Düz bir güneş kollektörünün hesaplanması
Uygulama, parlak güneş ışığına dik (bulutsuz bir gökyüzü ile) kurulmuş bir yüzeyin metrekaresi başına ortalama 900 W termal enerjinin olduğunu göstermektedir. SC'yi 1 m² alana sahip bir model bazında hesaplayacağız. Ön taraf mat, siyahtır (%100'e yakın termal enerji emilimine sahiptir). Arka taraf 10 cm genleştirilmiş polistiren tabakası ile yalıtılmıştır. Ters, gölgeli tarafta meydana gelen ısı kayıplarının hesaplanması gerekmektedir. Genleşmiş polistirenin ısı yalıtım katsayısı - 0,05 W / m × derece. Kalınlığı bilerek ve malzemenin karşı taraflarındaki sıcaklık farkının 50 derece içinde olduğunu varsayarak, ısı kaybını hesaplarız:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W
Uçlardan ve borulardan yaklaşık olarak aynı kayıplar beklenir, yani toplam miktar 50 watt olacaktır. Bulutsuz gökyüzü nadirdir ve toplayıcı üzerindeki kir birikintilerinin etkisi de dikkate alınmalıdır. Bu nedenle 1 m² başına termal enerji miktarını 800 W'a düşüreceğiz. Düz SC'lerde ısı taşıyıcı olarak kullanılan su, 4200 J/kg × derece veya 1,16 W/kg × derece ısı kapasitesine sahiptir. Bu, bir litre suyun sıcaklığını bir derece yükseltmek için 1,16 W enerji alacağı anlamına gelir. Bu hesaplamalar göz önüne alındığında, 1 m² alana sahip güneş kollektör modelimiz için aşağıdaki değeri elde ederiz:
Kolaylık sağlamak için 700 / kg × dereceye kadar yuvarlarız. Bu ifade bir kollektörde (1 m² model) bir saat boyunca ısıtılabilecek su miktarını gösterir. Bu, ısındıkça artacak olan ön taraftan ısı kaybını hesaba katmaz. Bu kayıplar güneş kollektöründeki soğutucunun ısınmasını 70-90 derece arasında sınırlayacaktır. Bu bakımdan 700 değeri düşük sıcaklıklara (10 ila 60 derece arası) uygulanabilir. Güneş kollektörünün hesaplanması, 1 m²'lik bir sistemin 10 litre suyu 70 derece ısıtabildiğini gösteriyor ki bu da bir eve sıcak su sağlamak için oldukça yeterli. Güneş kollektörünün alanını korurken hacmini azaltarak su ısıtma süresini kısaltabilirsiniz. Evde yaşayan insan sayısı daha fazla su gerektiriyorsa, bu alanın tek bir sisteme bağlı birkaç toplayıcısı kullanılmalıdır. Güneş ışığının radyatöre mümkün olduğunca verimli bir şekilde etki etmesi için kollektörün ufuk çizgisine alanın enlemine eşit bir açıyla yönlendirilmesi gerekir. Bu, güneş panellerinin gücü nasıl hesaplanır makalesinde zaten tartışıldı, aynı prensip geçerlidir. Ortalama olarak bir kişinin hayatını devam ettirebilmesi için 50 litre sıcak suya ihtiyaç duyulmaktadır. Isıtmadan önceki suyun sıcaklığının yaklaşık 10 °C olduğu göz önüne alındığında, sıcaklık farkı 70 - 10 = 60 °C'dir. Suyu ısıtmak için gereken ısı miktarı aşağıdaki gibidir:
W=Q × V × Tp = 1.16 × 50 × 60 = 3.48 kW enerji.
W'yi belirli bir alanda 1 m² yüzey başına güneş enerjisi miktarına bölerek (hidrometeorolojik merkezlerden gelen veriler), kollektör alanını elde ederiz. Isıtma için bir güneş kollektörünün hesaplanması benzer şekilde gerçekleştirilir. Ancak, ısıtılan odanın hacmine bağlı olarak, su hacmine (soğutma sıvısı) daha fazla ihtiyaç vardır. Bu tip su ısıtma sisteminin verimliliğinin arttırılmasının, hacmi azaltarak ve aynı zamanda alanı artırarak sağlanabileceği sonucuna varılabilir.
Buz teknolojileri
Yoğun olmayan dönemlerde buzun üretildiği ve daha sonra soğutma için kullanıldığı bir dizi teknoloji geliştirilmektedir. Örneğin, geceleri suyu dondurmak için ucuz elektrik kullanarak ve ardından gün boyunca buzun soğutma gücünü kullanarak klimayı korumak için gereken enerji miktarını azaltarak klima daha ekonomik hale getirilebilir. Buz kullanılarak termal enerjinin depolanması, suyun yüksek füzyon ısısını kullanır. Tarihsel olarak buz, soğutucu olarak kullanılmak üzere dağlardan şehirlere taşınmıştır. Bir metrik (= 1 m3) ton su, 334 milyon joule (J) veya 317.000 İngiliz ısı birimi (93 kWh) depolayabilir.Nispeten küçük bir depolama birimi, büyük bir binayı bütün bir gün veya hafta boyunca soğutmaya yetecek kadar buz depolayabilir.
