Cálculo de um coletor solar plano
A prática mostra que uma média de 900 W de energia térmica por metro quadrado de uma superfície instalada perpendicularmente à luz solar intensa (com um céu sem nuvens). Calcularemos o SC com base em um modelo com área de 1 m². A parte frontal é fosca, preta (tem cerca de 100% de absorção de energia térmica). A parte de trás é isolada com uma camada de 10 cm de poliestireno expandido. É necessário calcular as perdas de calor que ocorrem no lado reverso e sombreado. Coeficiente de isolamento térmico de poliestireno expandido - 0,05 W / m × graus. Conhecendo a espessura e assumindo que a diferença de temperatura nos lados opostos do material está dentro de 50 graus, calculamos a perda de calor:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Aproximadamente as mesmas perdas são esperadas nas extremidades e tubulações, ou seja, a quantidade total será de 50 watts. Céus sem nuvens são raros, e o efeito dos depósitos de sujeira no coletor também deve ser levado em consideração. Portanto, reduziremos a quantidade de energia térmica por 1 m² para 800 W. A água usada como transportador de calor em SCs planas tem uma capacidade calorífica de 4200 J/kg × graus ou 1,16 W/kg × graus. Isso significa que, para aumentar a temperatura de um litro de água em um grau, serão necessários 1,16 W de energia. Diante desses cálculos, obtemos o seguinte valor para nosso modelo de coletor solar de 1 m² de área:
Arredondamos por conveniência até 700 / kg × graus. Esta expressão indica a quantidade de água que pode ser aquecida em um coletor (modelo de 1 m²) por uma hora. Isso não leva em consideração a perda de calor da parte frontal, que aumentará à medida que aquece. Essas perdas limitarão o aquecimento do refrigerante no coletor solar dentro de 70 a 90 graus. A este respeito, o valor de 700 pode ser aplicado a baixas temperaturas (de 10 a 60 graus). O cálculo do coletor solar mostra que um sistema de 1 m² é capaz de aquecer 10 litros de água a 70 graus, o que é suficiente para fornecer água quente a uma casa. Você pode reduzir o tempo de aquecimento da água reduzindo o volume do coletor solar mantendo sua área. Se o número de pessoas que moram na casa exigir um volume maior de água, devem ser utilizados vários coletores dessa área, que são conectados em um único sistema. Para que a luz solar atue no radiador da forma mais eficiente possível, o coletor deve ser orientado em um ângulo com a linha do horizonte igual à latitude da área. Isso já foi discutido no artigo Como calcular a potência dos painéis solares, aplica-se o mesmo princípio. Em média, são necessários 50 litros de água quente para garantir a vida de uma pessoa. Dado que a água antes do aquecimento tem uma temperatura de cerca de 10 °C, a diferença de temperatura é de 70 - 10 = 60 °C. A quantidade de calor necessária para aquecer a água é a seguinte:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW de energia.
Dividindo W pela quantidade de energia solar por 1 m² de superfície em uma determinada área (dados de centros hidrometeorológicos), obtemos a área do coletor. O cálculo de um coletor solar para aquecimento é realizado de maneira semelhante. Mas o volume de água (refrigerante) é mais necessário, o que depende do volume da sala aquecida. Pode-se concluir que a melhoria da eficiência deste tipo de sistema de aquecimento de água pode ser conseguida reduzindo o volume e aumentando simultaneamente a área.
Tecnologias de gelo
Várias tecnologias estão sendo desenvolvidas onde o gelo é produzido fora dos períodos de pico e posteriormente usado para resfriamento. Por exemplo, o ar condicionado pode ser mais econômico usando eletricidade barata à noite para congelar a água e, em seguida, usando o poder de resfriamento do gelo durante o dia para reduzir a quantidade de energia necessária para manter o ar condicionado. O armazenamento de energia térmica usando gelo utiliza o alto calor de fusão da água. Historicamente, o gelo era transportado das montanhas para as cidades para ser usado como refrigerante. Uma tonelada métrica (= 1 m3) de água pode armazenar 334 milhões de joules (J) ou 317.000 unidades térmicas britânicas (93 kWh).Uma unidade de armazenamento relativamente pequena pode armazenar gelo suficiente para resfriar um prédio grande por um dia ou uma semana inteira.
