Výpočet plochého slnečného kolektora
Prax ukazuje, že priemerne 900 W tepelnej energie na štvorcový meter plochy inštalovanej kolmo na jasné slnečné lúče (s bezoblačným nebom). SC vypočítame na základe modelu s plochou 1 m². Predná strana je matná, čierna (má takmer 100% absorpciu tepelnej energie). Zadná strana je zateplená 10 cm vrstvou expandovaného polystyrénu. Potrebné je vypočítať tepelné straty, ktoré vznikajú na opačnej, tienistej strane. Súčiniteľ tepelnej izolácie expandovaného polystyrénu - 0,05 W / m × st. Pri znalosti hrúbky a za predpokladu, že teplotný rozdiel na opačných stranách materiálu je do 50 stupňov, vypočítame tepelné straty:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Približne rovnaké straty sa očakávajú od koncov a potrubí, to znamená, že celkové množstvo bude 50 wattov. Bezoblačná obloha je zriedkavá a treba brať do úvahy aj vplyv nánosov nečistôt na kolektor. Preto znížime množstvo tepelnej energie na 1 m² na 800 W. Voda používaná ako nosič tepla v plochých SC má tepelnú kapacitu 4200 J/kg × stupeň alebo 1,16 W/kg × stupeň. To znamená, že na zvýšenie teploty jedného litra vody o jeden stupeň bude potrebných 1,16 W energie. Na základe týchto výpočtov získame nasledujúcu hodnotu pre náš model solárneho kolektora s plochou 1 m²:
Pre pohodlie zaokrúhľujeme až do 700 / kg × stupňov. Tento výraz označuje množstvo vody, ktoré je možné zohriať v kolektore (model 1 m²) za hodinu. Neberie sa do úvahy tepelná strata z prednej strany, ktorá sa oteplením zvýši. Tieto straty obmedzia ohrev chladiacej kvapaliny v solárnom kolektore v rozmedzí 70-90 stupňov. V tomto ohľade možno hodnotu 700 aplikovať na nízke teploty (od 10 do 60 stupňov). Výpočet solárneho kolektora ukazuje, že systém s rozlohou 1 m² je schopný ohriať 10 litrov vody o 70 stupňov, čo je dosť na to, aby dom mohol zásobiť teplou vodou. Dobu ohrevu vody môžete skrátiť zmenšením objemu solárneho kolektora pri zachovaní jeho plochy. Ak si počet osôb bývajúcich v dome vyžaduje väčší objem vody, treba použiť viacero kolektorov tejto plochy, ktoré sú zapojené do jedného systému. Aby slnečné svetlo pôsobilo na radiátor čo najefektívnejšie, kolektor musí byť orientovaný pod uhlom k horizontu, ktorý sa rovná zemepisnej šírke oblasti. O tom už bola reč v článku Ako vypočítať výkon solárnych panelov, platí rovnaký princíp. Na zabezpečenie života jedného človeka je v priemere potrebných 50 litrov teplej vody. Vzhľadom na to, že voda pred ohrevom má teplotu cca 10 °C, rozdiel teplôt je 70 - 10 = 60 °C. Množstvo tepla potrebného na ohrev vody je nasledovné:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW energie.
Vydelením W množstvom slnečnej energie na 1 m² plochy v danej oblasti (údaje z hydrometeorologických stredísk) dostaneme plochu kolektora. Výpočet solárneho kolektora na vykurovanie sa vykonáva podobným spôsobom. Ale objem vody (chladiacej kvapaliny) je potrebný viac, čo závisí od objemu vykurovanej miestnosti. Možno konštatovať, že zlepšenie účinnosti tohto typu systému ohrevu vody je možné dosiahnuť zmenšením objemu a súčasným zväčšením plochy.
Ľadové technológie
Vyvíja sa množstvo technológií, kde sa ľad vyrába počas obdobia mimo špičky a neskôr sa používa na chladenie. Napríklad klimatizácia môže byť ekonomickejšia tak, že sa v noci použije lacná elektrina na zmrazovanie vody a potom sa cez deň využije chladiaca sila ľadu na zníženie množstva energie potrebnej na údržbu klimatizácie. Skladovanie tepelnej energie pomocou ľadu využíva vysoké teplo topenia vody. Historicky sa ľad prepravoval z hôr do miest, aby sa používal ako chladivo. Jedna metrická (= 1 m3) tona vody dokáže uložiť 334 miliónov joulov (J) alebo 317 000 britských tepelných jednotiek (93 kWh).Relatívne malá skladovacia jednotka môže uložiť dostatok ľadu na chladenie veľkej budovy na celý deň alebo týždeň.