Doğrudan soğutma için buz kullanılmasına ek olarak, ısıtma sistemlerine güç sağlayan ısı pompalarında da kullanılır. Bu alanlarda, faz enerjisi değişiklikleri, suyun ısısını kullanan bir ısı pompasının çalışabileceği alt sıcaklık eşiğine yakın, çok ciddi bir ısı ileten katman sağlar. Bu, sistemin en ağır ısıtma yüklerini kaldırabilmesine ve enerji kaynağı elemanlarının ısıyı sisteme geri döndürebileceği süreyi artırmasına olanak tanır.
Endotermik ve ekzotermik kimyasal reaksiyonlar
tuz hidrat teknolojisi
Kimyasal reaksiyonların enerjisine dayalı deneysel bir enerji depolama teknolojisinin bir örneği, tuz hidratlarına dayalı bir teknolojidir. Sistem, tuzların hidrasyonu veya dehidrasyonu durumunda oluşturulan reaksiyonun enerjisini kullanır. %50 sodyum hidroksit çözeltisi içeren bir tankta ısı depolayarak çalışır. Isı (örneğin, bir güneş kollektöründen elde edilen), bir endotermik reaksiyon sırasında suyun buharlaşması nedeniyle depolanır. Tekrar su eklendiğinde, 50C'de (120F) ekzotermik reaksiyon sırasında ısı açığa çıkar. Şu anda sistemler %60 verimle çalışmaktadır. Sistem, özellikle mevsimsel termal enerji depolaması için etkilidir, çünkü kurutulmuş tuz, enerji kaybı olmadan oda sıcaklığında uzun süre saklanabilir. Kurutulmuş tuz kapları bile farklı yerlere taşınabilir. Sistem, suda depolanan ısıdan daha yüksek bir enerji yoğunluğuna sahiptir ve kapasitesi, enerjiyi birkaç ay hatta yıllarca depolamanıza olanak tanır.
2013 yılında, Hollandalı teknoloji geliştiricisi TNO, ısıyı bir tuz kabında depolamak için MERITS projesinin sonuçlarını sundu. Güneş kollektöründen düz çatıya verilebilecek ısı, tuzun içerdiği suyu buharlaştırır. Su tekrar eklendiğinde, neredeyse hiç enerji kaybı olmadan ısı açığa çıkar. Birkaç metreküp tuz içeren bir kap, tüm kış boyunca bir evi ısıtmak için yeterli termokimyasal enerji depolayabilir. Hollanda'daki gibi sıcaklıklarda, ortalama ısıya dayanıklı bir çiftlik, kış boyunca yaklaşık 6,7 GJ enerji gerektirecektir. Bu kadar enerjiyi suda (70C sıcaklık farkıyla) depolamak için yalıtılmış bir tankta 23 m3 su gerekir ki bu çoğu evin depolayabileceğinden daha fazladır. Yaklaşık 1 GJ/m3 enerji yoğunluğuna sahip tuz hidrat teknolojisinin kullanılması ile 4-8 m3 yeterli olacaktır.
2016 itibariyle, çeşitli ülkelerden araştırmacılar, en iyi tuz türünü veya tuz karışımını belirlemek için deneyler yürütüyor. Konteyner içindeki düşük basınç, güç aktarımı için en iyisi gibi görünüyor. Özellikle umut verici olan, "iyonik sıvılar" olarak adlandırılan organik tuzlardır. Lityum halojenür sorbentleri ile karşılaştırıldığında, kaynakların sınırlı olduğu ortamlarda çok daha az soruna neden olurlar ve çoğu halojenür ve sodyum hidroksit ile karşılaştırıldığında daha az yakıcıdırlar ve karbondioksit emisyonları yoluyla olumsuz etkileri yoktur.
Moleküler kimyasal bağlar
Şu anda, moleküler kimyasal bağlarda enerji depolama olasılığı araştırılmaktadır. Lityum iyon pillere eşdeğer bir enerji yoğunluğu zaten elde edilmiştir.
Atmosfer sınırında radyasyon dağılımı
Klimatoloji için, radyasyonun dünya üzerindeki akışının ve geri dönüşünün dağılımı sorunu önemli bir ilgi konusudur. İlk olarak, "atmosferin sınırında" yatay bir yüzey üzerinde güneş ışınımının dağılımını düşünün. Ayrıca "bir atmosferin yokluğunda" da denebilir. Bununla, radyasyonun absorpsiyonunun veya saçılmasının veya bulutlar tarafından yansımasının olmadığını varsayıyoruz. Güneş radyasyonunun atmosfer sınırındaki dağılımı en basit olanıdır.Gerçekten birkaç on kilometre yükseklikte var. Bu dağılıma güneş iklimi denir.
Güneş sabitinin yıl boyunca nasıl değiştiği ve buna bağlı olarak Dünya'ya gelen radyasyon miktarı bilinmektedir. Dünya'nın Güneş'e olan gerçek mesafesi için güneş sabitini belirlersek, o zaman yıllık ortalama değeri 1.98 cal/cm2 dak. 2.05 cal/cm2 dk'ya eşit olacaktır. Ocak ayında 1,91 cal/cm2 dk. Temmuzda.