Além de usar gelo para resfriamento direto, também é usado em bombas de calor que alimentam sistemas de aquecimento. Nessas áreas, as mudanças de energia de fase fornecem uma camada condutora de calor muito séria, próxima ao limite de temperatura mais baixo no qual uma bomba de calor usando o calor da água pode operar. Isso permite que o sistema lide com as cargas de aquecimento mais pesadas e aumente a quantidade de tempo que os elementos da fonte de energia podem retornar calor ao sistema.
Reações químicas endotérmicas e exotérmicas
Tecnologia de hidrato de sal
Um exemplo de uma tecnologia experimental de armazenamento de energia baseada na energia de reações químicas é uma tecnologia baseada em hidratos de sal. O sistema utiliza a energia da reação criada no caso de hidratação ou desidratação de sais. Ele funciona armazenando calor em um tanque contendo uma solução de hidróxido de sódio a 50%. O calor (por exemplo, obtido de um coletor solar) é armazenado devido à evaporação da água durante uma reação endotérmica. Quando a água é adicionada novamente, o calor é liberado durante a reação exotérmica a 50C (120F). No momento, os sistemas operam com eficiência de 60%. O sistema é especialmente eficaz para armazenamento de energia térmica sazonal, pois o sal seco pode ser armazenado à temperatura ambiente por um longo tempo sem perda de energia. Recipientes de sal desidratado podem até ser transportados para diferentes locais. O sistema tem uma densidade energética superior ao calor armazenado na água e a sua capacidade permite armazenar energia durante vários meses ou mesmo anos.
Em 2013, o desenvolvedor de tecnologia holandês TNO apresentou os resultados do projeto MERITS para armazenamento de calor em um recipiente de sal. O calor que pode ser fornecido do coletor solar ao telhado plano evapora a água contida no sal. Quando a água é adicionada novamente, o calor é liberado praticamente sem perda de energia. Um recipiente com alguns metros cúbicos de sal pode armazenar energia termoquímica suficiente para aquecer uma casa durante todo o inverno. Com temperaturas como na Holanda, uma fazenda média tolerante ao calor exigirá aproximadamente 6,7 GJ de energia durante o inverno. Para armazenar tanta energia em água (com uma diferença de temperatura de 70°C) seriam necessários 23 m3 de água em um tanque isolado, o que é mais do que a maioria das casas pode armazenar. Com o uso da tecnologia de hidrato de sal com uma densidade de energia de cerca de 1 GJ/m3, 4-8 m3 seriam suficientes.
A partir de 2016, pesquisadores de vários países estão realizando experimentos para determinar o melhor tipo de sal ou mistura de sais. A baixa pressão dentro do recipiente parece ser a melhor para a transferência de energia. Particularmente promissores são os sais orgânicos, os chamados "líquidos iônicos". Em comparação com os sorventes de haleto de lítio, eles causam muito menos problemas em ambientes com recursos limitados e, em comparação com a maioria dos haletos e hidróxido de sódio, são menos cáusticos e não têm impacto negativo por meio das emissões de dióxido de carbono.
Ligações químicas moleculares
No momento, está sendo investigada a possibilidade de armazenar energia em ligações químicas moleculares. Uma densidade de energia equivalente às baterias de íons de lítio já foi alcançada.
Distribuição da radiação na fronteira da atmosfera
Para a climatologia, a questão da distribuição do influxo e retorno da radiação sobre o globo é de grande interesse. Considere primeiro a distribuição da radiação solar em uma superfície horizontal "no limite da atmosfera". Pode-se dizer também: "na ausência de uma atmosfera". Com isso assumimos que não há absorção nem espalhamento de radiação, nem sua reflexão pelas nuvens. A distribuição da radiação solar na fronteira da atmosfera é a mais simples.Realmente existe a uma altitude de várias dezenas de quilômetros. Essa distribuição é chamada de clima solar.
Sabe-se como a constante solar varia ao longo do ano e, consequentemente, a quantidade de radiação que chega à Terra. Se determinarmos a constante solar para a distância real da Terra ao Sol, então com um valor médio anual de 1,98 cal/cm2 min. será igual a 2,05 cal/cm2 min. em janeiro e 1,91 cal/cm2 min. em julho.
