Calculul unui colector solar plat
Practica arată că o medie de 900 de wați de energie termică pe metru pătrat de suprafață instalată perpendicular pe lumina puternică a soarelui (cu un cer fără nori). Vom calcula SC pe baza unui model cu o suprafață de 1 m². Partea frontală este mată, neagră (are absorbție de energie termică aproape de 100%). Partea din spate este izolata cu un strat de 10 cm de polistiren expandat. Este necesar să se calculeze pierderile de căldură care apar pe partea inversă, umbrită. Coeficientul de izolare termică din polistiren expandat - 0,05 W / m × grade. Cunoscând grosimea și presupunând că diferența de temperatură pe părțile opuse ale materialului este de 50 de grade, calculăm pierderea de căldură:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Aproximativ aceleași pierderi sunt de așteptat de la capete și țevi, adică suma totală va fi de 50 de wați. Cerul fără nori este rar, iar efectul depunerilor de murdărie asupra colectorului trebuie luat în considerare. Prin urmare, vom reduce cantitatea de energie termică pe 1 m² la 800 W. Apa folosită ca purtător de căldură în SC plate are o capacitate de căldură de 4200 J/kg × grade sau 1,16 W/kg × grade. Aceasta înseamnă că pentru a crește temperatura unui litru de apă cu un grad, este nevoie de 1,16 wați de energie. Având în vedere aceste calcule, obținem următoarea valoare pentru modelul nostru de colector solar de 1 m² de suprafață:
Rotunjim pentru comoditate până la 700 / kg × grade. Această expresie indică cantitatea de apă care poate fi încălzită într-un colector (model de 1 m²) timp de o oră. Aceasta nu ține cont de pierderea de căldură din partea frontală, care va crește pe măsură ce se încălzește. Aceste pierderi vor limita încălzirea lichidului de răcire în colectorul solar în termen de 70-90 de grade. În acest sens, valoarea de 700 poate fi aplicată la temperaturi scăzute (de la 10 la 60 de grade). Calculul colectorului solar arată că un sistem de 1 m² este capabil să încălzească 10 litri de apă la 70 de grade, ceea ce este suficient pentru a asigura o casă cu apă caldă. Este posibil să se reducă timpul de încălzire a apei prin reducerea volumului colectorului solar, menținând în același timp suprafața acestuia. Dacă numărul de persoane care locuiesc în casă necesită un volum mai mare de apă, ar trebui folosiți mai mulți colectori din această zonă, care sunt conectați într-un singur sistem. Pentru ca lumina solara sa actioneze cat mai eficient asupra radiatorului, colectorul trebuie sa fie orientat intr-un unghi fata de linia orizontului egal cu latitudinea zonei. Acest lucru a fost deja discutat în articolul Cum se calculează puterea panourilor solare, se aplică același principiu. În medie, sunt necesari 50 de litri de apă caldă pentru a asigura viața unei persoane. Având în vedere că apa înainte de încălzire are o temperatură de aproximativ 10 °C, diferența de temperatură este de 70 - 10 = 60 °C. Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea apei este următoarea:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW de energie.
Împărțind W la cantitatea de energie solară pe 1 m² de suprafață dintr-o zonă dată (date de la centrele hidrometeorologice), obținem aria colectorului. Calculul colectorului solar pentru încălzire se realizează într-un mod similar. Dar volumul de apă (lichid de răcire) este necesar mai mult, ceea ce depinde de volumul încăperii încălzite. Se poate concluziona că este posibilă îmbunătățirea eficienței acestui tip de sistem de încălzire a apei prin reducerea volumului și creșterea simultană a suprafeței.
Tehnologii de gheață
Sunt dezvoltate o serie de tehnologii în care gheața este produsă în perioadele de vârf și folosită ulterior pentru răcire. De exemplu, aerul condiționat poate fi făcut mai economic prin utilizarea energiei electrice ieftine pe timp de noapte pentru a îngheța apa și apoi folosind puterea de răcire a gheții în timpul zilei pentru a reduce cantitatea de energie necesară pentru menținerea aerului condiționat. Stocarea energiei termice folosind gheață folosește căldura mare de fuziune a apei. Din punct de vedere istoric, gheața a fost transportată de la munți la orașe pentru a fi folosită ca lichid de răcire. O tonă metrică (= 1 m3) de apă poate stoca 334 de milioane de jouli (J) sau 317.000 de unități termice britanice (93 kWh).O unitate de depozitare relativ mică poate stoca suficientă gheață pentru a răci o clădire mare pentru o zi sau o săptămână întreagă.