Bu nedenle, bir yaz günü boyunca kuzey yarımküre, atmosferin sınırında, yaz günü boyunca güney yarımküreden biraz daha az radyasyon alır.
Atmosfer sınırında günde alınan radyasyon miktarı, yılın zamanına ve yerin enlemine bağlıdır. Her enlem altında mevsim, radyasyon akışının süresini belirler. Ancak farklı enlemler altında, günün gündüz bölümünün aynı anda süresi farklıdır.
Kutupta yazın güneş hiç batmaz, kışın ise 6 ay hiç doğmaz. Kutup ile Kuzey Kutup Dairesi arasında, altı aydan bir güne kadar güneş yazın batmaz, kışın da doğmaz. Ekvatorda gündüz her zaman 12 saat sürer. Kuzey Kutup Dairesi'nden ekvatora doğru gündüz saatleri yazın azalır, kışın artar.
Ancak yatay bir yüzey üzerindeki güneş radyasyonu akışı, yalnızca günün uzunluğuna değil, aynı zamanda güneşin yüksekliğine de bağlıdır. Birim yatay yüzey başına atmosferin sınırına ulaşan radyasyon miktarı, güneşin yüksekliğinin sinüsü ile orantılıdır. Ve güneşin yüksekliği sadece gün boyunca her yerde değişmez, aynı zamanda yılın zamanına da bağlıdır. Ekvatorda güneşin yüksekliği yıl boyunca 90 ila 66,5°, tropiklerde 90 ila 43°, kutup dairelerinde 47 ila 0° ve kutuplarda 23,5 ila 0° arasında değişir.
Dünyanın küreselliği ve ekvator düzleminin ekliptik düzlemine eğimi, atmosferin sınırındaki enlemler üzerinde karmaşık bir radyasyon akışı dağılımı ve yıl içindeki değişiklikleri yaratır.
Kışın ekvatordan direğe radyasyon akışı çok hızlı azalır, yaz aylarında çok daha yavaş azalır. Bu durumda, yaz aylarında maksimum tropikte gözlenir ve tropik bölgeden ekvatora radyasyon akışı biraz azalır. Yazın tropik ve kutup enlemleri arasındaki radyasyon akışındaki küçük fark, kutup enlemlerinde güneşin yüksekliklerinin yaz aylarında tropiklere göre daha düşük olmasına rağmen, günün uzunluğunun uzun olması gerçeğiyle açıklanır. Yaz gündönümü gününde, bu nedenle, atmosferin yokluğunda, kutup ekvatordan daha fazla radyasyon alacaktır. Bununla birlikte, dünya yüzeyinin yakınında, radyasyonun atmosfer tarafından zayıflaması, bulutlar tarafından yansıması vb. nedeniyle, kutup enlemlerinde yaz radyasyon akışı, düşük enlemlerden önemli ölçüde daha azdır.
Tropiklerin dışındaki atmosferin üst sınırında, yaz gündönümü sırasında bir yıllık maksimum radyasyon ve kış gündönümü sırasında bir minimum radyasyon vardır. Ancak tropik bölgeler arasında, radyasyon akışının yılda iki maksimumu vardır, bu, güneşin en yüksek öğlen yüksekliğine ulaştığı zamanlara atfedilebilir. Ekvatorda, bu ekinoks günlerinde, diğer intratropik enlemlerde - ilkbahardan sonra ve sonbahar ekinoksundan önce, ekinoksların zamanlamasından uzaklaşarak, enlem o kadar büyük olur. Ekvatordaki yıllık değişimin genliği küçüktür, tropiklerin içinde küçüktür; ılıman ve yüksek enlemlerde çok daha büyüktür.
Dünya üzerindeki ısı ve ışığın dağılımı
Güneş, Dünya gezegeni için muazzam miktarda ısı ve kör edici ışığın kaynağı olan güneş sisteminin yıldızıdır. Güneş'in bizden oldukça uzakta olmasına ve radyasyonunun sadece küçük bir kısmının bize ulaşmasına rağmen, bu, Dünya'daki yaşamın gelişimi için oldukça yeterlidir. Gezegenimiz güneşin etrafında bir yörüngede dönmektedir. Dünya yıl boyunca bir uzay aracından gözlemlenirse, Güneş'in her zaman Dünya'nın sadece bir yarısını aydınlattığı, dolayısıyla orada gündüz olacağı ve o zaman diğer yarısında gece olacağı fark edilebilir. Dünya yüzeyi sadece gündüzleri ısı alır.
Dünyamız dengesiz bir şekilde ısınıyor. Dünyanın eşit olmayan ısınması, küresel şekli ile açıklanır, bu nedenle güneş ışınlarının farklı alanlarda gelme açısı farklıdır, bu da Dünya'nın farklı bölümlerinin farklı miktarlarda ısı aldığı anlamına gelir. Ekvatorda güneş ışınları dikey olarak düşer ve Dünya'yı büyük ölçüde ısıtır.Ekvatordan uzaklaştıkça ışının geliş açısı küçülür ve sonuç olarak bu bölgeler daha az ısı alır. Güneş ışınımının aynı güç ışını, dikey olarak düştüğü için ekvator yakınında çok daha küçük bir alanı ısıtır. Ek olarak, ekvatordan daha küçük bir açıyla düşen, atmosfere nüfuz eden ışınlar, içinde daha uzun bir yol kat eder, bunun sonucunda güneş ışınlarının bir kısmı troposferde dağılır ve dünya yüzeyine ulaşmaz. Bütün bunlar, ekvatordan kuzeye veya güneye doğru gidildikçe, güneş ışınının gelme açısı azaldıkça hava sıcaklığının düştüğünü gösterir.
