Tính toán bộ thu năng lượng mặt trời phẳng
Thực tế cho thấy rằng trung bình 900 W năng lượng nhiệt trên một mét vuông bề mặt được lắp đặt vuông góc với ánh sáng mặt trời (bầu trời không có mây). Chúng tôi sẽ tính SC trên cơ sở một mô hình có diện tích 1 m². Mặt trước màu đen mờ (hấp thụ gần 100% nhiệt năng). Mặt sau được cách nhiệt bằng một lớp polystyrene mở rộng 10 cm. Yêu cầu tính toán các tổn thất nhiệt xảy ra ở mặt trái, mặt râm. Hệ số cách nhiệt của polystyrene mở rộng - 0,05 W / m × độ. Biết chiều dày và giả sử rằng sự chênh lệch nhiệt độ ở hai phía đối diện của vật liệu là 50 độ, ta tính được nhiệt mất mát:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Dự kiến sẽ có những tổn thất tương tự từ đầu và ống dẫn, tức là tổng số tiền sẽ là 50 watt. Bầu trời không có mây là rất hiếm và ảnh hưởng của cặn bẩn lên bộ thu nhiệt cũng cần được tính đến. Do đó, chúng ta sẽ giảm lượng nhiệt năng trên 1 m² xuống 800 W. Nước được sử dụng làm chất mang nhiệt trong SC phẳng có nhiệt dung là 4200 J / kg × độ hoặc 1,16 W / kg × độ. Điều này có nghĩa là để tăng nhiệt độ của một lít nước lên một độ, thì cần 1,16 W năng lượng. Với những tính toán này, chúng tôi thu được giá trị sau cho mô hình thu năng lượng mặt trời có diện tích 1 m² của chúng tôi:
Chúng tôi làm tròn để thuận tiện lên đến 700 / kg × độ. Biểu thức này cho biết lượng nước có thể được đun nóng trong bộ thu nhiệt (kiểu 1 m²) trong một giờ. Điều này không tính đến sự mất nhiệt từ mặt trước, sẽ tăng lên khi nó ấm lên. Những tổn thất này sẽ hạn chế sự gia nhiệt của chất làm mát trong bộ thu năng lượng mặt trời trong khoảng 70-90 độ. Về vấn đề này, giá trị 700 có thể được áp dụng cho nhiệt độ thấp (từ 10 đến 60 độ). Tính toán của bộ thu năng lượng mặt trời cho thấy một hệ thống 1 m² có khả năng làm nóng 10 lít nước ở 70 độ, khá đủ để cung cấp nước nóng cho một ngôi nhà. Bạn có thể giảm thời gian đun nước bằng cách giảm thể tích của tấm thu năng lượng mặt trời mà vẫn giữ nguyên diện tích của nó. Nếu số lượng người sống trong ngôi nhà cần lượng nước lớn hơn, nên sử dụng một số bộ thu gom của khu vực này, được kết nối thành một hệ thống. Để ánh sáng mặt trời tác động lên bộ tản nhiệt hiệu quả nhất có thể, bộ thu phải được định hướng ở một góc với đường chân trời bằng vĩ độ của khu vực. Điều này đã được thảo luận trong bài viết Làm thế nào để tính toán công suất của các tấm pin mặt trời, nguyên tắc tương tự được áp dụng. Trung bình cần 50 lít nước nóng để đảm bảo sinh hoạt cho một người. Cho biết nước trước khi đun có nhiệt độ khoảng 10 ° C, hiệu số nhiệt độ là 70 - 10 = 60 ° C. Nhiệt lượng cần thiết để đun nóng nước như sau:
W = Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW năng lượng.
Chia W cho lượng năng lượng mặt trời trên 1 m² bề mặt trong một khu vực nhất định (dữ liệu từ các trung tâm khí tượng thủy văn), chúng ta được diện tích bộ thu. Việc tính toán một bộ thu năng lượng mặt trời để sưởi ấm được thực hiện theo cách tương tự. Nhưng khối lượng nước (chất làm mát) cần nhiều hơn, điều này phụ thuộc vào thể tích của căn phòng được sưởi ấm. Có thể kết luận rằng việc nâng cao hiệu quả của loại hệ thống đun nước nóng này có thể đạt được bằng cách giảm thể tích và đồng thời tăng diện tích.