Portanto, o hemisfério norte durante um dia de verão recebe um pouco menos radiação no limite da atmosfera do que o hemisfério sul durante o dia de verão.
A quantidade de radiação recebida por dia na fronteira da atmosfera depende da época do ano e da latitude do local. Sob cada latitude, a estação determina a duração do influxo de radiação. Mas sob diferentes latitudes, a duração da parte do dia ao mesmo tempo é diferente.
No Pólo, o sol não se põe no verão e não nasce por 6 meses no inverno. Entre o Pólo e o Círculo Polar Ártico, o sol não se põe no verão e não nasce no inverno por um período de seis meses a um dia. No equador, o dia dura sempre 12 horas. Do Círculo Ártico ao equador, as horas de luz do dia diminuem no verão e aumentam no inverno.
Mas o influxo de radiação solar em uma superfície horizontal depende não apenas da duração do dia, mas também da altura do sol. A quantidade de radiação que chega ao limite da atmosfera por unidade de superfície horizontal é proporcional ao seno da altura do sol. E a altura do sol não só muda em cada lugar durante o dia, mas também depende da época do ano. A altura do sol no equador varia ao longo do ano de 90 a 66,5°, nos trópicos de 90 a 43°, nos círculos polares de 47 a 0° e nos pólos de 23,5 a 0°.
A esfericidade da Terra e a inclinação do plano equatorial ao plano da eclíptica criam uma distribuição complexa do influxo de radiação nas latitudes no limite da atmosfera e suas mudanças durante o ano.
No inverno, o influxo de radiação diminui muito rapidamente do equador ao pólo, no verão diminui muito mais lentamente. Neste caso, o máximo no verão é observado no trópico, e o influxo de radiação diminui um pouco do trópico para o equador. A pequena diferença no influxo de radiação entre as latitudes tropicais e polares no verão é explicada pelo fato de que, embora as alturas do sol nas latitudes polares sejam menores no verão do que nos trópicos, a duração do dia é longa. No dia do solstício de verão, portanto, na ausência de atmosfera, o pólo receberia mais radiação do que o equador. No entanto, perto da superfície da Terra, como resultado da atenuação da radiação pela atmosfera, sua reflexão pelas nuvens, etc., o influxo de radiação no verão nas latitudes polares é significativamente menor do que nas latitudes mais baixas.
No limite superior da atmosfera fora dos trópicos, há um máximo anual de radiação no momento do solstício de verão e um mínimo no momento do solstício de inverno. Mas entre os trópicos, o influxo de radiação tem dois máximos por ano, atribuíveis aos momentos em que o sol atinge sua altura mais alta ao meio-dia. No equador, isso será nos dias dos equinócios, em outras latitudes intratropicais - após a primavera e antes do equinócio de outono, afastando-se da época dos equinócios, quanto maior a latitude. A amplitude da variação anual no equador é pequena, dentro dos trópicos é pequena; em latitudes temperadas e altas é muito maior.
Distribuição de calor e luz na Terra
O sol é a estrela do sistema solar, que é a fonte de uma enorme quantidade de calor e luz ofuscante para o planeta Terra. Apesar do Sol estar a uma distância considerável de nós e apenas uma pequena parte de sua radiação chegar até nós, isso é suficiente para o desenvolvimento da vida na Terra. Nosso planeta gira em torno do sol em uma órbita. Se a Terra for observada de uma espaçonave durante o ano, pode-se notar que o Sol sempre ilumina apenas metade da Terra, portanto, haverá dia lá e, nesse momento, haverá noite na metade oposta. A superfície da Terra recebe calor apenas durante o dia.
Nossa Terra está aquecendo de forma desigual. O aquecimento desigual da Terra é explicado por sua forma esférica, de modo que o ângulo de incidência do raio solar em diferentes áreas é diferente, o que significa que diferentes partes da Terra recebem diferentes quantidades de calor. No equador, os raios do sol caem verticalmente e aquecem muito a Terra.Quanto mais distante do equador, menor é o ângulo de incidência do feixe e, consequentemente, esses territórios recebem menos calor. O mesmo feixe de energia da radiação solar aquece uma área muito menor perto do equador, pois cai verticalmente. Além disso, os raios que caem em um ângulo menor do que no equador, penetrando na atmosfera, percorrem um caminho mais longo, fazendo com que parte dos raios do sol se espalhe na troposfera e não atinja a superfície da Terra. Tudo isso indica que à medida que você se afasta do equador para o norte ou para o sul, a temperatura do ar diminui, à medida que o ângulo de incidência do raio do sol diminui.