Okrem využitia ľadu na priame chladenie sa používa aj v tepelných čerpadlách, ktoré poháňajú vykurovacie systémy. V týchto oblastiach fázové zmeny energie poskytujú veľmi vážnu tepelne vodivú vrstvu, ktorá sa blíži k dolnej hranici teploty, pri ktorej môže fungovať tepelné čerpadlo využívajúce teplo vody. To umožňuje systému zvládnuť najväčšie vykurovacie zaťaženie a predĺžiť čas, počas ktorého môžu prvky zdroja energie vrátiť teplo do systému.
Endotermické a exotermické chemické reakcie
Technológia hydratácie soli
Príkladom experimentálnej technológie skladovania energie založenej na energii chemických reakcií je technológia založená na hydrátoch solí. Systém využíva energiu reakcie vytvorenej v prípade hydratácie alebo dehydratácie solí. Funguje tak, že teplo uchováva v nádrži s 50% roztokom hydroxidu sodného. Teplo (napríklad získané zo slnečného kolektora) sa ukladá v dôsledku vyparovania vody počas endotermickej reakcie. Keď sa znova pridá voda, počas exotermickej reakcie sa pri 50 °C (120 °F) uvoľní teplo. V súčasnosti systémy pracujú s účinnosťou 60 %. Systém je obzvlášť účinný pre sezónne skladovanie tepelnej energie, pretože sušenú soľ možno skladovať pri izbovej teplote po dlhú dobu bez straty energie. Nádoby s dehydrovanou soľou možno dokonca prepravovať na rôzne miesta. Systém má vyššiu hustotu energie ako teplo uložené vo vode a jeho kapacita umožňuje uchovávať energiu na niekoľko mesiacov alebo dokonca rokov.
V roku 2013 predstavil holandský technologický vývojár TNO výsledky projektu MERITS na akumuláciu tepla v nádobe na soľ. Teplo, ktoré je možné odovzdať zo slnečného kolektora na plochú strechu, odparí vodu obsiahnutú v soli. Po opätovnom pridaní vody sa teplo uvoľní prakticky bez straty energie. Nádoba s niekoľkými kubickými metrami soli dokáže uskladniť dostatok termochemickej energie na vykurovanie domu po celú zimu. Pri teplotách ako v Holandsku si priemerná farma odolná voči teplu počas zimy vyžiada asi 6,7 GJ energie. Na uskladnenie takého množstva energie vo vode (s teplotným rozdielom 70C) by bolo potrebných 23 m3 vody v izolovanej nádrži, čo je viac, ako dokáže väčšina domácností uložiť. Pri použití technológie soľných hydrátov s hustotou energie cca 1 GJ/m3 by stačilo 4-8 m3.
Od roku 2016 výskumníci z niekoľkých krajín vykonávajú experimenty na určenie najlepšieho typu soli alebo zmesi solí. Nízky tlak vo vnútri nádoby sa javí ako najlepší na prenos sily. Obzvlášť perspektívne sú organické soli, takzvané „iónové kvapaliny“. V porovnaní s sorbentmi na báze halogenidov lítnych spôsobujú oveľa menej problémov v prostrediach s obmedzenými zdrojmi a v porovnaní s väčšinou halogenidov a hydroxidu sodného sú menej žieravé a nemajú žiadny negatívny vplyv prostredníctvom emisií oxidu uhličitého.
Molekulárne chemické väzby
Momentálne sa skúma možnosť uchovávania energie v molekulárno-chemických väzbách. Už bola dosiahnutá energetická hustota ekvivalentná lítium-iónovým batériám.
Distribúcia žiarenia na hranici atmosféry
Pre klimatológiu je veľmi zaujímavá otázka distribúcie prítoku a návratu žiarenia po celej zemeguli. Najprv zvážte rozloženie slnečného žiarenia na vodorovnom povrchu „na hranici atmosféry“. Dalo by sa tiež povedať: "pri absencii atmosféry." Tým predpokladáme, že nedochádza k absorpcii ani rozptylu žiarenia, ani k jeho odrazu oblakmi. Rozloženie slnečného žiarenia na hranici atmosféry je najjednoduchšie.V nadmorskej výške niekoľkých desiatok kilometrov skutočne existuje. Toto rozdelenie sa nazýva slnečná klíma.
Je známe, ako sa počas roka mení slnečná konštanta a následne aj množstvo žiarenia prichádzajúceho na Zem. Ak určíme slnečnú konštantu pre skutočnú vzdialenosť Zeme od Slnka, tak s priemernou ročnou hodnotou 1,98 cal/cm2 min. bude sa rovnať 2,05 cal/cm2 min. v januári a 1,91 cal/cm2 min. v júly.
Preto severná pologuľa počas letného dňa dostáva o niečo menej žiarenia na hranici atmosféry ako južná pologuľa počas letného dňa.