Công nghệ nước đá
Một số công nghệ đang được phát triển trong đó nước đá được sản xuất trong thời gian thấp điểm và sau đó được sử dụng để làm mát. Ví dụ, điều hòa không khí có thể được thực hiện tiết kiệm hơn bằng cách sử dụng điện giá rẻ vào ban đêm để đóng băng nước và sau đó sử dụng năng lượng làm lạnh của đá vào ban ngày để giảm lượng năng lượng cần thiết để duy trì điều hòa không khí. Việc lưu trữ nhiệt năng bằng nước đá sử dụng nhiệt lượng cao của quá trình nhiệt hạch của nước. Trong lịch sử, băng được vận chuyển từ các ngọn núi đến các thành phố để sử dụng làm chất làm mát. Một tấn nước theo hệ mét (= 1 m3) có thể lưu trữ 334 triệu jun (J) hoặc 317.000 đơn vị nhiệt Anh (93 kWh).Một đơn vị lưu trữ tương đối nhỏ có thể lưu trữ đủ đá để làm mát một tòa nhà lớn trong cả ngày hoặc tuần.
Ngoài việc sử dụng đá để làm mát trực tiếp, nó còn được sử dụng trong các máy bơm nhiệt cung cấp năng lượng cho các hệ thống sưởi ấm. Ở những khu vực này, sự thay đổi năng lượng theo pha tạo ra một lớp dẫn nhiệt rất nghiêm trọng, gần với ngưỡng nhiệt độ thấp hơn mà máy bơm nhiệt sử dụng nhiệt của nước có thể hoạt động. Điều này cho phép hệ thống xử lý tải nhiệt nặng nhất và tăng khoảng thời gian mà các phần tử nguồn năng lượng có thể trả lại nhiệt cho hệ thống.
Các phản ứng hóa học thu nhiệt và tỏa nhiệt
Công nghệ muối hydrat
Một ví dụ về công nghệ lưu trữ năng lượng thử nghiệm dựa trên năng lượng của các phản ứng hóa học là công nghệ dựa trên muối hydrat. Hệ thống sử dụng năng lượng của phản ứng được tạo ra trong trường hợp hydrat hóa hoặc khử nước của muối. Nó hoạt động bằng cách lưu trữ nhiệt trong một bể chứa 50% dung dịch natri hydroxit. Nhiệt (ví dụ, thu được từ bộ thu năng lượng mặt trời) được lưu trữ do sự bay hơi của nước trong phản ứng thu nhiệt. Khi thêm nước một lần nữa, nhiệt sẽ được giải phóng trong quá trình phản ứng tỏa nhiệt ở 50C (120F). Hiện tại, hệ thống hoạt động với hiệu suất 60%. Hệ thống này đặc biệt hiệu quả đối với việc lưu trữ nhiệt năng theo mùa, vì muối khô có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng trong thời gian dài mà không bị mất năng lượng. Các thùng chứa muối khử nước thậm chí có thể được vận chuyển đến các địa điểm khác nhau. Hệ thống có mật độ năng lượng cao hơn nhiệt lưu trữ trong nước và công suất của nó cho phép bạn lưu trữ năng lượng trong vài tháng hoặc thậm chí nhiều năm.
Năm 2013, nhà phát triển công nghệ TNO của Hà Lan đã trình bày kết quả của dự án MERITS để lưu trữ nhiệt trong thùng đựng muối. Nhiệt có thể được truyền từ bộ thu năng lượng mặt trời đến mái bằng sẽ làm bốc hơi nước có trong muối. Khi thêm nước lần nữa, nhiệt được tỏa ra mà hầu như không bị mất năng lượng. Một thùng chứa vài mét khối muối có thể tích trữ đủ nhiệt năng để sưởi ấm một ngôi nhà suốt mùa đông. Với nhiệt độ như ở Hà Lan, một trang trại chịu nhiệt trung bình sẽ cần năng lượng khoảng 6,7 GJ trong mùa đông. Để lưu trữ nhiều năng lượng đó trong nước (với nhiệt độ chênh lệch 70C) sẽ cần 23 m3 nước trong một bể cách nhiệt, nhiều hơn hầu hết các ngôi nhà có thể dự trữ. Với việc sử dụng công nghệ hydrat muối với mật độ năng lượng khoảng 1 GJ / m3, 4-8 m3 sẽ là đủ.