O grau de aquecimento da superfície da Terra também é afetado pelo fato de o eixo da Terra estar inclinado em relação ao plano da órbita, ao longo do qual a Terra faz uma revolução completa em torno do Sol, em um ângulo de 66,5 ° e é sempre direcionada por o extremo norte em direção à Estrela Polar.
Imagine que a Terra, movendo-se em torno do Sol, tenha o eixo da Terra perpendicular ao plano da órbita de rotação. Então a superfície em diferentes latitudes receberia uma quantidade constante de calor ao longo do ano, o ângulo de incidência do raio do sol seria constante o tempo todo, o dia seria sempre igual à noite, não haveria mudança de estações. No equador, essas condições pouco difeririam do presente. A inclinação do eixo terrestre tem um efeito significativo no aquecimento da superfície terrestre e, portanto, em todo o clima, precisamente nas latitudes temperadas.
Durante o ano, ou seja, durante a revolução completa da Terra em torno do Sol, quatro dias são especialmente notáveis: 21 de março, 23 de setembro, 22 de junho, 22 de dezembro.
Os trópicos e os círculos polares dividem a superfície da Terra em cinturões que diferem na iluminação solar e na quantidade de calor recebido do Sol. Existem 5 zonas de iluminação: as zonas polares norte e sul, que recebem pouca luz e calor, a zona tropical com clima quente e as zonas temperadas norte e sul, que recebem mais luz e calor do que as polares, mas menos do que os tropicais.
Assim, em conclusão, podemos tirar uma conclusão geral: o aquecimento e a iluminação desiguais da superfície da Terra estão associados à esfericidade da nossa Terra e à inclinação do eixo da Terra até 66,5 ° em relação à órbita de rotação ao redor do Sol.
Acúmulo de calor em rocha quente, concreto, seixos, etc.
A água tem uma das maiores capacidades de calor - 4,2 J / cm3 * K, enquanto o concreto tem apenas um terço desse valor. O concreto, por outro lado, pode ser aquecido a temperaturas muito mais altas de 1200C por, por exemplo, aquecimento elétrico e, portanto, tem uma capacidade geral muito maior. Seguindo o exemplo abaixo, um cubo isolado de aproximadamente 2,8 m de diâmetro pode fornecer calor armazenado suficiente para uma casa atender 50% da demanda de aquecimento. Em princípio, isso poderia ser usado para armazenar o excesso de energia eólica ou térmica fotovoltaica devido à capacidade do aquecimento elétrico de atingir altas temperaturas.
Em nível de condado, o projeto Wiggenhausen-Süd na cidade alemã de Friedrichshafen atraiu a atenção internacional. Esta é uma unidade de armazenamento de calor de concreto armado de 12.000 m3 (420.000 cu.ft.) conectada a uma unidade de armazenamento de calor de 4.300 m2 (46.000 sq.
ft.), cobrindo metade da necessidade de água quente e aquecimento para 570 casas. A Siemens está construindo uma instalação de armazenamento de calor perto de Hamburgo com capacidade de 36 MWh, composta por basalto aquecido a 600C e gerando 1,5 MW de energia. Um sistema semelhante está planejado para construção na cidade dinamarquesa de Sorø, onde 41-58% do calor armazenado com capacidade de 18 MWh será transferido para o aquecimento urbano da cidade e 30-41% como eletricidade.
Como calcular o retorno do aquecimento solar
Usando a tabela abaixo, você pode calcular quanto seus custos de aquecimento serão reduzidos ao usar coletores solares, quanto tempo esse sistema pode render e quais benefícios podem ser obtidos em vários períodos de operação. Este modelo foi desenvolvido para Primorsky Krai, mas também pode ser usado para estimar o uso de aquecimento solar em Khabarovsk Krai, Amur Oblast, Sakhalin, Kamchatka e no sul da Sibéria.Nesse caso, os coletores solares terão menos efeito em dezembro-janeiro em latitudes mais altas, mas os benefícios gerais não serão menores, dada a estação de aquecimento mais longa.