Množstvo žiarenia prijatého za deň na hranici atmosféry závisí od ročného obdobia a zemepisnej šírky miesta. V každej zemepisnej šírke určuje ročné obdobie trvanie prílevu žiarenia. Ale v rôznych zemepisných šírkach je trvanie dennej časti dňa v rovnakom čase rôzne.
Na póle slnko v lete vôbec nezapadne a v zime nevyjde 6 mesiacov. Medzi pólom a polárnym kruhom slnko v lete nezapadá a v zime nevychádza počas šiestich mesiacov až jedného dňa. Na rovníku trvá deň vždy 12 hodín. Od polárneho kruhu k rovníku sa denné hodiny v lete znižujú a v zime zvyšujú.
Ale prílev slnečného žiarenia na vodorovnú plochu závisí nielen od dĺžky dňa, ale aj od výšky slnka. Množstvo žiarenia prichádzajúceho na hranicu atmosféry na jednotku horizontálneho povrchu je úmerné sínusu výšky slnka. A výška slnka sa mení nielen na každom mieste počas dňa, ale závisí aj od ročného obdobia. Výška slnka na rovníku sa počas roka mení od 90 do 66,5°, v trópoch od 90 do 43°, na polárnych kruhoch od 47 do 0° a na póloch od 23,5 do 0°.
Guľovitosť Zeme a sklon rovníkovej roviny k rovine ekliptiky vytvárajú zložité rozloženie toku žiarenia v zemepisných šírkach na hranici atmosféry a jeho zmeny v priebehu roka.
V zime prílev žiarenia od rovníka k pólu klesá veľmi rýchlo, v lete klesá oveľa pomalšie. V tomto prípade je maximum v lete pozorované v obratníku a prílev žiarenia z obratníka k rovníku trochu klesá. Malý rozdiel v príleve žiarenia medzi tropickými a polárnymi šírkami v lete sa vysvetľuje tým, že aj keď sú výšky slnka v polárnych šírkach v lete nižšie ako v trópoch, dĺžka dňa je dlhá. V deň letného slnovratu by teda pri absencii atmosféry pól dostal viac žiarenia ako rovník. V blízkosti zemského povrchu je však v dôsledku útlmu žiarenia atmosférou, jeho odrazu oblakmi a pod., letný prílev žiarenia v polárnych šírkach podstatne menší ako v nižších zemepisných šírkach.
Na hornej hranici atmosféry mimo trópov je jedno ročné maximum žiarenia v čase letného slnovratu a jedno minimum v čase zimného slnovratu. Ale medzi trópomi má prílev žiarenia dve maximá za rok, čo možno pripísať časom, keď slnko dosiahne najvyššiu výšku poludnia. Na rovníku to bude v dňoch rovnodenností, v iných intratropických zemepisných šírkach - po jarnej a pred jesennou rovnodennosťou, čím sa vzďaľuje od načasovania rovnodenností, tým väčšia je zemepisná šírka. Amplitúda ročnej variácie na rovníku je malá, vo vnútri trópov je malá; v miernych a vysokých zemepisných šírkach je oveľa väčšia.
Rozloženie tepla a svetla na Zemi
Slnko je hviezdou slnečnej sústavy, ktorá je zdrojom obrovského množstva tepla a oslepujúceho svetla pre planétu Zem. Napriek tomu, že Slnko je od nás v značnej vzdialenosti a dostane sa k nám len malá časť jeho žiarenia, na rozvoj života na Zemi to celkom stačí. Naša planéta obieha okolo Slnka na obežnej dráhe. Ak sa Zem pozoruje z kozmickej lode počas roka, potom si možno všimnúť, že Slnko osvetľuje vždy iba jednu polovicu Zeme, takže tam bude deň a v tom čase bude noc na opačnej polovici. Zemský povrch prijíma teplo iba cez deň.
Naša Zem sa ohrieva nerovnomerne. Nerovnomerné zahrievanie Zeme sa vysvetľuje jej guľovitým tvarom, takže uhol dopadu slnečného lúča v rôznych oblastiach je rôzny, čo znamená, že rôzne časti Zeme prijímajú rôzne množstvá tepla. Na rovníku slnečné lúče dopadajú vertikálne a silne ohrievajú Zem.Čím ďalej od rovníka, uhol dopadu lúča sa zmenšuje, a preto tieto územia dostávajú menej tepla. Rovnaký energetický lúč slnečného žiarenia ohrieva oveľa menšiu oblasť blízko rovníka, pretože padá vertikálne. Navyše lúče dopadajúce pod menším uhlom ako na rovníku, prenikajúce do atmosféry, v nej prejdú dlhšiu dráhu, v dôsledku čoho sa časť slnečných lúčov rozptýli v troposfére a nedosiahne zemský povrch. To všetko naznačuje, že keď sa vzďaľujete od rovníka na sever alebo na juh, teplota vzduchu klesá, keďže sa zmenšuje uhol dopadu slnečného lúča.