Tính đến năm 2016, các nhà nghiên cứu từ một số quốc gia đang tiến hành các thí nghiệm để xác định loại muối tốt nhất hoặc hỗn hợp muối. Áp suất thấp bên trong bình chứa dường như là tốt nhất để truyền điện. Đặc biệt hứa hẹn là các muối hữu cơ, được gọi là "chất lỏng ion". So với chất hấp thụ lithium halogen, chúng gây ra ít vấn đề hơn trong môi trường hạn chế về tài nguyên và so với hầu hết các halogen và natri hydroxit, chúng ít ăn da hơn và không có tác động tiêu cực thông qua phát thải carbon dioxide.
Liên kết hóa học phân tử
Hiện tại, khả năng tích trữ năng lượng trong các liên kết hóa học phân tử đang được nghiên cứu. Mật độ năng lượng tương đương với pin lithium-ion đã đạt được.
Sự phân bố bức xạ ở ranh giới của khí quyển
Đối với khí hậu học, câu hỏi về sự phân bố của dòng vào và trở lại của bức xạ trên toàn cầu đang được quan tâm đáng kể. Trước hết hãy xem xét sự phân bố của bức xạ mặt trời trên một bề mặt nằm ngang "ở ranh giới của khí quyển." Người ta cũng có thể nói: "trong trường hợp không có bầu không khí." Bằng cách này, chúng tôi giả định rằng không có sự hấp thụ hay tán xạ của bức xạ, cũng như sự phản xạ của nó bởi các đám mây. Sự phân bố bức xạ mặt trời ở ranh giới của khí quyển là đơn giản nhất.Nó thực sự tồn tại ở độ cao vài chục km. Sự phân bố này được gọi là khí hậu mặt trời.
Người ta biết rằng hằng số Mặt trời thay đổi như thế nào trong năm và do đó, lượng bức xạ đến Trái đất. Nếu chúng ta xác định hằng số Mặt trời cho khoảng cách thực của Trái đất từ Mặt trời, thì với giá trị trung bình hàng năm là 1,98 cal / cm2 phút. nó sẽ bằng 2,05 cal / cm2 phút. vào tháng Giêng và 1,91 cal / cm2 phút. trong tháng Bảy.
Do đó, bán cầu bắc trong ngày hè nhận được ít bức xạ hơn ở ranh giới khí quyển so với bán cầu nam trong ngày hè của nó.
Lượng bức xạ nhận được mỗi ngày ở ranh giới của khí quyển phụ thuộc vào thời gian trong năm và vĩ độ của nơi đó. Dưới mỗi vĩ độ, mùa xác định khoảng thời gian của dòng bức xạ. Nhưng ở các vĩ độ khác nhau, thời gian của phần ban ngày trong ngày tại cùng một thời điểm là khác nhau.
Ở Cực, mặt trời không lặn vào mùa hè, và không mọc trong 6 tháng vào mùa đông. Giữa Vòng Cực và Vòng Bắc Cực, mặt trời không lặn vào mùa hè và không mọc vào mùa đông trong khoảng thời gian từ sáu tháng đến một ngày. Ở xích đạo, ban ngày luôn kéo dài 12 giờ. Từ Vòng Bắc Cực đến xích đạo, số giờ ban ngày giảm vào mùa hè và tăng vào mùa đông.
Nhưng dòng bức xạ mặt trời trên bề mặt nằm ngang không chỉ phụ thuộc vào độ dài của ngày mà còn phụ thuộc vào độ cao của mặt trời. Lượng bức xạ đến ranh giới của khí quyển trên một đơn vị bề mặt nằm ngang tỷ lệ với sin của chiều cao mặt trời. Và độ cao của mặt trời không chỉ thay đổi ở từng nơi trong ngày mà còn phụ thuộc vào từng thời điểm trong năm. Chiều cao của mặt trời ở xích đạo thay đổi trong năm từ 90 đến 66,5 °, ở vùng nhiệt đới từ 90 đến 43 °, ở các vòng cực từ 47 đến 0 ° và ở các cực từ 23,5 đến 0 °.