Na primeira tabela, insira os parâmetros de sua casa, sistema de aquecimento e preços de energia. Todos os campos marcados em verde podem ser modificados e simular uma casa existente ou planejada.
Primeiro, entre na área aquecida de sua casa na primeira coluna.
Em seguida, avalie a qualidade do isolamento térmico do edifício e o método de aquecimento selecionando os valores adequados.
Indique o número de membros da família e o consumo de água quente - isso ajudará a avaliar os benefícios do fornecimento de água quente dos coletores solares.
Insira os preços para sua fonte de energia de aquecimento habitual - eletricidade, diesel ou carvão.
Insira o valor da renda habitual de um membro da família que se dedica ao aquecimento em sua casa. Isso ajuda a estimar os custos de mão de obra para a estação de aquecimento e desempenha um papel particularmente importante para sistemas de combustível sólido, onde é necessário trazer e descarregar carvão, jogá-lo no forno, jogar fora as cinzas, etc.
O preço do sistema de coletor solar será determinado automaticamente, com base nos parâmetros de construção que você especificar. Este preço é aproximado - os custos reais de instalação e os parâmetros do equipamento de aquecimento solar podem diferir e são calculados por especialistas individualmente em cada caso.
Na coluna "Custos de instalação", você pode inserir o custo do equipamento e instalação de um sistema de aquecimento tradicional - existente ou planejado
Se o sistema já estiver instalado, você pode digitar "0".
Preste atenção ao valor das despesas para a estação de aquecimento e compare com suas despesas habituais. Se forem diferentes, tente alterar as configurações.
Na coluna “Custos de aquecimento por estação”, os sistemas de aquecimento a carvão levam em consideração o valor monetário dos custos trabalhistas. Se você não quiser levá-los em consideração, poderá reduzir o valor da renda de um membro da família envolvido no aquecimento. Os custos de mão de obra são considerados em menor grau para sistemas de combustível líquido e não são considerados para sistemas de caldeiras elétricas. O ajuste dos coletores solares é feito automaticamente e não requer atenção constante.
Na coluna "Vida útil", o padrão é 20 anos - esta é a vida normal dos sistemas de aquecimento solar com coletores solares. Dependendo das condições de operação, os coletores solares podem durar mais do que esse período. Você pode alterar a vida útil e o gráfico abaixo refletirá a diferença entre os custos de instalação e manutenção e os benefícios do uso de coletores solares para aquecimento. Assim, você verá o quanto os custos de aquecimento serão reduzidos e em quanto tempo essa diferença permitirá recuperar os custos de instalação de coletores solares.
Os resultados finais são aproximados, mas dão uma boa ideia de quanto pode custar um sistema de aquecimento solar e quanto tempo ele pode se pagar.
Observe que os custos da temporada de aquecimento podem ser significativamente reduzidos usando coletores solares, sistemas de aquecimento por piso radiante e melhorando o isolamento térmico do edifício. Além disso, os custos de aquecimento podem ser reduzidos se o edifício for projetado antecipadamente para o uso de aquecimento solar e usando tecnologias eco-house.
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O que é calor solar
Desde os tempos antigos, as pessoas estão bem cientes do papel do Sol em suas vidas. Em quase todas as nações, atuou como a principal ou uma das principais divindades, dando vida e luz a todos os seres vivos. Hoje, a humanidade tem uma ideia muito melhor de onde vem o calor do sol.
Do ponto de vista da ciência, nosso Sol é uma estrela amarela, que é a luminária de todo o nosso sistema planetário.Ele extrai sua energia do núcleo - a parte central de uma enorme bola quente, onde ocorrem reações de fusão termonuclear de potência inimaginável a uma temperatura medida em milhões de graus. O raio do núcleo não é mais do que um quarto do raio total do Sol, mas é no núcleo que é gerada a energia radiante, da qual uma pequena fração é suficiente para sustentar a vida em nosso planeta.