Stupeň zahrievania zemského povrchu je ovplyvnený aj skutočnosťou, že zemská os je naklonená k rovine obežnej dráhy, pozdĺž ktorej Zem robí úplnú rotáciu okolo Slnka, pod uhlom 66,5 ° a vždy smeruje o severný koniec smerom k Polárnej hviezde.
Predstavte si, že Zem, ktorá sa pohybuje okolo Slnka, má zemskú os kolmú na rovinu obežnej dráhy. Potom by povrch v rôznych zemepisných šírkach dostával konštantné množstvo tepla počas celého roka, uhol dopadu slnečného lúča by bol stále konštantný, deň by sa vždy rovnal noci, nedochádzalo by k striedaniu ročných období. Na rovníku by sa tieto podmienky len málo líšili od súčasnosti. Sklon zemskej osi má výrazný vplyv na ohrievanie zemského povrchu a tým aj na celú klímu práve v miernych zemepisných šírkach.
Počas roka, teda počas úplnej obrátky Zeme okolo Slnka, sú pozoruhodné najmä štyri dni: 21. marec, 23. september, 22. jún, 22. december.
Trópy a polárne kruhy rozdeľujú zemský povrch na pásy, ktoré sa líšia slnečným osvetlením a množstvom tepla prijatého zo Slnka. Existuje 5 zón osvetlenia: severná a južná polárna zóna, ktoré prijímajú málo svetla a tepla, tropická zóna s horúcim podnebím a severná a južná mierna zóna, ktoré prijímajú viac svetla a tepla ako polárne, ale menej ako tie tropické.
Na záver teda môžeme vyvodiť všeobecný záver: nerovnomerné zahrievanie a osvetlenie zemského povrchu súvisí so sférickosťou našej Zeme a so sklonom zemskej osi až do 66,5 ° k obežnej dráhe rotácie okolo Slnka.
Akumulácia tepla v horúcej skale, betóne, kamienkoch atď.
Voda má jednu z najvyšších tepelných kapacít - 4,2 J / cm3 * K, zatiaľ čo betón má iba jednu tretinu tejto hodnoty. Na druhej strane, betón sa dá ohriať na oveľa vyššie teploty 1200 °C napríklad elektrickým ohrevom a má teda oveľa vyššiu celkovú kapacitu. Podľa nižšie uvedeného príkladu môže byť izolovaná kocka s priemerom približne 2,8 m schopná poskytnúť dostatok akumulovaného tepla pre jeden dom na pokrytie 50 % potreby vykurovania. V zásade by sa to dalo využiť na uskladnenie prebytočnej veternej alebo fotovoltaickej tepelnej energie vďaka schopnosti elektrického ohrevu dosahovať vysoké teploty.
Na úrovni kraja vzbudil medzinárodnú pozornosť projekt Wiggenhausen-Süd v nemeckom meste Friedrichshafen. Ide o železobetónovú tepelnú akumulačnú jednotku s rozlohou 12 000 m3 (420 000 m3) spojenú s 4 300 m2 (46 000 m2.
ft.), ktorá pokrýva polovicu potreby teplej vody a vykurovania pre 570 domácností. Siemens stavia pri Hamburgu zásobník tepla s kapacitou 36 MWh, ktorý pozostáva z čadiča zohriateho na 600 °C a generuje 1,5 MW energie. Podobný systém sa plánuje vybudovať v dánskom meste Sorø, kde sa 41 – 58 % akumulovaného tepla s kapacitou 18 MWh presunie do diaľkového vykurovania mesta a 30 – 41 % vo forme elektriny.
Ako vypočítať návratnosť solárneho ohrevu
Pomocou nižšie uvedenej tabuľky si môžete vypočítať, o koľko sa znížia vaše náklady na vykurovanie pri použití solárnych kolektorov, ako dlho sa tento systém môže splácať a aké výhody je možné získať počas rôznych období prevádzky. Tento model bol vyvinutý pre Prímorský kraj, ale dá sa použiť aj na odhad využitia solárneho ohrevu v Chabarovskom kraji, Amurskej oblasti, Sachaline, Kamčatke a južnej Sibíri.V tomto prípade budú mať slnečné kolektory menší účinok v decembri až januári vo vyšších zemepisných šírkach, ale celkový prínos nebude menší, vzhľadom na dlhšiu vykurovaciu sezónu.
V prvej tabuľke zadajte parametre Vášho domu, vykurovacieho systému a ceny energií. Všetky polia, ktoré sú označené zelenou farbou, je možné upraviť a simulovať existujúci alebo plánovaný dom.