Hình cầu của Trái đất và độ nghiêng của mặt phẳng xích đạo so với mặt phẳng của hoàng đạo tạo ra sự phân bố phức tạp của dòng bức xạ trên các vĩ độ tại ranh giới của khí quyển và những thay đổi của nó trong năm.
Vào mùa đông, dòng bức xạ giảm rất nhanh từ xích đạo về cực, vào mùa hè giảm chậm hơn nhiều. Trong trường hợp này, cực đại vào mùa hè được quan sát thấy ở vùng nhiệt đới, và dòng bức xạ giảm phần nào từ vùng nhiệt đới đến xích đạo. Sự khác biệt nhỏ trong dòng bức xạ giữa vĩ độ nhiệt đới và vĩ độ cực vào mùa hè được giải thích là do mặc dù độ cao của mặt trời ở vĩ độ cực vào mùa hè thấp hơn ở vùng nhiệt đới, nhưng độ dài của ngày lại dài. Do đó, vào ngày hạ chí, trong trường hợp không có khí quyển, cực sẽ nhận được nhiều bức xạ hơn xích đạo. Tuy nhiên, ở gần bề mặt trái đất, do sự suy giảm bức xạ của khí quyển, sự phản xạ của nó bởi các đám mây, v.v., dòng bức xạ vào mùa hè ở các vĩ độ cực ít hơn đáng kể so với ở các vĩ độ thấp hơn.
Ở ranh giới trên của khí quyển bên ngoài vùng nhiệt đới, có một bức xạ cực đại hàng năm vào thời điểm hạ chí và một cực tiểu vào thời điểm đông chí. Nhưng giữa các vùng nhiệt đới, dòng bức xạ có hai cực đại mỗi năm, do những thời điểm mặt trời đạt độ cao nhất vào buổi trưa. Tại đường xích đạo, đây sẽ là ngày của điểm phân, ở các vĩ độ nội nhiệt đới khác - sau mùa xuân và trước điểm phân mùa thu, di chuyển ra xa thời điểm của điểm phân, vĩ độ càng lớn. Biên độ biến thiên năm ở xích đạo nhỏ, bên trong chí tuyến nhỏ; ở vùng ôn đới và vĩ độ cao, nó lớn hơn nhiều.
Sự phân bố nhiệt và ánh sáng trên Trái đất
Mặt trời là ngôi sao của hệ mặt trời, là nguồn cung cấp một lượng nhiệt khổng lồ và ánh sáng chói mắt cho hành tinh Trái đất. Mặc dù thực tế là Mặt trời ở một khoảng cách đáng kể so với chúng ta và chỉ một phần nhỏ bức xạ của nó đến được với chúng ta, nhưng điều này là khá đủ cho sự phát triển của sự sống trên Trái đất. Hành tinh của chúng ta quay quanh mặt trời theo một quỹ đạo. Nếu Trái đất được quan sát từ tàu vũ trụ trong năm, thì người ta có thể nhận thấy rằng Mặt trời luôn chỉ chiếu sáng một nửa Trái đất, do đó, sẽ có ngày ở đó và lúc đó sẽ có đêm ở nửa đối diện. Bề mặt trái đất chỉ nhận nhiệt vào ban ngày.