A energia liberada entra nas camadas externas do Sol através da zona convectiva e atinge a fotosfera - a superfície radiante da estrela. A temperatura da fotosfera está se aproximando de 6.000 graus, é ela que converte e emite para o espaço a energia radiante que nosso planeta recebe. Na verdade, vivemos devido à queima gradual e lenta do plasma estelar que compõe o Sol.
Composição espectral da radiação solar
O intervalo de comprimento de onda entre 0,1 e 4 mícrons é responsável por 99% da energia total da radiação solar. Apenas 1% permanece para radiação com comprimentos de onda mais curtos e mais longos, até raios-x e ondas de rádio.
A luz visível ocupa uma estreita faixa de comprimentos de onda, apenas de 0,40 a 0,75 mícrons. No entanto, este intervalo contém quase metade de toda a energia solar radiante (46%). Quase a mesma quantidade (47%) está em raios infravermelhos e os 7% restantes estão em ultravioleta.
Em meteorologia, costuma-se distinguir entre radiação de ondas curtas e ondas longas. A radiação de ondas curtas é chamada de radiação na faixa de comprimento de onda de 0,1 a 4 mícrons. Inclui, além da luz visível, a radiação ultravioleta e infravermelha mais próxima em comprimentos de onda. A radiação solar é 99% dessa radiação de ondas curtas. A radiação de onda longa inclui a radiação da superfície e da atmosfera da Terra com comprimentos de onda de 4 a 100-120 mícrons.
Intensidade da radiação solar direta
A radiação que chega à superfície da Terra diretamente do disco solar é chamada de radiação solar direta, em contraste com a radiação espalhada na atmosfera. A radiação solar se propaga do Sol em todas as direções. Mas a distância da Terra ao Sol é tão grande que a radiação direta incide sobre qualquer superfície da Terra na forma de um feixe de raios paralelos que emanam, por assim dizer, do infinito. Mesmo o globo como um todo é tão pequeno em comparação com a distância do Sol que toda a radiação solar que incide sobre ele pode ser considerada como um feixe de raios paralelos sem erro perceptível.
O influxo de radiação solar direta para a superfície da Terra ou para qualquer nível mais alto na atmosfera é caracterizado pela intensidade da radiação eu, ou seja, a quantidade de energia radiante que entra por unidade de tempo (um minuto) por unidade de área (um centímetro quadrado) perpendicular aos raios do sol.
Arroz. 1. O influxo de radiação solar para a superfície perpendicular aos raios (AB), e em uma superfície horizontal (CA).
É fácil entender que uma unidade de área localizada perpendicularmente aos raios do sol receberá a quantidade máxima possível de radiação sob determinadas condições. Uma unidade de área horizontal terá uma quantidade menor de energia radiante:
Eu' = eu sinto
Onde h é a altura do sol (Fig. 1).
Todos os tipos de energia são mutuamente equivalentes. Portanto, a energia radiante pode ser expressa em unidades de qualquer tipo de energia, por exemplo, em térmica ou mecânica. É natural expressá-lo em unidades térmicas, porque os instrumentos de medição são baseados no efeito térmico da radiação: a energia radiante, quase completamente absorvida no dispositivo, é convertida em calor, que é medido. Assim, a intensidade da radiação solar direta será expressa em calorias por centímetro quadrado por minuto (cal/cm2min).
Geração de energia
A energia solar funciona convertendo a luz solar em eletricidade.Isso pode acontecer diretamente, usando energia fotovoltaica, ou indiretamente, usando sistemas de energia solar concentrada, nos quais lentes e espelhos coletam a luz solar de uma grande área em um feixe fino, e um mecanismo de rastreamento rastreia a posição do Sol. A energia fotovoltaica converte luz em eletricidade usando o efeito fotoelétrico.
A energia solar deverá se tornar a maior fonte de eletricidade até 2050, com a energia fotovoltaica e a energia solar concentrada representando 16% e 11% da geração global de eletricidade, respectivamente.