Pe lângă utilizarea gheții pentru răcirea directă, este folosită și în pompele de căldură care alimentează sistemele de încălzire. În aceste zone, schimbările de energie de fază asigură un strat conducător de căldură foarte serios, aproape de pragul inferior de temperatură la care poate funcționa o pompă de căldură care utilizează căldura apei. Acest lucru permite sistemului să facă față celor mai mari sarcini de încălzire și să mărească timpul de timp în care elementele sursei de energie pot returna căldura sistemului.
Reacții chimice endoterme și exoterme
Tehnologia hidratului de sare
Un exemplu de tehnologie experimentală de stocare a energiei bazată pe energia reacțiilor chimice este o tehnologie bazată pe hidrați de sare. Sistemul folosește energia reacției creată în cazul hidratării sau deshidratării sărurilor. Funcționează prin stocarea căldurii într-un rezervor care conține o soluție de hidroxid de sodiu 50%. Căldura (de exemplu, obținută de la un colector solar) este stocată datorită evaporării apei în timpul unei reacții endoterme. Când se adaugă din nou apă, căldura este eliberată în timpul reacției exoterme la 50C (120F). În prezent, sistemele funcționează cu o eficiență de 60%. Sistemul este deosebit de eficient pentru stocarea sezonieră a energiei termice, deoarece sarea uscată poate fi păstrată la temperatura camerei pentru o perioadă lungă de timp, fără pierderi de energie. Containerele cu sare deshidratată pot fi chiar transportate în diferite locații. Sistemul are o densitate energetică mai mare decât căldura stocată în apă, iar capacitatea acestuia vă permite să stocați energie pentru câteva luni sau chiar ani.
În 2013, dezvoltatorul olandez de tehnologie TNO a prezentat rezultatele proiectului MERITS pentru stocarea căldurii într-un recipient de sare. Căldura care poate fi livrată de la colectorul solar către acoperișul plat evaporă apa conținută în sare. Când se adaugă din nou apă, căldura este eliberată practic fără pierderi de energie. Un recipient cu câțiva metri cubi de sare poate stoca suficientă energie termochimică pentru a încălzi o casă toată iarna. Cu temperaturi ca în Țările de Jos, o fermă medie tolerantă la căldură va necesita aproximativ 6,7 GJ de energie în timpul iernii. Pentru a stoca atâta energie în apă (cu o diferență de temperatură de 70C) ar fi nevoie de 23 m3 de apă într-un rezervor izolat, ceea ce este mai mult decât pot stoca majoritatea caselor. Cu utilizarea tehnologiei hidratului de sare cu o densitate energetică de aproximativ 1 GJ/m3, ar fi suficiente 4-8 m3.
Începând cu 2016, cercetătorii din mai multe țări efectuează experimente pentru a determina cel mai bun tip de sare sau amestec de săruri. Presiunea scăzută din interiorul recipientului pare a fi cea mai bună pentru transferul de putere. Deosebit de promițătoare sunt sărurile organice, așa-numitele „lichide ionice”. În comparație cu adsorbanții cu halogenură de litiu, aceștia cauzează mult mai puține probleme în mediile cu resurse limitate și, în comparație cu majoritatea halogenurilor și hidroxidului de sodiu, sunt mai puțin caustici și nu au impact negativ prin emisiile de dioxid de carbon.
Legături chimice moleculare
În acest moment, este investigată posibilitatea stocării energiei în legături chimice moleculare. A fost deja atinsă o densitate de energie echivalentă cu bateriile litiu-ion.
Distribuția radiațiilor la limita atmosferei
Pentru climatologie, problema distribuției afluxului și returnării radiațiilor pe glob prezintă un interes semnificativ. Luați în considerare mai întâi distribuția radiației solare pe o suprafață orizontală „la limita atmosferei”. S-ar mai putea spune: „în lipsa unei atmosfere”. Prin aceasta presupunem că nu există nici absorbție, nici împrăștiere a radiației, nici reflectarea acesteia de către nori. Distribuția radiației solare la limita atmosferei este cea mai simplă.Chiar există la o altitudine de câteva zeci de kilometri. Această distribuție se numește climat solar.
Se știe cum se modifică constanta solară în timpul anului și, în consecință, cantitatea de radiație care vine pe Pământ. Dacă determinăm constanta solară pentru distanța reală a Pământului față de Soare, atunci cu o valoare medie anuală de 1,98 cal/cm2 min. acesta va fi egal cu 2,05 cal/cm2 min. în ianuarie și 1,91 cal/cm2 min. în iulie.