Najprv zadajte do prvého stĺpca vykurovanú oblasť vášho domu.
Následne zhodnoťte kvalitu tepelnej izolácie objektu a spôsob vykurovania výberom príslušných hodnôt.
Uveďte počet členov rodiny a spotrebu teplej vody – pomôže to zhodnotiť výhody dodávky teplej vody solárnych kolektorov.
Zadajte ceny pre váš obvyklý zdroj energie na vykurovanie - elektrinu, naftu alebo uhlie.
Zadajte hodnotu obvyklého príjmu člena rodiny, ktorý sa venuje kúreniu vo vašej domácnosti. To pomáha odhadnúť mzdové náklady na vykurovaciu sezónu a hrá obzvlášť dôležitú úlohu pri systémoch na tuhé palivá, kde je potrebné privážať a vykladať uhlie, hádzať ho do pece, vyhadzovať popol atď.
Cena solárneho kolektorového systému bude stanovená automaticky, na základe vami zadaných parametrov budovy. Táto cena je približná - skutočné náklady na inštaláciu a parametre solárnych vykurovacích zariadení sa môžu líšiť a sú kalkulované odborníkmi individuálne v každom prípade.
V stĺpci "Náklady na inštaláciu" môžete zadať náklady na vybavenie a inštaláciu tradičného vykurovacieho systému - existujúceho alebo plánovaného
Ak je systém už nainštalovaný, môžete zadať „0“.
Dávajte si pozor na výšku výdavkov za vykurovaciu sezónu a porovnávajte s vašimi bežnými výdavkami. Ak sa líšia, skúste zmeniť nastavenia.
V stĺpci „Náklady na vykurovanie za sezónu“ vykurovacie systémy na uhlie zohľadňujú peňažnú hodnotu nákladov práce. Ak ich nechcete brať do úvahy, môžete znížiť hodnotu príjmu člena rodiny podieľajúceho sa na vykurovaní. V prípade systémov na kvapalné palivá sa mzdové náklady zohľadňujú v menšej miere a neberú sa do úvahy pri systémoch elektrických kotlov. Nastavenie solárnych kolektorov sa vykonáva automaticky a nevyžaduje neustálu pozornosť.
V stĺpci "Životnosť" je predvolená hodnota 20 rokov - to je obvyklá životnosť solárnych vykurovacích systémov so solárnymi kolektormi. V závislosti od prevádzkových podmienok môžu slnečné kolektory vydržať dlhšie ako toto obdobie. Môžete zmeniť životnosť a nižšie uvedený graf bude odrážať rozdiel medzi nákladmi na inštaláciu a údržbu a výhody používania solárnych kolektorov na vykurovanie. Uvidíte teda, o koľko sa znížia náklady na vykurovanie a ako dlho vám tento rozdiel umožní vrátiť náklady na inštaláciu slnečných kolektorov.
Konečné výsledky sú približné, ale poskytujú dobrú predstavu o tom, koľko môže solárny systém stáť a ako dlho sa môže splácať.
Upozorňujeme, že náklady na vykurovaciu sezónu je možné výrazne znížiť použitím solárnych kolektorov, systémov podlahového vykurovania a zlepšením tepelnej izolácie budovy. Taktiež náklady na vykurovanie je možné znížiť, ak je budova vopred navrhnutá na využívanie solárneho vykurovania a využíva technológie ekologického domu.
svetdv.ru
Čo je slnečné teplo
Od staroveku si ľudia dobre uvedomovali úlohu Slnka v ich živote. Takmer u všetkých národov pôsobila ako hlavné alebo jedno z hlavných božstiev, ktoré dávalo život a svetlo všetkému živému. Dnes má ľudstvo oveľa lepšiu predstavu o tom, odkiaľ pochádza slnečné teplo.
Z hľadiska vedy je naše Slnko žltá hviezda, ktorá je svetlom pre celý náš planetárny systém.Energiu čerpá z jadra – centrálnej časti obrovskej horúcej gule, kde prebiehajú termonukleárne fúzne reakcie nepredstaviteľnej sily pri teplote meranej v miliónoch stupňov. Polomer jadra nie je väčší ako štvrtina celkového polomeru Slnka, ale práve v jadre sa generuje žiarivá energia, ktorej malý zlomok stačí na podporu života na našej planéte.
Uvoľnená energia sa cez konvekčnú zónu dostáva do vonkajších vrstiev Slnka a dostáva sa až do fotosféry – žiariaceho povrchu hviezdy. Teplota fotosféry sa blíži k 6000 stupňom, je to práve ona, ktorá premieňa a vysiela do vesmíru žiarivú energiu, ktorú naša planéta prijíma. V skutočnosti žijeme vďaka postupnému, pomalému spaľovaniu hviezdnej plazmy, ktorá tvorí Slnko.