Dünya yüzeyinin ısınma derecesi, dünyanın ekseninin, Dünya'nın Güneş etrafında 66,5 ° 'lik bir açıyla tam bir devrim yaptığı yörünge düzlemine eğimli olması gerçeğinden de etkilenir ve her zaman tarafından yönlendirilir. kuzey ucu Kutup Yıldızı'na doğru.
Güneş'in etrafında hareket eden Dünya'nın, Dünya'nın ekseninin dönme yörüngesinin düzlemine dik olduğunu hayal edin. O zaman farklı enlemlerdeki yüzey yıl boyunca sabit miktarda ısı alır, güneş ışınlarının geliş açısı her zaman sabit olur, gündüz her zaman geceye eşit olur, mevsimler değişmezdi. Ekvatorda, bu koşullar günümüzden çok az farklı olacaktır. Dünyanın ekseninin eğimi, tam olarak ılıman enlemlerde, dünya yüzeyinin ve dolayısıyla tüm iklimin ısınması üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
Yıl boyunca, yani Dünya'nın Güneş etrafındaki tam dönüşü sırasında dört gün özellikle dikkat çekicidir: 21 Mart, 23 Eylül, 22 Haziran, 22 Aralık.
Tropikler ve kutup çemberleri, Dünya yüzeyini güneş aydınlatması ve Güneş'ten alınan ısı miktarında farklılık gösteren kuşaklara böler. 5 aydınlatma bölgesi vardır: az ışık ve ısı alan kuzey ve güney kutup bölgeleri, sıcak iklime sahip tropik bölge ve kutup bölgelerine göre daha fazla ışık ve ısı alan kuzey ve güney ılıman bölgeler. tropikal olanlar.
Sonuç olarak, genel bir sonuç çıkarabiliriz: Dünya yüzeyinin eşit olmayan ısınması ve aydınlatılması, Dünyamızın küreselliği ve dünyanın ekseninin Güneş etrafındaki dönme yörüngesine 66,5 ° 'ye kadar olan eğimi ile ilişkilidir.
Sıcak kayada, betonda, çakıllarda vb. ısı birikimi.
Su, en yüksek ısı kapasitelerinden birine sahiptir - 4.2 J / cm3 * K, beton ise bu değerin sadece üçte birine sahiptir. Öte yandan beton, örneğin elektrikli ısıtma ile 1200C gibi çok daha yüksek sıcaklıklara ısıtılabilir ve dolayısıyla çok daha yüksek bir toplam kapasiteye sahiptir. Aşağıdaki örnekten yola çıkarak, yaklaşık 2,8 m çapında bir yalıtımlı küp, bir ev için ısıtma talebinin %50'sini karşılamaya yetecek kadar depolanmış ısı sağlayabilir. Prensip olarak, bu, elektrikli ısıtmanın yüksek sıcaklıklara ulaşma kabiliyeti nedeniyle fazla rüzgar veya fotovoltaik termal enerjiyi depolamak için kullanılabilir.
İlçe düzeyinde, Almanya'nın Friedrichshafen kentindeki Wiggenhausen-Süd projesi uluslararası ilgi gördü. Bu, 4.300 m2'lik (46.000 m2) bir alana bağlı 12.000 m3 (420.000 cu.ft.) betonarme ısı depolama ünitesidir.
ft.), 570 evin sıcak su ve ısıtma ihtiyacının yarısını karşılıyor. Siemens, Hamburg yakınlarında 600C'ye ısıtılan ve 1,5 MW güç üreten bazalttan oluşan 36 MWh kapasiteli bir ısı depolama tesisi kuruyor. Benzer bir sistem Danimarka'nın Sorø şehrinde de inşa edilmesi planlanıyor, burada 18 MWh kapasiteli depolanan ısının %41-58'i şehrin bölgesel ısıtmasına, %30-41'i ise elektrik olarak aktarılacak.
Güneş enerjisiyle ısıtmanın geri ödemesi nasıl hesaplanır
Aşağıdaki tablodan yararlanarak güneş kollektörleri kullanıldığında ısınma giderlerinizin ne kadar azalacağını, bu sistemin ne kadar sürede amorti edebileceğini ve çeşitli çalışma periyotlarında ne gibi faydalar elde edilebileceğini hesaplayabilirsiniz. Bu model Primorsky Krayı için geliştirilmiştir, ancak Habarovsk Krayı, Amur Oblastı, Sahalin, Kamçatka ve güney Sibirya'da güneş enerjisiyle ısıtmanın kullanımını tahmin etmek için de kullanılabilir.Bu durumda, güneş kollektörlerinin daha yüksek enlemlerde Aralık-Ocak aylarında daha az etkisi olacaktır, ancak daha uzun ısıtma mevsimi göz önüne alındığında, genel faydalar daha az olmayacaktır.