Prin urmare, emisfera nordică în timpul unei zile de vară primește ceva mai puține radiații la limita atmosferei decât emisfera sudică în timpul zilei sale de vară.
Cantitatea de radiații primite pe zi la limita atmosferei depinde de perioada anului și de latitudinea locului. Sub fiecare latitudine, sezonul determină durata afluxului de radiații. Dar la diferite latitudini, durata părții de zi a zilei în același timp este diferită.
La Pol, soarele nu apune deloc vara, iar iarna nu răsare 6 luni. Între Pol și Cercul Arctic, soarele nu apune vara și nu răsare iarna pentru o perioadă de la șase luni până la o zi. La ecuator, ziua durează întotdeauna 12 ore. De la Cercul Arctic până la ecuator, orele de lumină scad vara și cresc iarna.
Dar influxul radiației solare pe o suprafață orizontală depinde nu numai de lungimea zilei, ci și de înălțimea soarelui. Cantitatea de radiație care ajunge la limita atmosferei pe unitatea de suprafață orizontală este proporțională cu sinusul înălțimii soarelui. Iar înălțimea soarelui nu se schimbă doar în fiecare loc în timpul zilei, ci depinde și de perioada anului. Înălțimea soarelui la ecuator variază pe parcursul anului de la 90 la 66,5°, la tropice de la 90 la 43°, în cercurile polare de la 47 la 0° și la poli de la 23,5 la 0°.
Sfericitatea Pământului și înclinarea planului ecuatorial față de planul eclipticii creează o distribuție complexă a influxului de radiație pe latitudinile de la limita atmosferei și modificările acesteia în timpul anului.
Iarna, afluxul de radiații scade foarte repede de la ecuator la pol, vara scade mult mai lent. În acest caz, maximul de vară se observă la tropic, iar influxul de radiații scade oarecum de la tropic la ecuator. Mica diferență în afluxul de radiații între latitudinile tropicale și cele polare în timpul verii se explică prin faptul că, deși înălțimile soarelui la latitudinile polare sunt mai mici vara decât la tropice, lungimea zilei este mare. În ziua solstițiului de vară, așadar, în absența unei atmosfere, polul ar primi mai multă radiație decât ecuatorul. Totuși, în apropierea suprafeței pământului, ca urmare a atenuării radiațiilor de către atmosferă, a reflectării acesteia de către nori etc., afluxul de radiații vara la latitudinile polare este semnificativ mai mic decât la latitudinile inferioare.
La limita superioară a atmosferei în afara tropicelor, există un maxim anual de radiație în momentul solstițiului de vară și un minim în momentul solstițiului de iarnă. Dar între tropice, afluxul de radiații are două maxime pe an, atribuite acelor momente în care soarele atinge cea mai mare înălțime la amiază. La ecuator, aceasta va fi în zilele echinocțiului, în alte latitudini intratropicale - după primăvară și înainte de echinocțiul de toamnă, îndepărtându-se de momentul echinocțiului, cu atât latitudinea este mai mare. Amplitudinea variației anuale la ecuator este mică, în interiorul tropicelor este mică; la latitudini temperate şi înalte este mult mai mare.
Distribuția căldurii și luminii pe Pământ
Soarele este steaua sistemului solar, care este sursa unei cantități uriașe de căldură și lumină orbitoare pentru planeta Pământ. În ciuda faptului că Soarele se află la o distanță considerabilă de noi și doar o mică parte din radiația sa ajunge la noi, acest lucru este suficient pentru dezvoltarea vieții pe Pământ. Planeta noastră se învârte în jurul soarelui pe o orbită. Dacă Pământul este observat de la o navă spațială în timpul anului, atunci se poate observa că Soarele luminează întotdeauna doar o jumătate din Pământ, prin urmare, acolo va fi zi, iar la acel moment va fi noapte în jumătatea opusă. Suprafața pământului primește căldură doar în timpul zilei.