Trái đất của chúng ta đang nóng lên không đều. Sự nóng lên không đều của Trái đất được giải thích là do nó có dạng hình cầu nên góc tới của tia sáng Mặt trời ở các khu vực khác nhau là khác nhau, điều đó có nghĩa là các phần khác nhau của Trái đất nhận được lượng nhiệt khác nhau. Tại đường xích đạo, tia sáng Mặt trời chiếu theo phương thẳng đứng, và chúng đốt nóng Trái đất rất nhiều.Càng xa xích đạo, góc tới của chùm tia càng nhỏ, và do đó, những vùng lãnh thổ này nhận ít nhiệt hơn. Cùng một chùm bức xạ mặt trời có công suất tương tự làm nóng một khu vực nhỏ hơn nhiều gần xích đạo, vì nó rơi theo phương thẳng đứng. Ngoài ra, các tia rơi ở một góc nhỏ hơn ở đường xích đạo, xuyên qua khí quyển, đi theo một con đường dài hơn trong đó, do đó một phần tia sáng mặt trời bị phân tán trong tầng đối lưu và không đến được bề mặt trái đất. Tất cả điều này chỉ ra rằng khi bạn di chuyển ra khỏi xích đạo về phía bắc hoặc phía nam, nhiệt độ không khí giảm, do góc tới của chùm sáng mặt trời giảm.
Mức độ nóng lên của bề mặt trái đất cũng bị ảnh hưởng bởi trục của trái đất nghiêng với mặt phẳng của quỹ đạo, theo đó Trái đất quay một vòng hoàn toàn quanh Mặt trời, với góc 66,5 ° và luôn hướng bởi đầu phía bắc hướng tới sao Cực.
Hãy tưởng tượng rằng Trái đất, chuyển động quanh Mặt trời, có trục của Trái đất vuông góc với mặt phẳng của quỹ đạo quay. Khi đó bề mặt ở các vĩ độ khác nhau sẽ nhận một lượng nhiệt không đổi trong năm, góc tới của tia sáng mặt trời luôn không đổi, ngày luôn bằng đêm, không có sự thay đổi theo mùa. Tại đường xích đạo, những điều kiện này sẽ khác một chút so với hiện tại. Độ nghiêng của trục trái đất có ảnh hưởng đáng kể đến sự nóng lên của bề mặt trái đất, và do đó ảnh hưởng đến toàn bộ khí hậu, chính xác là ở các vĩ độ ôn đới.
Trong năm, tức là, trong quá trình quay hoàn toàn của Trái đất quanh Mặt trời, có bốn ngày đặc biệt đáng chú ý: 21 tháng 3, 23 tháng 9, 22 tháng 6, 22 tháng 12.
Các vùng nhiệt đới và các vòng cực chia bề mặt Trái đất thành các vành đai khác nhau về sự chiếu sáng của Mặt trời và lượng nhiệt nhận được từ Mặt trời. Có 5 đới chiếu sáng: đới cực bắc và cực nam nhận ít ánh sáng và nhiệt, đới nhiệt đới có khí hậu nóng, đới ôn hòa bắc và nam nhận nhiều ánh sáng và nhiệt hơn đới cực nhưng ít hơn những người nhiệt đới.
Vì vậy, suy ra, chúng ta có thể rút ra một kết luận chung: sự phát nóng và chiếu sáng không đồng đều của bề mặt trái đất có liên quan đến hình cầu của Trái đất và với độ nghiêng của trục trái đất lên tới 66,5 ° so với quỹ đạo quay quanh Mặt trời.
Tích tụ nhiệt trong đá nóng, bê tông, đá cuội, v.v.
Nước có một trong những nhiệt dung cao nhất - 4,2 J / cm3 * K, trong khi bê tông chỉ có một phần ba giá trị này. Mặt khác, bê tông có thể được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiều là 1200C bằng cách đốt nóng bằng điện và do đó có công suất tổng thể cao hơn nhiều. Theo ví dụ dưới đây, một khối lập phương cách nhiệt có chiều ngang khoảng 2,8 m có thể cung cấp đủ nhiệt lượng dự trữ cho một ngôi nhà để đáp ứng 50% nhu cầu sưởi ấm. Về nguyên tắc, điều này có thể được sử dụng để lưu trữ gió dư thừa hoặc nhiệt năng quang điện do khả năng đốt nóng điện đạt đến nhiệt độ cao.