İlk tabloya evinizin parametrelerini, ısıtma sistemini ve enerji fiyatlarını girin. Yeşil olarak işaretlenmiş tüm alanlar değiştirilebilir ve mevcut veya planlanmış bir evi simüle edebilir.
İlk olarak, ilk sütuna evinizin ısıtılan alanını girin.
Ardından uygun değerleri seçerek binanın ısı yalıtım kalitesini ve ısıtma yöntemini değerlendirin.
Aile üyelerinin sayısını ve sıcak su tüketimini belirtin - bu, güneş kollektörlerinin sıcak su temininin faydalarını değerlendirmeye yardımcı olacaktır.
Her zamanki ısıtma enerji kaynağınız için fiyatları girin - elektrik, dizel veya kömür.
Evinizde ısıtma ile uğraşan bir aile üyesinin olağan gelirinin değerini girin. Bu, ısıtma sezonu için işçilik maliyetlerinin tahmin edilmesine yardımcı olur ve kömürün getirilmesi ve boşaltılması, fırına atılması, külün atılması vb. gereken yerlerde katı yakıt sistemleri için özellikle önemli bir rol oynar.
Güneş kollektör sistemi fiyatı sizin belirleyeceğiniz bina parametrelerine göre otomatik olarak belirlenecektir. Bu fiyat yaklaşıktır - güneş enerjisiyle ısıtma ekipmanının gerçek kurulum maliyetleri ve parametreleri farklılık gösterebilir ve her durumda uzmanlar tarafından ayrı ayrı hesaplanır.
"Kurulum Maliyetleri" sütununda, mevcut veya planlanan geleneksel bir ısıtma sisteminin ekipman ve kurulum maliyetini girebilirsiniz.
Sistem zaten kuruluysa "0" girebilirsiniz.
Isıtma sezonu için harcama miktarına dikkat edin ve normal harcamalarınızla karşılaştırın. Farklıysa, ayarları değiştirmeyi deneyin.
“Sezon başına ısıtma maliyetleri” sütununda, kömürle çalışan ısıtma sistemleri, işçilik maliyetlerinin parasal değerini dikkate alır. Bunları hesaba katmak istemiyorsanız, ısıtmayla uğraşan bir aile üyesinin gelirinin değerini azaltabilirsiniz. Akaryakıt sistemleri için işçilik maliyetleri daha az dikkate alınır ve elektrikli kazan sistemleri için dikkate alınmaz. Güneş kollektörlerinin ayarı otomatik olarak yapılır ve sürekli dikkat gerektirmez.
"Ömür boyu" sütununda, varsayılan değer 20 yıldır - bu, güneş kollektörlü güneş enerjisi ısıtma sistemlerinin olağan ömrüdür. Çalışma koşullarına bağlı olarak güneş kollektörleri bu süreden daha uzun süre dayanabilmektedir. Kullanım ömrünü değiştirebilirsiniz; aşağıdaki grafik, kurulum ve bakım maliyetleri ile ısıtma için güneş kollektörleri kullanmanın yararları arasındaki farkı yansıtacaktır. Böylece ısıtma maliyetlerinin ne kadar azalacağını ve bu farkın ne kadar süreyle güneş kollektörü kurulum maliyetlerini karşılamayı mümkün kıldığını göreceksiniz.
Nihai sonuçlar yaklaşıktır, ancak bir güneş enerjisi ısıtma sisteminin ne kadara mal olabileceği ve kendisi için ne kadar süre ödeyebileceği konusunda iyi bir fikir verir.
Güneş kollektörleri, yerden ısıtma sistemleri kullanılarak ve binanın ısı yalıtımının iyileştirilmesiyle ısıtma sezonu maliyetlerinin önemli ölçüde azaltılabileceğini lütfen unutmayın. Ayrıca bina önceden güneş enerjisiyle ısıtma ve eko-ev teknolojileri kullanılarak tasarlanırsa, ısıtma maliyetleri azaltılabilir.
svetdv.ru
güneş ısısı nedir
Eski zamanlardan beri insanlar Güneş'in yaşamlarındaki rolünün çok iyi farkındalar. Hemen hemen tüm milletlerde, tüm canlılara hayat ve ışık veren ana ilahlardan biri veya ana tanrılardan biri olarak hareket etti. Bugün insanlık, güneşin sıcaklığının nereden geldiği konusunda çok daha iyi bir fikre sahip.
Bilim açısından Güneşimiz, tüm gezegen sistemimizin ışığı olan sarı bir yıldızdır.Enerjisini çekirdekten - milyonlarca dereceyle ölçülen bir sıcaklıkta hayal edilemez güçte termonükleer füzyon reaksiyonlarının gerçekleştiği devasa bir sıcak topun orta kısmından alır. Çekirdeğin yarıçapı, Güneş'in toplam yarıçapının dörtte birinden fazla değildir, ancak çekirdekte, küçük bir kısmı gezegenimizdeki yaşamı desteklemek için yeterli olan radyan enerji üretilir.