Pământul nostru se încălzește neuniform. Încălzirea neuniformă a Pământului se explică prin forma sa sferică, astfel încât unghiul de incidență al razelor solare în diferite zone este diferit, ceea ce înseamnă că diferite părți ale Pământului primesc cantități diferite de căldură. La ecuator, razele soarelui cad vertical și încălzesc puternic Pământul.Cu cât este mai departe de ecuator, unghiul de incidență al fasciculului devine mai mic și, în consecință, aceste teritorii primesc mai puțină căldură. Același fascicul de putere de radiație solară încălzește o zonă mult mai mică lângă ecuator, deoarece cade vertical. În plus, razele care cad la un unghi mai mic decât la ecuator, pătrund în atmosferă, parcurg o cale mai lungă în ea, drept urmare o parte din razele soarelui sunt împrăștiate în troposferă și nu ajung la suprafața pământului. Toate acestea indică faptul că pe măsură ce te îndepărtezi de ecuator spre nord sau spre sud, temperatura aerului scade, pe măsură ce unghiul de incidență al fasciculului soarelui scade.
Gradul de încălzire a suprafeței pământului este afectat și de faptul că axa pământului este înclinată față de planul orbitei, de-a lungul căruia Pământul face o revoluție completă în jurul Soarelui, la un unghi de 66,5 ° și este întotdeauna direcționat de către capătul nordic spre Steaua Polară.
Imaginează-ți că Pământul, mișcându-se în jurul Soarelui, are axa Pământului perpendiculară pe planul orbitei de rotație. Atunci suprafața de la diferite latitudini ar primi o cantitate constantă de căldură pe tot parcursul anului, unghiul de incidență al razei solare ar fi constant tot timpul, ziua ar fi întotdeauna egală cu noaptea, nu ar exista schimbarea anotimpurilor. La ecuator, aceste condiții ar diferi puțin de cele prezente. Înclinarea axei pământului are o influență semnificativă asupra încălzirii suprafeței pământului, și deci asupra întregului climat, tocmai la latitudinile temperate.
Pe parcursul anului, adică în timpul revoluției complete a Pământului în jurul Soarelui, patru zile sunt deosebit de remarcabile: 21 martie, 23 septembrie, 22 iunie, 22 decembrie.
Tropicele și cercurile polare împart suprafața Pământului în centuri care diferă în ceea ce privește iluminarea solară și cantitatea de căldură primită de la Soare. Există 5 zone de iluminare: zonele polare nordice și sudice, care primesc puțină lumină și căldură, zona tropicală cu o climă caldă și zonele temperate nordice și sudice, care primesc mai multă lumină și căldură decât cele polare, dar mai puțin de cele tropicale.
Deci, în concluzie, putem trage o concluzie generală: încălzirea și iluminarea neuniformă a suprafeței pământului sunt asociate cu sfericitatea Pământului nostru și cu înclinarea axei pământului până la 66,5 ° față de orbita de rotație în jurul Soarelui.
Acumularea de căldură în roci fierbinți, beton, pietricele etc.
Apa are una dintre cele mai mari capacități de căldură - 4,2 J / cm3 * K, în timp ce betonul are doar o treime din această valoare. Pe de altă parte, betonul poate fi încălzit la temperaturi mult mai mari de 1200C prin încălzire electrică, de exemplu, și are astfel o capacitate totală mult mai mare. Urmând din exemplul de mai jos, un cub izolat cu o lungime de aproximativ 2,8 m poate fi capabil să furnizeze suficientă căldură stocată pentru ca o casă să satisfacă 50% din necesarul de încălzire. În principiu, aceasta ar putea fi folosită pentru a stoca excesul de energie termică eoliană sau fotovoltaică datorită capacității încălzirii electrice de a atinge temperaturi ridicate.
La nivel de județ, proiectul Wiggenhausen-Süd din orașul german Friedrichshafen a atras atenția internațională. Este o unitate de stocare a căldurii din beton armat de 12.000 m3 (420.000 ft cubi) conectată la o unitate de 4.300 m2 (46.000 mp.
ft.), acoperind jumătate din necesarul de apă caldă și încălzire pentru 570 de locuințe. Siemens construiește o instalație de stocare a căldurii lângă Hamburg cu o capacitate de 36 MWh, constând din bazalt încălzit la 600C și generând 1,5 MW de putere. Un sistem similar este planificat pentru construcție în orașul danez Sorø, unde 41-58% din căldura stocată cu o capacitate de 18 MWh va fi transferată la termoficarea orașului, iar 30-41% ca energie electrică.
Cum se calculează rentabilitatea încălzirii solare
Folosind tabelul de mai jos, puteți calcula cât de mult vor fi reduse costurile dumneavoastră de încălzire la utilizarea colectoarelor solare, cât timp poate fi rentabil acest sistem și ce beneficii pot fi obținute pe diferite perioade de funcționare. Acest model a fost dezvoltat pentru Primorsky Krai, dar poate fi folosit și pentru a estima utilizarea încălzirii solare în Khabarovsk Krai, Amur Oblast, Sakhalin, Kamchatka și sudul Siberiei.În acest caz, colectoarele solare vor avea mai puțin efect în decembrie-ianuarie la latitudini mai mari, dar beneficiile generale nu vor fi mai mici, având în vedere sezonul de încălzire mai lung.