Ở cấp quận, dự án Wiggenhausen-Süd ở thành phố Friedrichshafen của Đức đã thu hút sự chú ý của quốc tế. Đây là một đơn vị lưu trữ nhiệt bằng bê tông cốt thép 12.000 m3 (420.000 cu.ft.) được kết nối với 4.300 m2 (46.000 sq.)
ft.), đáp ứng một nửa nhu cầu về nước nóng và sưởi ấm cho 570 ngôi nhà. Siemens đang xây dựng một cơ sở lưu trữ nhiệt gần Hamburg với công suất 36 MWh, bao gồm đá bazan được nung nóng đến 600C và tạo ra 1,5 MW điện. Một hệ thống tương tự được lên kế hoạch xây dựng ở thành phố Sorø của Đan Mạch, nơi 41-58% nhiệt lượng dự trữ với công suất 18 MWh sẽ được chuyển đến hệ thống sưởi của quận trong thành phố, và 30-41% là điện.
Cách tính toán hoàn vốn của hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời
Sử dụng bảng dưới đây, bạn có thể tính toán chi phí sưởi ấm của mình sẽ giảm được bao nhiêu khi sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời, hệ thống này có thể hoàn vốn trong bao lâu và những lợi ích có thể thu được qua các thời kỳ hoạt động khác nhau. Mô hình này được phát triển cho Primorsky Krai, nhưng cũng có thể được sử dụng để ước tính việc sử dụng hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời ở Khabarovsk Krai, Amur Oblast, Sakhalin, Kamchatka và nam Siberia.Trong trường hợp này, các bộ thu năng lượng mặt trời sẽ ít ảnh hưởng hơn vào tháng 12 đến tháng 1 ở vĩ độ cao hơn, nhưng lợi ích tổng thể sẽ không kém, do mùa sưởi dài hơn.
Trong bảng đầu tiên, hãy nhập các thông số của ngôi nhà, hệ thống sưởi và giá năng lượng của bạn. Tất cả các trường được đánh dấu màu xanh lá cây đều có thể được sửa đổi và mô phỏng một ngôi nhà hiện có hoặc đã được quy hoạch.
Đầu tiên, nhập khu vực được sưởi ấm của ngôi nhà của bạn trong cột đầu tiên.
Sau đó, đánh giá chất lượng của phương pháp cách nhiệt và sưởi ấm của tòa nhà bằng cách chọn các giá trị thích hợp.
Cho biết số lượng thành viên trong gia đình và mức tiêu thụ nước nóng - điều này sẽ giúp đánh giá lợi ích của việc cung cấp nước nóng của bộ thu năng lượng mặt trời.
Nhập giá cho nguồn năng lượng sưởi ấm thông thường của bạn - điện, dầu diesel hoặc than.
Nhập giá trị thu nhập thông thường của một thành viên gia đình tham gia vào việc sưởi ấm trong gia đình bạn. Điều này giúp ước tính chi phí lao động cho mùa sưởi ấm và đóng vai trò đặc biệt quan trọng đối với hệ thống nhiên liệu rắn, nơi cần vận chuyển và bốc dỡ than, ném vào lò, đổ tro, v.v.
Giá của hệ thống thu năng lượng mặt trời sẽ được xác định tự động, dựa trên các thông số của tòa nhà mà bạn đã chỉ định. Giá này là gần đúng - chi phí lắp đặt thực tế và các thông số của thiết bị sưởi năng lượng mặt trời có thể khác nhau và được các chuyên gia tính toán riêng trong từng trường hợp.
Trong cột "Chi phí Lắp đặt", bạn có thể nhập chi phí thiết bị và lắp đặt hệ thống sưởi truyền thống - hiện có hoặc dự kiến
Nếu hệ thống đã được cài đặt, bạn có thể nhập "0".
Chú ý đến số tiền chi tiêu cho mùa sưởi ấm và so sánh với chi phí thông thường của bạn. Nếu chúng khác nhau, hãy thử thay đổi cài đặt.
Trong cột “Chi phí sưởi theo mùa”, hệ thống sưởi bằng than có tính đến giá trị tiền tệ của chi phí lao động. Nếu bạn không muốn tính đến chúng, bạn có thể giảm giá trị thu nhập của một thành viên trong gia đình tham gia vào việc sưởi ấm. Chi phí lao động được coi là thấp hơn đối với hệ thống nhiên liệu lỏng và không được tính đến đối với hệ thống nồi hơi điện. Việc điều chỉnh các bộ thu năng lượng mặt trời được thực hiện tự động và không cần phải chú ý liên tục.