Spektrálne zloženie slnečného žiarenia
Interval vlnových dĺžok medzi 0,1 a 4 mikróny predstavuje 99 % celkovej energie slnečného žiarenia. Len 1 % zostáva na žiarenie s kratšími a dlhšími vlnovými dĺžkami, až po röntgenové lúče a rádiové vlny.
Viditeľné svetlo zaberá úzky rozsah vlnových dĺžok, iba od 0,40 do 0,75 mikrónov. Tento interval však obsahuje takmer polovicu všetkej energie slnečného žiarenia (46 %). Takmer rovnaké množstvo (47 %) je v infračervených lúčoch a zvyšných 7 % je v ultrafialovom žiarení.
V meteorológii je zvykom rozlišovať krátkovlnné a dlhovlnné žiarenie. Krátkovlnné žiarenie sa nazýva žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok od 0,1 do 4 mikrónov. Zahŕňa okrem viditeľného svetla aj ultrafialové a infračervené žiarenie, ktoré je mu vo vlnových dĺžkach najbližšie. Slnečné žiarenie je z 99 % takéto krátkovlnné žiarenie. Dlhovlnné žiarenie zahŕňa žiarenie zemského povrchu a atmosféry s vlnovými dĺžkami od 4 do 100-120 mikrónov.
Intenzita priameho slnečného žiarenia
Žiarenie prichádzajúce na zemský povrch priamo zo slnečného disku sa nazýva priame slnečné žiarenie, na rozdiel od žiarenia rozptýleného v atmosfére. Slnečné žiarenie sa šíri zo Slnka všetkými smermi. Ale vzdialenosť od Zeme k Slnku je taká veľká, že priame žiarenie dopadá na akýkoľvek povrch na Zemi vo forme lúča paralelných lúčov vyžarujúcich akoby z nekonečna. Dokonca aj zemeguľa ako celok je v porovnaní so vzdialenosťou od Slnka taká malá, že všetko slnečné žiarenie na ňu dopadajúce možno považovať za zväzok rovnobežných lúčov bez výraznej chyby.
Prílev priameho slnečného žiarenia na zemský povrch alebo na akúkoľvek vyššiu úroveň v atmosfére je charakterizovaný intenzitou žiarenia ja, teda množstvo žiarivej energie vstupujúcej za jednotku času (jednu minútu) na jednotku plochy (jeden štvorcový centimeter) kolmo na slnečné lúče.
Ryža. 1. Prílev slnečného žiarenia na povrch kolmý na lúče (AB) a na vodorovnom povrchu (AC).
Je ľahké pochopiť, že jednotková plocha umiestnená kolmo na slnečné lúče dostane za daných podmienok maximálne možné množstvo žiarenia. Jednotka horizontálnej plochy bude mať menšie množstvo žiarivej energie:
Ja' = hreším
kde h je výška slnka (obr. 1).
Všetky druhy energie sú vzájomne ekvivalentné. Preto môže byť energia žiarenia vyjadrená v jednotkách akéhokoľvek druhu energie, napríklad v tepelnej alebo mechanickej. Je prirodzené vyjadrovať to v tepelných jednotkách, pretože meracie prístroje sú založené na tepelnom účinku žiarenia: energia žiarenia, takmer úplne absorbovaná v zariadení, sa premieňa na teplo, ktoré sa meria. Intenzita priameho slnečného žiarenia bude teda vyjadrená v kalóriách na štvorcový centimeter za minútu (cal/cm2min).
Vytváranie energie
Solárna energia funguje tak, že premieňa slnečné svetlo na elektrinu.To sa môže stať buď priamo pomocou fotovoltaiky, alebo nepriamo pomocou systémov koncentrovanej solárnej energie, v ktorých šošovky a zrkadlá zbierajú slnečné svetlo z veľkej oblasti do tenkého lúča a sledovací mechanizmus sleduje polohu Slnka. Fotovoltaika premieňa svetlo na elektrinu pomocou fotoelektrického efektu.
Predpokladá sa, že solárna energia sa do roku 2050 stane najväčším zdrojom elektriny, pričom fotovoltaika a koncentrovaná solárna energia budú predstavovať 16 % a 11 % celosvetovej výroby elektriny.