Salınan enerji, konvektif bölgeden Güneş'in dış katmanlarına girer ve yıldızın yayılan yüzeyi olan fotosfere ulaşır. Fotosferin sıcaklığı 6.000 dereceye yaklaşıyor, gezegenimizin aldığı radyan enerjiyi uzaya dönüştüren ve yayan odur. Aslında, Güneş'i oluşturan yıldız plazmasının kademeli, yavaş yanması nedeniyle yaşıyoruz.
Güneş radyasyonunun spektral bileşimi
0.1 ile 4 mikron arasındaki dalga boyu aralığı, güneş ışınımının toplam enerjisinin %99'unu oluşturur. X-ışınları ve radyo dalgalarına kadar daha kısa ve daha uzun dalga boylarına sahip radyasyon için sadece %1 kalır.
Görünür ışık, yalnızca 0.40 ila 0.75 mikron arasında dar bir dalga boyu aralığını kaplar. Ancak bu aralık, tüm güneş ışınım enerjisinin neredeyse yarısını (%46) içerir. Hemen hemen aynı miktar (%47) kızılötesi ışınlarda, kalan %7'si ise ultraviyole ışınlardadır.
Meteorolojide, kısa dalga ve uzun dalga radyasyonu arasında ayrım yapmak gelenekseldir. Kısa dalga radyasyonu, 0,1 ila 4 mikron dalga boyu aralığında radyasyon olarak adlandırılır. Görünür ışığa ek olarak, dalga boylarında kendisine en yakın olan ultraviyole ve kızılötesi radyasyonu içerir. Güneş radyasyonu, bu tür kısa dalga radyasyonunun% 99'udur. Uzun dalga radyasyonu, 4 ila 100-120 mikron arasında dalga boylarına sahip dünya yüzeyinin ve atmosferin radyasyonunu içerir.
Doğrudan güneş radyasyonunun yoğunluğu
Güneş diskinden doğrudan dünya yüzeyine gelen radyasyona, atmosferde saçılan radyasyonun aksine doğrudan güneş radyasyonu denir. Güneş radyasyonu Güneş'ten her yöne yayılır. Ancak Dünya'dan Güneş'e olan mesafe o kadar büyüktür ki, doğrudan radyasyon, Dünya üzerindeki herhangi bir yüzeye, sanki sonsuzdan yayılan paralel ışın demeti şeklinde düşer. Bir bütün olarak küre bile Güneş'e olan uzaklığı ile karşılaştırıldığında o kadar küçüktür ki, üzerine düşen tüm güneş radyasyonu, gözle görülür bir hata olmaksızın paralel ışın demeti olarak kabul edilebilir.
Doğrudan güneş radyasyonunun dünya yüzeyine veya atmosferdeki herhangi bir yüksek seviyeye akması, radyasyonun yoğunluğu ile karakterize edilir. Benceyani, güneş ışınlarına dik olarak birim alan (bir santimetre kare) başına birim zaman (bir dakika) başına giren ışıma enerjisi miktarı.
Pirinç. 1. Güneş ışınımının ışınlara dik yüzeye akması (AB) ve yatay bir yüzeyde (AC).
Güneş ışınlarına dik olarak yerleştirilmiş bir birim alanın, verilen koşullar altında mümkün olan maksimum radyasyon miktarını alacağını anlamak kolaydır. Bir yatay alan birimi, daha az miktarda radyan enerjiye sahip olacaktır:
ben' = günah işliyorum
nerede H güneşin yüksekliğidir (Şekil 1).
Tüm enerji türleri karşılıklı olarak eşdeğerdir. Bu nedenle, radyan enerji, örneğin termal veya mekanik olarak herhangi bir tür enerji biriminde ifade edilebilir. Bunu termal birimlerle ifade etmek doğaldır, çünkü ölçüm cihazları radyasyonun termal etkisine dayanır: neredeyse tamamen cihazda emilen radyan enerji, ölçülen ısıya dönüştürülür. Böylece, doğrudan güneş ışınımının yoğunluğu, dakikada santimetre kare başına kalori (cal/cm2min) olarak ifade edilecektir.
Güç üretimi
Güneş enerjisi, güneş ışığını elektriğe dönüştürerek çalışır.Bu, doğrudan fotovoltaik kullanarak veya merceklerin ve aynaların güneş ışığını geniş bir alandan ince bir ışın halinde topladığı ve bir izleme mekanizmasının Güneş'in konumunu izlediği konsantre güneş enerjisi sistemleri kullanılarak dolaylı olarak olabilir. Fotovoltaik, fotoelektrik etkiyi kullanarak ışığı elektriğe dönüştürür.
Güneş enerjisinin 2050 yılına kadar en büyük elektrik kaynağı olacağı ve fotovoltaik ve konsantre güneş enerjisinin küresel elektrik üretiminin sırasıyla %16 ve %11'ini oluşturması bekleniyor.