În primul tabel, introduceți parametrii casei dvs., sistemul de încălzire și prețurile la energie. Toate câmpurile marcate cu verde pot fi modificate și pot simula o casă existentă sau planificată.
Mai întâi, introduceți zona încălzită a casei dvs. în prima coloană.
Apoi evaluați calitatea izolației termice a clădirii și metoda de încălzire prin selectarea valorilor adecvate.
Indicați numărul de membri ai familiei și consumul de apă caldă - acest lucru va ajuta la evaluarea beneficiilor alimentării cu apă caldă a colectoarelor solare.
Introduceți prețurile pentru sursa dvs. obișnuită de energie de încălzire - electricitate, motorină sau cărbune.
Introduceți valoarea venitului obișnuit al unui membru al familiei care se ocupă de încălzire în gospodăria dvs. Aceasta ajută la estimarea costurilor cu forța de muncă pentru sezonul de încălzire și joacă un rol deosebit de important pentru sistemele cu combustibil solid, unde este necesar să se aducă și să se descarce cărbunele, să-l arunce în cuptor, să se arunce cenușa etc.
Pretul sistemului de colectoare solare va fi determinat automat, pe baza parametrilor de constructie pe care i-ati specificat. Acest preț este aproximativ - costurile efective de instalare și parametrii echipamentelor de încălzire solară pot diferi și sunt calculate de specialiști individual în fiecare caz.
În coloana „Costuri de instalare”, puteți introduce costul echipamentului și al instalării unui sistem tradițional de încălzire - existent sau planificat
Dacă sistemul este deja instalat, puteți introduce „0”.
Fiți atenți la suma cheltuielilor pentru sezonul de încălzire și comparați cu cheltuielile dvs. obișnuite. Dacă sunt diferite, atunci încercați să schimbați setările.
În coloana „Costuri de încălzire pe sezon”, sistemele de încălzire pe cărbune iau în considerare valoarea monetară a costurilor forței de muncă. Daca nu vrei sa le iei in calcul, poti reduce valoarea venitului unui membru al familiei implicat in incalzire. Costurile cu forța de muncă sunt considerate într-o măsură mai mică pentru sistemele cu combustibil lichid și nu sunt luate în considerare pentru sistemele cu cazane electrice. Reglarea colectoarelor solare se realizează automat și nu necesită o atenție constantă.
În coloana „Durata de viață”, valoarea implicită este de 20 de ani - aceasta este durata de viață obișnuită a sistemelor de încălzire solară cu colectoare solare. În funcție de condițiile de funcționare, colectoarele solare pot dura mai mult decât această perioadă. Puteți modifica durata de viață, iar graficul de mai jos va reflecta diferența dintre costurile de instalare și întreținere și beneficiile utilizării colectoarelor solare pentru încălzire. Astfel, vei vedea cu cât se vor reduce costurile cu încălzirea și cât timp această diferență va face posibilă recuperarea costurilor de instalare a colectoarelor solare.
Rezultatele finale sunt aproximative, dar oferă o idee bună despre cât poate costa un sistem de încălzire solară și cât timp se poate plăti singur.
Vă rugăm să rețineți că costurile sezonului de încălzire pot fi reduse semnificativ prin utilizarea colectoarelor solare, a sistemelor de încălzire prin pardoseală și îmbunătățirea izolației termice a clădirii. De asemenea, costurile de încălzire pot fi reduse dacă clădirea este proiectată în avans pentru utilizarea încălzirii solare și folosind tehnologii eco-house.
svetdv.ru
Ce este căldura solară
Din cele mai vechi timpuri, oamenii au fost foarte conștienți de rolul Soarelui în viața lor. În aproape toate națiunile, a acționat ca principala sau una dintre principalele zeități, dând viață și lumină tuturor viețuitoarelor. Astăzi, omenirea are o idee mult mai bună despre de unde vine căldura soarelui.
Din punct de vedere al științei, Soarele nostru este o stea galbenă, care este lumina pentru întregul nostru sistem planetar.Își atrage energia din miez - partea centrală a unei mingi uriașe fierbinți, unde reacțiile de fuziune termonucleară de o putere inimaginabilă au loc la o temperatură măsurată în milioane de grade. Raza nucleului nu este mai mult de o pătrime din raza totală a Soarelui, dar în nucleu este generată energia radiantă, din care o mică parte este suficientă pentru a susține viața pe planeta noastră.
