych (w języku angielskim) należą Agua Caliente Solar Project (250 MW) w USA oraz Charanka Solar Park (221 MW) w Indiach. Projekty powyżej 1 GW są w trakcie opracowywania, ale większość instalacji fotowoltaicznych do 5 kW to małe i dachowe.W 2013 r. energia słoneczna stanowiła mniej niż 1% energii elektrycznej w globalnej sieci.
Rodzaje promieniowania słonecznego
W atmosferze promieniowanie słoneczne w drodze na powierzchnię Ziemi jest częściowo pochłaniane, a częściowo rozpraszane i odbijane od chmur i powierzchni Ziemi. W atmosferze obserwuje się trzy rodzaje promieniowania słonecznego: bezpośrednie, rozproszone i całkowite.
Bezpośrednie promieniowanie słoneczne - promieniowanie docierające do powierzchni ziemi bezpośrednio z tarczy słonecznej. Promieniowanie słoneczne rozchodzi się ze Słońca we wszystkich kierunkach. Ale odległość od Ziemi do Słońca jest tak duża, że bezpośrednie promieniowanie pada na każdą powierzchnię Ziemi w postaci wiązki równoległych promieni emanujących jakby z nieskończoności. Nawet cały glob jako całość jest tak mały w porównaniu z odległością do Słońca, że całe padające na niego promieniowanie słoneczne można bez zauważalnego błędu uznać za wiązkę równoległych promieni.
Tylko bezpośrednie promieniowanie dociera do górnej granicy atmosfery. Około 30% promieniowania padającego na Ziemię odbija się w kosmos. Tlen, azot, ozon, dwutlenek węgla, para wodna (chmury) i cząsteczki aerozolu pochłaniają 23% bezpośredniego promieniowania słonecznego w atmosferze. Ozon pochłania promieniowanie ultrafioletowe i widzialne. Pomimo tego, że jego zawartość w powietrzu jest bardzo mała, pochłania całe promieniowanie ultrafioletowe (około 3%)
Tym samym w ogóle nie jest obserwowany na powierzchni ziemi, co jest bardzo ważne dla życia na Ziemi.
Rozproszone jest również bezpośrednie promieniowanie słoneczne przechodzące przez atmosferę. Cząstka (kropla, kryształ lub cząsteczka) powietrza, która znajduje się na drodze fali elektromagnetycznej, w sposób ciągły „wydobywa” energię z fali padającej i ponownie ją promieniuje we wszystkich kierunkach, stając się emiterem energii.
Około 25% energii całkowitego strumienia promieniowania słonecznego przechodzącego przez atmosferę jest rozpraszane przez cząsteczki gazu atmosferycznego i aerozol i przekształcane w atmosferze w rozproszone promieniowanie słoneczne. Zatem rozproszone promieniowanie słoneczne to promieniowanie słoneczne, które uległo rozproszeniu w atmosferze. Promieniowanie rozproszone dociera do powierzchni Ziemi nie z tarczy słonecznej, ale z całego firmamentu. Promieniowanie rozproszone różni się od promieniowania bezpośredniego składem widmowym, ponieważ promienie o różnych długościach fal są rozpraszane w różnym stopniu.
Ponieważ głównym źródłem promieniowania rozproszonego jest bezpośrednie promieniowanie słoneczne, strumień promieniowania rozproszonego zależy od tych samych czynników, które wpływają na strumień promieniowania bezpośredniego. W szczególności strumień promieniowania rozproszonego wzrasta wraz ze wzrostem wysokości Słońca i odwrotnie.Zwiększa się również wraz ze wzrostem liczby cząstek rozpraszających w atmosferze, tj. wraz ze spadkiem przezroczystości atmosfery i zmniejsza się wraz z wysokością nad poziomem morza ze względu na zmniejszenie liczby cząstek rozpraszających w nakładających się warstwach atmosfery. Zachmurzenie i pokrywa śnieżna mają bardzo duży wpływ na promieniowanie rozproszone, które ze względu na rozpraszanie i odbicie padającego na nie promieniowania bezpośredniego i rozproszonego oraz ponowne ich rozproszenie w atmosferze może kilkukrotnie zwiększyć rozproszone promieniowanie słoneczne.
Promieniowanie rozproszone w znaczący sposób uzupełnia bezpośrednie promieniowanie słoneczne oraz znacząco zwiększa przepływ energii słonecznej do powierzchni ziemi. Jego rola jest szczególnie duża zimą na dużych szerokościach geograficznych oraz w innych rejonach o dużym zachmurzeniu, gdzie udział promieniowania rozproszonego może przekraczać udział promieniowania bezpośredniego. Na przykład w rocznej ilości energii słonecznej promieniowanie rozproszone stanowi 56% w Archangielsku i 51% w Petersburgu.