Konsantre güneş enerjisi kullanan ticari enerji santralleri ilk olarak 1980'lerde ortaya çıktı. 1985'ten sonra, Mojave Çölü'nde (California) bu tip bir 354 MW SEGS kurulumu dünyanın en büyük güneş enerjisi santrali oldu. Bu tipteki diğer güneş enerjisi santralleri, her ikisi de İspanya'da bulunan Solnova (150 MW) ve Andasol'u (100 MW) içerir. En büyük fotovoltaik enerji santralleri (İngilizce) arasında ABD'de Agua Caliente Solar Projesi (250 MW) ve Hindistan'da Charanka Solar Park (221 MW) bulunmaktadır. 1 GW'ın üzerindeki projeler geliştirme aşamasındadır, ancak 5 kW'a kadar olan fotovoltaik kurulumların çoğu küçük ve çatılıdır.2013 itibariyle, güneş enerjisi küresel şebekedeki elektriğin %1'inden daha azını oluşturuyordu.
Güneş radyasyonu türleri
Atmosferde, yeryüzüne ulaşan güneş radyasyonu kısmen emilir ve kısmen bulutlardan ve dünya yüzeyinden saçılır ve yansıtılır. Atmosferde üç tür güneş radyasyonu gözlenir: doğrudan, dağınık ve toplam.
Doğrudan güneş radyasyonu - doğrudan güneş diskinden dünya yüzeyine gelen radyasyon. Güneş radyasyonu Güneş'ten her yöne yayılır. Ancak Dünya'dan Güneş'e olan mesafe o kadar büyüktür ki, doğrudan radyasyon, Dünya üzerindeki herhangi bir yüzeye, sanki sonsuzdan yayılan paralel ışın demeti şeklinde düşer. Bir bütün olarak tüm dünya bile Güneş'e olan mesafeye kıyasla o kadar küçüktür ki, üzerine düşen tüm güneş radyasyonu, gözle görülür bir hata olmadan paralel ışın demeti olarak kabul edilebilir.
Sadece doğrudan radyasyon atmosferin üst sınırına ulaşır. Dünyaya gelen radyasyonun yaklaşık %30'u uzaya yansır. Oksijen, nitrojen, ozon, karbondioksit, su buharı (bulutlar) ve aerosol parçacıkları atmosferdeki doğrudan güneş radyasyonunun %23'ünü emer. Ozon, ultraviyole ve görünür radyasyonu emer. Havadaki içeriği çok küçük olmasına rağmen, tüm ultraviyole radyasyonu emer (yaklaşık% 3)
Bu nedenle, Dünya'daki yaşam için çok önemli olan dünya yüzeyinde hiç gözlenmez.
Atmosferden geçerken doğrudan güneş radyasyonu da saçılır. Elektromanyetik dalga yolunda bulunan bir hava parçacığı (damla, kristal veya molekül), gelen dalgadan sürekli olarak enerji "ayırır" ve onu her yöne yeniden yayarak bir enerji yayıcı haline gelir.
Atmosferden geçen toplam güneş radyasyonu akısının enerjisinin yaklaşık %25'i atmosferik gaz molekülleri ve aerosol tarafından dağıtılır ve atmosferde saçılan güneş radyasyonuna dönüştürülür. Bu nedenle, saçılan güneş radyasyonu, atmosferde saçılmaya uğrayan güneş radyasyonudur. Saçılan radyasyon güneş diskinden değil, tüm gökkubbeden yeryüzüne gelir. Saçılan radyasyon, spektral bileşiminde doğrudan radyasyondan farklıdır, çünkü farklı dalga boylarındaki ışınlar farklı derecelerde saçılır.
Yayılan radyasyonun birincil kaynağı doğrudan güneş radyasyonu olduğundan, yayılan radyasyon akışı, doğrudan radyasyon akışını etkileyen aynı faktörlere bağlıdır. Özellikle, Güneş'in yüksekliği arttıkça saçılan radyasyon akışı artar ve bunun tersi de geçerlidir.Aynı zamanda atmosferdeki saçılan parçacıkların sayısındaki artışla da artar, yani. atmosferin şeffaflığında bir azalma ile ve atmosferin üstteki katmanlarında saçılan parçacıkların sayısındaki azalma nedeniyle deniz seviyesinden yükseklikle azalır. Bulutluluk ve kar örtüsü, yayılan radyasyon üzerinde çok büyük bir etkiye sahiptir; bu, üzerlerine gelen doğrudan ve dağınık radyasyonun saçılması ve yansıması ve atmosferde yeniden saçılması nedeniyle, dağınık güneş radyasyonunu birkaç kat artırabilir.
Dağınık radyasyon, doğrudan güneş radyasyonunu önemli ölçüde destekler ve güneş enerjisinin dünya yüzeyine akışını önemli ölçüde artırır. Rolü özellikle kışın yüksek enlemlerde ve dağınık radyasyonun doğrudan radyasyonun payını aşabileceği yüksek bulutlu diğer bölgelerde büyüktür. Örneğin, yıllık güneş enerjisi miktarında saçılan radyasyon, Arkhangelsk'te %56 ve St. Petersburg'da %51'dir.