As usinas comerciais de energia solar concentrada apareceram pela primeira vez na década de 1980. Após 1985, uma instalação SEGS de 354 MW deste tipo no deserto de Mojave (Califórnia) tornou-se a maior usina de energia solar do mundo. Outras usinas solares deste tipo incluem Solnova (150 MW) e Andasol (100 MW), ambas na Espanha. Entre as maiores usinas fotovoltaicas (inglês) estão o Agua Caliente Solar Project (250 MW) nos EUA e o Charanka Solar Park (221 MW) na Índia. Projetos acima de 1 GW estão em desenvolvimento, mas a maioria das instalações fotovoltaicas de até 5 kW são pequenas e telhados.A partir de 2013, a energia solar representava menos de 1% da eletricidade na rede global.
Tipos de radiação solar
Na atmosfera, a radiação solar em seu caminho para a superfície da Terra é parcialmente absorvida e parcialmente espalhada e refletida pelas nuvens e pela superfície da Terra. Três tipos de radiação solar são observados na atmosfera: direta, difusa e total.
Radiação solar direta - radiação que chega à superfície da Terra diretamente do disco do sol. A radiação solar se propaga do Sol em todas as direções. Mas a distância da Terra ao Sol é tão grande que a radiação direta incide sobre qualquer superfície da Terra na forma de um feixe de raios paralelos que emanam, por assim dizer, do infinito. Mesmo o globo inteiro como um todo é tão pequeno em comparação com a distância ao Sol que toda a radiação solar que incide sobre ele pode ser considerada um feixe de raios paralelos sem erro perceptível.
Somente a radiação direta atinge o limite superior da atmosfera. Cerca de 30% da radiação incidente na Terra é refletida no espaço sideral. Oxigênio, nitrogênio, ozônio, dióxido de carbono, vapor d'água (nuvens) e partículas de aerossol absorvem 23% da radiação solar direta na atmosfera. O ozônio absorve a radiação ultravioleta e visível. Apesar de seu conteúdo no ar ser muito pequeno, ele absorve toda a radiação ultravioleta (cerca de 3%)
Assim, não é observado na superfície da Terra, o que é muito importante para a vida na Terra.
A radiação solar direta em seu caminho através da atmosfera também é espalhada. Uma partícula (gota, cristal ou molécula) de ar, que está no caminho de uma onda eletromagnética, continuamente “extrai” energia da onda incidente e a irradia em todas as direções, tornando-se um emissor de energia.
Cerca de 25% da energia do fluxo total de radiação solar que passa pela atmosfera é dissipada por moléculas de gás atmosférico e aerossol e é convertida na atmosfera em radiação solar espalhada. Assim, a radiação solar espalhada é a radiação solar que sofreu espalhamento na atmosfera. A radiação espalhada chega à superfície da Terra não do disco solar, mas de todo o firmamento. A radiação espalhada difere da radiação direta em sua composição espectral, uma vez que raios de diferentes comprimentos de onda são espalhados em diferentes graus.
Como a fonte primária de radiação difusa é a radiação solar direta, o fluxo de radiação difusa depende dos mesmos fatores que afetam o fluxo de radiação direta. Em particular, o fluxo de radiação espalhada aumenta à medida que a altura do Sol aumenta e vice-versa.Também aumenta com o aumento do número de partículas espalhantes na atmosfera, ou seja, com uma diminuição na transparência da atmosfera, e diminui com a altura acima do nível do mar devido à diminuição do número de partículas espalhadas nas camadas sobrejacentes da atmosfera. A nebulosidade e a cobertura de neve têm uma influência muito grande na radiação difusa, que, devido ao espalhamento e reflexão da radiação direta e difusa incidente sobre eles e seu reescalonamento na atmosfera, pode aumentar em várias vezes a radiação solar difusa.
A radiação espalhada suplementa significativamente a radiação solar direta e aumenta significativamente o fluxo de energia solar para a superfície da Terra. Seu papel é especialmente grande no inverno em altas latitudes e em outras regiões com alta nebulosidade, onde a fração de radiação difusa pode exceder a fração de radiação direta. Por exemplo, na quantidade anual de energia solar, a radiação espalhada representa 56% em Arkhangelsk e 51% em São Petersburgo.