Energia eliberată pătrunde în straturile exterioare ale Soarelui prin zona convectivă și ajunge în fotosferă - suprafața radiantă a stelei. Temperatura fotosferei se apropie de 6.000 de grade, ea este cea care convertește și emite în spațiu energia radiantă pe care o primește planeta noastră. De fapt, trăim datorită arderii treptate și lente a plasmei stelare care alcătuiește Soarele.
Compoziția spectrală a radiației solare
Intervalul de lungime de undă între 0,1 și 4 microni reprezintă 99% din energia totală a radiației solare. Rămâne doar 1% pentru radiații cu lungimi de undă mai scurte și mai lungi, până la raze X și unde radio.
Lumina vizibilă ocupă o gamă restrânsă de lungimi de undă, doar de la 0,40 la 0,75 microni. Cu toate acestea, acest interval conține aproape jumătate din toată energia radiantă solară (46%). Aproape aceeași cantitate (47%) este în raze infraroșii, iar restul de 7% este în ultraviolete.
În meteorologie, se obișnuiește să se facă distincția între radiațiile cu unde scurte și cu unde lungi. Radiația cu undă scurtă se numește radiație în intervalul de lungimi de undă de la 0,1 la 4 microni. Include, pe lângă lumina vizibilă, radiațiile ultraviolete și infraroșii cele mai apropiate de aceasta în lungimi de undă. Radiația solară reprezintă 99% astfel de radiații cu unde scurte. Radiația cu undă lungă include radiațiile de pe suprafața pământului și ale atmosferei cu lungimi de undă de la 4 la 100-120 microni.
Intensitatea radiației solare directe
Radiația care vine la suprafața pământului direct de pe discul solar se numește radiație solară directă, spre deosebire de radiația împrăștiată în atmosferă. Radiația solară se propagă de la Soare în toate direcțiile. Dar distanța de la Pământ la Soare este atât de mare încât radiația directă cade pe orice suprafață de pe Pământ sub forma unui fascicul de raze paralele care emană, parcă, din infinit. Chiar și globul în ansamblu este atât de mic în comparație cu distanța de la Soare, încât toată radiația solară care cade pe el poate fi considerată ca un fascicul de raze paralele fără erori vizibile.
Influxul de radiație solară directă la suprafața pământului sau la orice nivel superior din atmosferă se caracterizează prin intensitatea radiației eu, adică cantitatea de energie radiantă primită pe unitatea de timp (un minut) pe unitate de suprafață (un centimetru pătrat) perpendiculară pe razele soarelui.
Orez. 1. Influxul radiației solare la suprafață perpendicular pe razele (AB), și pe o suprafață orizontală (AC).
Este ușor de înțeles că o unitate de suprafață situată perpendicular pe razele soarelui va primi cantitatea maximă posibilă de radiație în condiții date. O unitate de suprafață orizontală va avea o cantitate mai mică de energie radiantă:
I' = eu sinh
Unde h este înălțimea soarelui (fig. 1).
Toate tipurile de energie sunt echivalente reciproc. Prin urmare, energia radiantă poate fi exprimată în unități de orice fel de energie, de exemplu, termică sau mecanică. Este firesc să o exprimăm în unități termice, deoarece instrumentele de măsură se bazează pe efectul termic al radiațiilor: energia radiantă, aproape complet absorbită în aparat, este transformată în căldură, care este măsurată. Astfel, intensitatea radiației solare directe va fi exprimată în calorii pe centimetru pătrat pe minut (cal/cm2min).
Generarea de energie electrică
Energia solară funcționează prin transformarea razelor solare în energie electrică.Acest lucru se poate întâmpla fie direct, folosind fotovoltaice, fie indirect, folosind sisteme de energie solară concentrată, în care lentilele și oglinzile colectează lumina solară dintr-o zonă mare într-un fascicul subțire, iar un mecanism de urmărire urmărește poziția Soarelui. Fotovoltaica transformă lumina în electricitate folosind efectul fotoelectric.
Se estimează că energia solară va deveni cea mai mare sursă de energie electrică până în 2050, energia fotovoltaică și energia solară concentrată reprezentând 16%, respectiv 11% din producția globală de electricitate.