Toplam güneş radyasyonu, yatay bir yüzeye gelen doğrudan ve dağınık radyasyon akılarının toplamıdır. Gün doğumundan önce ve gün batımından sonra, sürekli bulutlu gündüz olduğu gibi, toplam radyasyon tamamen ve Güneş'in düşük irtifalarında esas olarak saçılmış radyasyondan oluşur. Bulutsuz veya hafif bulutlu bir gökyüzünde, Güneş'in yüksekliğindeki bir artışla, toplamın bileşimindeki doğrudan radyasyonun oranı hızla artar ve gündüz akışı, saçılan radyasyon akışından birçok kat daha fazladır. Bulutluluk ortalama olarak toplam radyasyonu zayıflatır (%20-30), ancak güneş diskini kaplamayan kısmi bulutlulukta akısı bulutsuz bir gökyüzünden daha büyük olabilir. Kar örtüsü, saçılan radyasyon akışını artırarak toplam radyasyon akışını önemli ölçüde artırır.
Dünya yüzeyine düşen toplam radyasyon, çoğunlukla toprağın üst tabakası veya daha kalın bir su tabakası tarafından emilir (soğurulan radyasyon) ve ısıya dönüşür ve kısmen yansıtılır (yansıyan radyasyon).
Termal kayışlar
Dünya yüzeyine giren güneş radyasyonu miktarına bağlı olarak, dünya üzerinde 7 termal bölge ayırt edilir: sıcak, iki orta, iki soğuk ve iki sonsuz don bölgesi. Termal bölgelerin sınırları izotermlerdir. Sıcak kuşak kuzeyden ve güneyden yıllık ortalama +20°С izotermleriyle sınırlanmıştır (Şekil 9). Sıcak bölgenin kuzey ve güneyindeki iki ılıman bölge, ekvator tarafından yıllık ortalama +20 ° С izotermi ve yüksek enlemler tarafından +10 ° С izotermi ile sınırlıdır (ortalama hava sıcaklığı en sıcak aylar kuzeyde temmuz ve güney yarım kürede ocaktır). Kuzey sınırı yaklaşık olarak orman dağılım sınırı ile örtüşmektedir. Kuzey ve Güney Yarımküre'deki ılıman bölgenin kuzey ve güneyindeki iki soğuk bölge, en sıcak ayın +10°C ve 0°C izotermleri arasında yer alır. İki sonsuz don kuşağı, soğuk kuşaklardan en sıcak ayın 0°C izotermiyle sınırlanır. Sonsuz kar ve buz diyarı Kuzey ve Güney Kutuplarına kadar uzanır.
Doğrudan güneş radyasyonunun ölçüm sonuçları
Atmosferin şeffaflığı değişmezken, doğrudan güneş ışınımının yoğunluğu atmosferin optik kütlesine, yani nihayetinde güneşin yüksekliğine bağlıdır. Bu nedenle, gün içinde güneş radyasyonu önce hızlı bir şekilde artmalı, sonra gün doğumundan öğlene kadar daha yavaş, öğleden gün batımına kadar önce yavaş, sonra hızla azalmalıdır.
Ancak gün içindeki atmosferin şeffaflığı belirli sınırlar içinde değişmektedir. Bu nedenle, tamamen bulutsuz bir günde bile gündüz radyasyon seyrinin eğrisi bazı düzensizlikler gösterir.
Öğle saatlerinde radyasyon yoğunluğundaki farklılıklar, esas olarak, kışın yaza göre daha düşük olan güneşin öğlen yüksekliğindeki farklılıklardan kaynaklanmaktadır. Ilıman enlemlerde minimum yoğunluk, güneşin en düşük olduğu Aralık ayında gerçekleşir. Ancak maksimum yoğunluk yaz aylarında değil, ilkbahardadır.Gerçek şu ki, ilkbaharda hava yoğuşma ürünleri tarafından en az bulutlu ve az tozludur. Yaz aylarında, tozlanma artar ve atmosferdeki su buharı içeriği de artar, bu da radyasyon yoğunluğunu bir şekilde azaltır.
Bazı noktalar için maksimum doğrudan radyasyon şiddeti değerleri aşağıdaki gibidir (cal/cm2dk olarak): Tiksi Bay 1.30, Pavlovsk 1.43, Irkutsk 1.47, Moskova 1.48, Kursk 1.51, Tiflis 1.51, Vladivostok 1, 46, Taşkent 1.52.
Bu verilerden, güneşin yüksekliğindeki artışa rağmen, azalan coğrafi enlem ile radyasyon yoğunluğunun maksimum değerlerinin çok az büyüdüğü görülebilir. Bu, nem içeriğindeki artışla ve kısmen güney enlemlerinde havanın tozlanmasıyla açıklanmaktadır. Ekvatorda, maksimum radyasyon değerleri, ılıman enlemlerin yaz maksimumunu büyük ölçüde aşmaz. Subtropikal çöllerin (Sahra) kuru havasında ise 1.58 cal/cm2 dk kadar değerler gözlendi.
Deniz seviyesinden yükseklikle, güneşin aynı yüksekliğinde atmosferin optik kütlesindeki azalma nedeniyle maksimum radyasyon değerleri artar. Her 100 m yükseklikte troposferdeki radyasyon şiddeti 0,01-0,02 cal/cm2 dak artar. Dağlarda gözlemlenen maksimum radyasyon şiddeti değerlerinin 1,7 cal/cm2 dk ve daha fazlasına ulaştığını daha önce söylemiştik.