Komerčné elektrárne využívajúce koncentrovanú slnečnú energiu sa prvýkrát objavili v 80. rokoch minulého storočia. Po roku 1985 sa 354 MW inštalácia SEGS tohto typu v Mohavskej púšti (Kalifornia) stala najväčšou solárnou elektrárňou na svete. Ďalšie solárne elektrárne tohto typu zahŕňajú Solnova (150 MW) a Andasol (100 MW), obe v Španielsku. Medzi najväčšie fotovoltaické elektrárne (anglicky) patrí Agua Caliente Solar Project (250 MW) v USA a Charanka Solar Park (221 MW) v Indii. Projekty nad 1 GW sú vo vývoji, ale väčšina fotovoltaických inštalácií do 5 kW je malých a strešných. Od roku 2013 tvorila solárna energia menej ako 1 % elektriny v globálnej sieti.
Druhy slnečného žiarenia
V atmosfére je slnečné žiarenie na ceste k zemskému povrchu čiastočne absorbované a čiastočne rozptýlené a odrazené od oblakov a zemského povrchu. V atmosfére sú pozorované tri druhy slnečného žiarenia: priame, difúzne a celkové.
Priame slnečné žiarenie – žiarenie prichádzajúce na zemský povrch priamo zo slnečného kotúča. Slnečné žiarenie sa šíri zo Slnka všetkými smermi. Ale vzdialenosť od Zeme k Slnku je taká veľká, že priame žiarenie dopadá na akýkoľvek povrch na Zemi vo forme lúča paralelných lúčov vyžarujúcich akoby z nekonečna. Dokonca aj celá zemeguľa ako celok je v porovnaní so vzdialenosťou od Slnka taká malá, že všetko slnečné žiarenie na ňu dopadajúce možno považovať za zväzok rovnobežných lúčov bez výraznej chyby.
Hornú hranicu atmosféry dosahuje iba priame žiarenie. Asi 30 % žiarenia dopadajúceho na Zem sa odráža do vesmíru. Kyslík, dusík, ozón, oxid uhličitý, vodná para (oblaky) a aerosólové častice absorbujú 23 % priameho slnečného žiarenia v atmosfére. Ozón pohlcuje ultrafialové a viditeľné žiarenie. Napriek tomu, že jeho obsah vo vzduchu je veľmi malý, absorbuje všetko ultrafialové žiarenie (asi 3%).
Pri zemskom povrchu sa teda vôbec nepozoruje, čo je pre život na Zemi veľmi dôležité.
Priame slnečné žiarenie na ceste atmosférou je tiež rozptýlené. Častica (kvapka, kryštál alebo molekula) vzduchu, ktorá je v dráhe elektromagnetickej vlny, nepretržite „vyťahuje“ energiu z dopadajúcej vlny a opätovne ju vyžaruje do všetkých smerov, čím sa stáva žiaričom energie.
Asi 25 % energie z celkového toku slnečného žiarenia prechádzajúceho atmosférou je rozptýlených molekulami atmosférického plynu a aerosólu a v atmosfére sa premieňa na rozptýlené slnečné žiarenie. Rozptýlené slnečné žiarenie je teda slnečné žiarenie, ktoré prešlo rozptylom v atmosfére. Rozptýlené žiarenie neprichádza na zemský povrch zo slnečného disku, ale z celej nebeskej klenby. Rozptýlené žiarenie sa líši od priameho žiarenia vo svojom spektrálnom zložení, pretože lúče rôznych vlnových dĺžok sú rozptýlené v rôznych stupňoch.
Keďže primárnym zdrojom difúzneho žiarenia je priame slnečné žiarenie, tok difúzneho žiarenia závisí od rovnakých faktorov, ktoré ovplyvňujú tok priameho žiarenia. Najmä tok rozptýleného žiarenia sa zvyšuje so zvyšujúcou sa výškou Slnka a naopak.Zvyšuje sa aj s nárastom počtu rozptylujúcich častíc v atmosfére, t.j. s poklesom priehľadnosti atmosféry a klesá s výškou nad morom v dôsledku poklesu počtu rozptylových častíc v nadložných vrstvách atmosféry. Oblačnosť a snehová pokrývka majú veľmi veľký vplyv na difúzne žiarenie, ktoré v dôsledku rozptylu a odrazu na ne dopadajúceho priameho a difúzneho žiarenia a ich opätovného rozptylu v atmosfére môže difúzne slnečné žiarenie niekoľkonásobne zvýšiť.
Rozptýlené žiarenie výrazne dopĺňa priame slnečné žiarenie a výrazne zvyšuje tok slnečnej energie k zemskému povrchu. Jeho úloha je obzvlášť veľká v zime vo vysokých zemepisných šírkach a v iných oblastiach s vysokou oblačnosťou, kde podiel difúzneho žiarenia môže prevyšovať podiel priameho žiarenia. Napríklad v ročnom množstve slnečnej energie tvorí rozptýlené žiarenie 56 % v Archangeľsku a 51 % v Petrohrade.