Centralele electrice comerciale care utilizează energie solară concentrată au apărut pentru prima dată în anii 1980. După 1985, o instalație SEGS de 354 MW de acest tip în deșertul Mojave (California) a devenit cea mai mare centrală solară din lume. Alte centrale solare de acest tip includ SPP Solnova (engleză) (150 MW) și SPP Andasol (engleză) (100 MW), ambele în Spania. Printre cele mai mari centrale fotovoltaice (în engleză) se numără Agua Caliente Solar Project (250 MW) în SUA și Charanka Solar Park (221 MW) în India. Proiectele de peste 1 GW sunt în curs de dezvoltare, dar majoritatea instalațiilor fotovoltaice de până la 5 kW sunt mici și pe acoperiș.În 2013, energia solară reprezenta mai puțin de 1% din energia electrică din rețeaua globală.
Tipuri de radiații solare
În atmosferă, radiația solară în drum spre suprafața pământului este parțial absorbită și parțial împrăștiată și reflectată de nori și de suprafața pământului. În atmosferă se observă trei tipuri de radiații solare: directe, difuze și totale.
Radiația solară directă - radiația care vine la suprafața pământului direct de pe discul soarelui. Radiația solară se propagă de la Soare în toate direcțiile. Dar distanța de la Pământ la Soare este atât de mare încât radiația directă cade pe orice suprafață de pe Pământ sub forma unui fascicul de raze paralele care emană, parcă, din infinit. Chiar și întregul glob este atât de mic în comparație cu distanța până la Soare, încât toată radiația solară care cade pe el poate fi considerată un fascicul de raze paralele fără erori vizibile.
Doar radiația directă ajunge la limita superioară a atmosferei. Aproximativ 30% din radiația incidentă pe Pământ este reflectată în spațiul cosmic. Oxigenul, azotul, ozonul, dioxidul de carbon, vaporii de apă (nori) și particulele de aerosoli absorb 23% din radiația solară directă din atmosferă. Ozonul absoarbe radiațiile ultraviolete și vizibile. În ciuda faptului că conținutul său în aer este foarte mic, absoarbe toată radiația ultravioletă (aproximativ 3%)
Astfel, nu se observă deloc la suprafața pământului, ceea ce este foarte important pentru viața de pe Pământ.
Radiația solară directă pe calea sa prin atmosferă este, de asemenea, împrăștiată. O particulă (picătură, cristal sau moleculă) de aer, care se află în calea unei unde electromagnetice, „extrage” continuu energie din unda incidentă și o reradiază în toate direcțiile, devenind un emițător de energie.
Aproximativ 25% din energia fluxului total de radiație solară care trece prin atmosferă este disipată de moleculele de gaz atmosferic și aerosoli și este transformată în atmosferă în radiație solară difuză. Astfel, radiația solară împrăștiată este radiația solară care a suferit împrăștiere în atmosferă. Radiația împrăștiată vine la suprafața pământului nu de pe discul solar, ci de pe întreg firmamentul. Radiația împrăștiată diferă de radiația directă în compoziția sa spectrală, deoarece razele de lungimi de undă diferite sunt împrăștiate în grade diferite.
Deoarece sursa primară de radiație difuză este radiația solară directă, fluxul de radiație difuză depinde de aceiași factori care afectează fluxul de radiație directă. În special, fluxul de radiații împrăștiate crește odată cu creșterea înălțimii Soarelui și invers.De asemenea, crește odată cu creșterea numărului de particule care se împrăștie în atmosferă, de exemplu. cu o scădere a transparenței atmosferei și scade odată cu înălțimea deasupra nivelului mării datorită scăderii numărului de particule care se împrăștie în straturile supraiacente ale atmosferei. Înnorarea și stratul de zăpadă au o influență foarte mare asupra radiațiilor difuze, care, datorită împrăștierii și reflectării radiațiilor directe și difuze incidente asupra acestora și reîmprăștierii lor în atmosferă, pot crește de câteva ori radiația solară difuză.
Radiația împrăștiată completează semnificativ radiația solară directă și crește semnificativ fluxul de energie solară către suprafața pământului. Rolul său este deosebit de mare în timpul iernii la latitudini mari și în alte regiuni cu înnorări mari, unde fracția de radiație difuză poate depăși fracția de radiație directă. De exemplu, în cantitatea anuală de energie solară, radiația împrăștiată reprezintă 56% în Arhangelsk și 51% în Sankt Petersburg.