A radiação solar total é a soma dos fluxos de radiação direta e difusa que chegam em uma superfície horizontal. Antes do nascer do sol e depois do pôr do sol, bem como durante o dia com nebulosidade contínua, a radiação total é completa e, em baixas altitudes do Sol, consiste principalmente em radiação espalhada. Em um céu sem nuvens ou levemente nublado, com o aumento da altura do Sol, a proporção de radiação direta na composição do total aumenta rapidamente e durante o dia seu fluxo é muitas vezes maior que o fluxo de radiação espalhada. A nebulosidade em média enfraquece a radiação total (em 20-30%), no entanto, com nebulosidade parcial que não cobre o disco solar, seu fluxo pode ser maior do que com um céu sem nuvens. A cobertura de neve aumenta significativamente o fluxo de radiação total, aumentando o fluxo de radiação espalhada.
A radiação total, que incide na superfície terrestre, é absorvida principalmente pela camada superior do solo ou por uma camada mais espessa de água (radiação absorvida) e se transforma em calor, sendo parcialmente refletida (radiação refletida).
Cintos térmicos
Dependendo da quantidade de radiação solar que entra na superfície da Terra, 7 zonas térmicas são distinguidas no globo: quente, duas moderadas, duas frias e duas zonas de geada eterna. Os limites das zonas térmicas são isotérmicos. O cinturão quente é delimitado por isotermas médias anuais de +20°С do norte e do sul (Fig. 9). Duas zonas temperadas ao norte e ao sul da zona quente são limitadas do lado do equador por uma isotérmica média anual de +20 ° C, e do lado das altas latitudes por uma isotérmica de +10 ° C (a temperatura média do ar de os meses mais quentes são julho nos hemisférios norte e janeiro nos hemisférios sul). A fronteira norte coincide aproximadamente com a fronteira de distribuição florestal. As duas zonas frias norte e sul da zona temperada nos hemisférios norte e sul situam-se entre as isotermas +10°C e 0°C do mês mais quente. Os dois cinturões de geada eterna são limitados pela isotérmica de 0°C do mês mais quente dos cinturões frios. O reino da neve e do gelo eternos se estende aos pólos norte e sul.
Resultados de medição de radiação solar direta
Com a transparência da atmosfera inalterada, a intensidade da radiação solar direta depende da massa óptica da atmosfera, ou seja, em última análise, da altura do sol. Portanto, durante o dia, a radiação solar deve primeiro aumentar rapidamente, depois mais lentamente do nascer ao meio-dia, e no início lentamente, depois diminuir rapidamente do meio-dia ao pôr do sol.
Mas a transparência da atmosfera durante o dia varia dentro de certos limites. Portanto, a curva do curso diurno da radiação, mesmo em um dia completamente sem nuvens, apresenta algumas irregularidades.
As diferenças na intensidade da radiação ao meio-dia devem-se principalmente às diferenças na altura do sol ao meio-dia, que é menor no inverno do que no verão. A intensidade mínima em latitudes temperadas ocorre em dezembro, quando o sol está mais baixo. Mas a intensidade máxima não é nos meses de verão, mas na primavera.O fato é que na primavera o ar é o menos nublado por produtos de condensação e pouco empoeirado. No verão, a poeira aumenta e o teor de vapor de água na atmosfera também aumenta, o que reduz um pouco a intensidade da radiação.
Os valores máximos de intensidade de radiação direta para alguns pontos são os seguintes (em cal/cm2min): Tiksi Bay 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moscou 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostok 1, 46, Tashkent 1,52.
Pode-se perceber a partir desses dados que os valores máximos da intensidade de radiação crescem muito pouco com a diminuição da latitude geográfica, apesar do aumento da altura do sol. Isso é explicado por um aumento no teor de umidade e, em parte, pela poeira do ar nas latitudes do sul. No equador, os valores máximos de radiação não excedem muito os máximos de verão das latitudes temperadas. No ar seco dos desertos subtropicais (Saara), no entanto, foram observados valores de até 1,58 cal/cm2 min.
Com altura acima do nível do mar, os valores máximos de radiação aumentam devido à diminuição da massa óptica da atmosfera na mesma altura do sol. Para cada 100 m de altitude, a intensidade de radiação na troposfera aumenta em 0,01-0,02 cal/cm2 min. Já dissemos que os valores máximos de intensidade de radiação observados nas montanhas chegam a 1,7 cal/cm2 min e mais.