Celkové slnečné žiarenie je súčet tokov priameho a difúzneho žiarenia dopadajúceho na vodorovný povrch. Pred východom a po západe Slnka, ako aj počas dňa s nepretržitou oblačnosťou je celkové žiarenie úplné a v nízkych výškach Slnka pozostáva najmä z rozptýleného žiarenia. Na bezoblačnej alebo mierne zamračenej oblohe s pribúdajúcou výškou Slnka rapídne narastá podiel priameho žiarenia na zložení celku a cez deň je jeho tok mnohonásobne väčší ako tok rozptýleného žiarenia. Oblačnosť v priemere oslabuje celkové žiarenie (o 20-30%), avšak pri čiastočnej oblačnosti, ktorá nepokrýva slnečný disk, môže byť jej tok väčší ako pri bezoblačnej oblohe. Snehová pokrývka výrazne zvyšuje tok celkového žiarenia zvýšením toku rozptýleného žiarenia.
Celkové žiarenie dopadajúce na zemský povrch je väčšinou absorbované vrchnou vrstvou pôdy alebo hrubšou vrstvou vody (absorbované žiarenie) a mení sa na teplo a čiastočne sa odráža (odrazené žiarenie).
Tepelné pásy
V závislosti od množstva slnečného žiarenia vstupujúceho na zemský povrch sa na zemeguli rozlišuje 7 tepelných zón: horúce, dve mierne, dve studené a dve zóny večného mrazu. Hranice tepelných zón sú izotermy. Horúci pás je ohraničený priemernými ročnými izotermami +20°С zo severu a juhu (obr. 9). Dve mierne pásma na sever a juh od horúcej zóny sú obmedzené zo strany rovníka priemernou ročnou izotermou +20 ° С a zo strany vysokých zemepisných šírok izotermou +10 ° С (priemerná teplota vzduchu najteplejším mesiacom je júl na severnej a január na južnej pologuli). Severná hranica sa približne zhoduje s hranicou rozšírenia lesov. Dve studené zóny severne a južne od mierneho pásma na severnej a južnej pologuli ležia medzi izotermami +10°C a 0°C najteplejšieho mesiaca. Dva pásy večného mrazu sú ohraničené izotermou 0°C najteplejšieho mesiaca od studených pásov. Ríša večného snehu a ľadu sa rozprestiera na severnom a južnom póle.
Výsledky merania priameho slnečného žiarenia
Pri nezmenenej priehľadnosti atmosféry závisí intenzita priameho slnečného žiarenia od optickej hmotnosti atmosféry, teda v konečnom dôsledku od výšky slnka. Preto musí slnečné žiarenie počas dňa najprv rýchlo pribúdať, potom od východu do poludnia pomalšie a najskôr pomaly, potom od poludnia do západu rýchlo klesať.
Priehľadnosť atmosféry sa však počas dňa mení v určitých medziach. Preto krivka denného priebehu žiarenia aj v úplne bezoblačnom dni vykazuje určité nepravidelnosti.
Rozdiely v intenzite žiarenia na poludnie sú primárne spôsobené rozdielmi vo výške slnka na poludnie, ktorá je v zime nižšia ako v lete. Minimálna intenzita v miernych zemepisných šírkach nastáva v decembri, keď je slnko najnižšie. Ale maximálna intenzita nie je v letných mesiacoch, ale na jar.Faktom je, že na jar je vzduch najmenej zakalený kondenzačnými produktmi a málo prašný. V lete sa zvyšuje prašnosť, zvyšuje sa aj obsah vodnej pary v atmosfére, čo trochu znižuje intenzitu žiarenia.
Maximálne hodnoty intenzity priameho žiarenia pre niektoré body sú nasledovné (v cal/cm2min): Tiksi Bay 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moskva 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostok 1, 46, Taškent 1,52.
Z týchto údajov je zrejmé, že maximálne hodnoty intenzity žiarenia rastú s klesajúcou zemepisnou šírkou veľmi málo, a to aj napriek nárastu výšky slnka. Vysvetľuje sa to zvýšením obsahu vlhkosti a čiastočne prašnosťou vzduchu v južných zemepisných šírkach. Na rovníku maximálne hodnoty žiarenia výrazne neprekračujú letné maximá miernych zemepisných šírok. V suchom vzduchu subtropických púští (Sahara) však boli pozorované hodnoty až 1,58 cal/cm2 min.
S výškou nad morom sa maximálne hodnoty žiarenia zvyšujú v dôsledku poklesu optickej hmoty atmosféry pri rovnakej výške slnka. Na každých 100 m nadmorskej výšky sa intenzita žiarenia v troposfére zvyšuje o 0,01-0,02 cal/cm2 min. Už sme povedali, že maximálne hodnoty intenzity žiarenia pozorované v horách dosahujú 1,7 cal/cm2 min a viac.