Radiația solară totală este suma fluxurilor de radiații directe și difuze care sosesc pe o suprafață orizontală. Înainte de răsărit și după apus, precum și în timpul zilei cu înnorări continue, radiația totală este completă, iar la altitudini joase ale Soarelui constă în principal din radiații împrăștiate. Pe un cer fără nori sau ușor înnorat, cu creșterea înălțimii Soarelui, proporția radiațiilor directe în compoziția totalului crește rapid, iar în timpul zilei fluxul acestuia este de multe ori mai mare decât fluxul radiațiilor împrăștiate. Înnorarea în medie slăbește radiația totală (cu 20-30%), cu toate acestea, în cazul înnorațiunii parțiale care nu acoperă discul solar, fluxul acestuia poate fi mai mare decât în cazul unui cer fără nori. Stratul de zăpadă crește semnificativ fluxul de radiație totală prin creșterea fluxului de radiație împrăștiată.
Radiația totală, care cade pe suprafața pământului, este absorbită în mare parte de stratul superior de sol sau de un strat mai gros de apă (radiația absorbită) și se transformă în căldură și este parțial reflectată (radiația reflectată).
Curele termice
În funcție de cantitatea de radiație solară care intră pe suprafața Pământului, pe glob se disting 7 zone termice: calde, două moderate, două reci și două zone de îngheț etern. Limitele zonelor termice sunt izoterme. Centura fierbinte este limitată de izotermele medii anuale de +20°C dinspre nord și sud (Fig. 9). Două zone temperate la nord și la sud de zona fierbinte sunt limitate din partea ecuatorului de o izotermă medie anuală de +20 ° С, iar din partea latitudinilor înalte de o izotermă de +10 ° С (temperatura medie a aerului de lunile cele mai calde sunt iulie în emisfera nordică și ianuarie în emisferele sudice). Granița de nord coincide aproximativ cu limita de distribuție a pădurilor. Cele două zone reci la nord și la sud de zona temperată din emisfera nordică și sudică se află între izotermele +10°C și 0°C ale lunii celei mai calde. Cele două centuri de îngheț etern sunt delimitate de izoterma de 0°C a lunii cele mai calde din curelele reci. Tărâmul zăpezii eterne și al gheții se extinde până la Polul Nord și Sud.
Rezultatele măsurătorilor radiației solare directe
Cu transparența atmosferei neschimbată, intensitatea radiației solare directe depinde de masa optică a atmosferei, adică în cele din urmă de înălțimea soarelui. Prin urmare, în timpul zilei, radiația solară trebuie mai întâi să crească rapid, apoi mai încet de la răsărit până la prânz și la început încet, apoi să scadă rapid de la prânz până la apus.
Dar transparența atmosferei în timpul zilei variază în anumite limite. Prin urmare, curba cursului zilnic al radiațiilor, chiar și într-o zi complet senină, prezintă unele nereguli.
Diferențele de intensitate a radiațiilor la amiază se datorează în primul rând diferențelor de înălțime a soarelui la amiază, care este mai mică iarna decât vara. Intensitatea minimă în latitudinile temperate apare în decembrie, când soarele este cel mai scăzut. Dar intensitatea maximă nu este în lunile de vară, ci în primăvară.Cert este că primăvara aerul este cel mai puțin tulbure de produse de condens și puțin praf. Vara, praful crește, iar conținutul de vapori de apă din atmosferă crește și el, ceea ce reduce oarecum intensitatea radiațiilor.
Valorile maxime ale intensității radiației directe pentru unele puncte sunt următoarele (în cal/cm2min): Golful Tiksi 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moscova 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostok 1, 46, Tașkent.
Din aceste date se poate observa că valorile maxime ale intensității radiației cresc foarte puțin odată cu scăderea latitudinii geografice, în ciuda creșterii înălțimii soarelui. Acest lucru se explică prin creșterea conținutului de umiditate și, parțial, prin prăfuirea aerului la latitudinile sudice. La ecuator, valorile maxime ale radiațiilor nu depășesc cu mult maximele de vară ale latitudinilor temperate. În aerul uscat al deșerților subtropicale (Sahara), s-au observat însă valori de până la 1,58 cal/cm2 min.
Odată cu înălțimea deasupra nivelului mării, valorile maxime ale radiației cresc datorită scăderii masei optice a atmosferei la aceeași înălțime a soarelui. Pentru fiecare 100 m de altitudine, intensitatea radiației în troposferă crește cu 0,01-0,02 cal/cm2 min. Am spus deja că valorile maxime ale intensității radiațiilor observate la munte ajung la 1,7 cal/cm2 min și mai mult.