Całkowite promieniowanie słoneczne to suma strumieni promieniowania bezpośredniego i rozproszonego docierających do powierzchni poziomej. Przed wschodem i po zachodzie słońca, a także w dzień z ciągłym zachmurzeniem promieniowanie całkowite jest całkowicie, a na niskich wysokościach Słońca składa się głównie z promieniowania rozproszonego. Na bezchmurnym lub lekko zachmurzonym niebie, wraz ze wzrostem wysokości Słońca, udział promieniowania bezpośredniego w składzie całości gwałtownie wzrasta iw ciągu dnia jego strumień jest wielokrotnie większy niż strumień promieniowania rozproszonego. Zachmurzenie osłabia średnio promieniowanie całkowite (o 20-30%), jednak przy zachmurzeniu częściowym, które nie obejmuje tarczy słonecznej, jego strumień może być większy niż przy bezchmurnym niebie. Pokrywa śnieżna znacznie zwiększa strumień promieniowania całkowitego poprzez zwiększenie strumienia promieniowania rozproszonego.
Całkowite promieniowanie padające na powierzchnię ziemi jest w większości pochłaniane przez górną warstwę gleby lub grubszą warstwę wody (promieniowanie pochłonięte) i zamienia się w ciepło, a częściowo ulega odbiciu (promieniowanie odbite).
Pasy termiczne
W zależności od ilości promieniowania słonecznego wnikającego w powierzchnię Ziemi, na kuli ziemskiej wyróżnia się 7 stref termicznych: gorącej, dwóch umiarkowanych, dwóch zimnych i dwóch stref wiecznego mrozu. Granice stref termicznych są izotermami. Gorący pas jest ograniczony średniorocznymi izotermami +20°С od północy i południa (ryc. 9). Dwie strefy umiarkowane na północ i południe od gorącej strefy są ograniczone od strony równika średnią roczną izotermą +20 ° С, a od strony wysokich szerokości geograficznych izotermą +10 ° С (średnia temperatura powietrza wynosi najcieplejszym miesiącem jest lipiec na północy i styczeń na półkuli południowej). Granica północna pokrywa się w przybliżeniu z granicą rozmieszczenia lasów. Dwie zimne strefy na północ i południe od strefy umiarkowanej na półkuli północnej i południowej leżą między izotermami +10°C i 0°C najcieplejszego miesiąca. Dwa pasy wiecznego mrozu ograniczone są izotermą 0°C najcieplejszego miesiąca od pasów zimnych. Kraina wiecznego śniegu i lodu rozciąga się na biegun północny i południowy.
Wyniki pomiarów bezpośredniego promieniowania słonecznego
Przy niezmienionej przezroczystości atmosfery natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego zależy od masy optycznej atmosfery, czyli ostatecznie od wysokości słońca. Dlatego w ciągu dnia promieniowanie słoneczne musi najpierw gwałtownie wzrastać, potem od wschodu do południa wolniej, a od południa do zachodu słońca najpierw powoli, a potem szybko spadać.
Ale przezroczystość atmosfery w ciągu dnia waha się w pewnych granicach. Dlatego krzywa dziennego przebiegu promieniowania, nawet w całkowicie bezchmurny dzień, wykazuje pewne nieprawidłowości.
Różnice w natężeniu promieniowania w południe wynikają przede wszystkim z różnic w wysokości południa słońca, która zimą jest mniejsza niż latem. Minimalna intensywność w umiarkowanych szerokościach geograficznych występuje w grudniu, kiedy słońce jest najniżej. Ale maksymalna intensywność nie przypada na miesiące letnie, ale na wiosnę.Faktem jest, że wiosną powietrze jest najmniej zachmurzone przez produkty kondensacji i mało zakurzone. Latem zwiększa się zapylenie, wzrasta również zawartość pary wodnej w atmosferze, co nieco zmniejsza intensywność promieniowania.
Maksymalne wartości natężenia promieniowania bezpośredniego dla niektórych punktów są następujące (w cal/cm2min): Zatoka Tiksi 1,30, Pawłowsk 1,43, Irkuck 1,47, Moskwa 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Władywostok 1, 46, Taszkent 1,52.
Z tych danych wynika, że maksymalne wartości natężenia promieniowania rosną bardzo nieznacznie wraz ze zmniejszaniem się szerokości geograficznej, pomimo wzrostu wysokości słońca. Tłumaczy się to wzrostem wilgotności, a częściowo pyleniem powietrza na południowych szerokościach geograficznych. Na równiku maksymalne wartości promieniowania nie przekraczają znacznie letnich maksimów umiarkowanych szerokości geograficznych. W suchym powietrzu pustyń subtropikalnych (Sahara) zaobserwowano natomiast wartości do 1,58 cal/cm2 min.
Przy wysokości nad poziomem morza maksymalne wartości promieniowania wzrastają ze względu na spadek masy optycznej atmosfery na tej samej wysokości słońca. Na każde 100 m wysokości intensywność promieniowania w troposferze wzrasta o 0,01-0,02 cal/cm2 min. Powiedzieliśmy już, że maksymalne wartości natężenia promieniowania obserwowane w górach sięgają 1,7 cal/cm2 min i więcej.