Trong cột "Tuổi thọ", mặc định là 20 năm - đây là tuổi thọ thông thường của hệ thống sưởi năng lượng mặt trời có bộ thu năng lượng mặt trời. Tùy thuộc vào điều kiện hoạt động, bộ thu năng lượng mặt trời có thể tồn tại lâu hơn khoảng thời gian này. Bạn có thể thay đổi thời gian sử dụng và biểu đồ dưới đây sẽ phản ánh sự khác biệt giữa chi phí lắp đặt và bảo trì cũng như lợi ích của việc sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để sưởi ấm. Như vậy, bạn sẽ thấy chi phí sưởi ấm sẽ giảm đi bao nhiêu và sự chênh lệch này sẽ giúp bạn có thể bù đắp chi phí lắp đặt bộ thu năng lượng mặt trời trong bao lâu.
Kết quả cuối cùng là gần đúng, nhưng hãy cho biết một hệ thống sưởi năng lượng mặt trời có thể tốn bao nhiêu tiền và nó có thể tự trả trong bao lâu.
Xin lưu ý rằng chi phí mùa sưởi có thể được giảm đáng kể bằng cách sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời, hệ thống sưởi dưới sàn và cải thiện khả năng cách nhiệt của tòa nhà. Ngoài ra, chi phí sưởi ấm có thể được giảm bớt nếu tòa nhà được thiết kế trước để sử dụng hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời và sử dụng các công nghệ nhà sinh thái.
svetdv.ru
Nhiệt mặt trời là gì
Từ xa xưa, con người đã nhận thức rõ về vai trò của Mặt trời đối với cuộc sống của mình. Ở hầu hết các quốc gia, nó hoạt động như một vị thần chính hoặc một trong những vị thần chính, ban sự sống và ánh sáng cho mọi sinh vật. Ngày nay, nhân loại đã có một ý tưởng tốt hơn nhiều về nguồn nhiệt của mặt trời.
Theo quan điểm của khoa học, Mặt trời của chúng ta là một ngôi sao màu vàng, là điểm sáng cho toàn bộ hệ hành tinh của chúng ta.Nó lấy năng lượng từ lõi - phần trung tâm của một quả cầu nóng khổng lồ, nơi các phản ứng nhiệt hạch có sức mạnh không thể tưởng tượng được diễn ra ở nhiệt độ tính bằng hàng triệu độ. Bán kính của lõi không quá một phần tư tổng bán kính của Mặt trời, nhưng trong lõi năng lượng bức xạ được tạo ra, một phần nhỏ trong số đó đủ để hỗ trợ sự sống trên hành tinh của chúng ta.
Năng lượng được giải phóng đi vào các lớp bên ngoài của Mặt trời qua vùng đối lưu và đến quang quyển - bề mặt bức xạ của ngôi sao. Nhiệt độ của quang quyển đang tiến gần tới 6.000 độ, chính nó sẽ chuyển đổi và phát ra ngoài không gian năng lượng bức xạ mà hành tinh của chúng ta nhận được. Trên thực tế, chúng ta sống do sự đốt cháy từ từ, chậm của plasma sao tạo nên Mặt trời.
Thành phần quang phổ của bức xạ mặt trời
Khoảng bước sóng từ 0,1 đến 4 micron chiếm 99% tổng năng lượng của bức xạ mặt trời. Chỉ còn lại 1% đối với các bức xạ có bước sóng ngắn hơn và dài hơn, là tia X và sóng vô tuyến.
Ánh sáng nhìn thấy chiếm một dải bước sóng hẹp, chỉ từ 0,40 đến 0,75 micron. Tuy nhiên, khoảng thời gian này chứa gần một nửa năng lượng bức xạ mặt trời (46%). Gần như cùng một lượng (47%) là trong tia hồng ngoại, và 7% còn lại là trong tia cực tím.
Trong khí tượng học, người ta thường phân biệt giữa bức xạ sóng ngắn và sóng dài. Bức xạ sóng ngắn được gọi là bức xạ trong dải bước sóng từ 0,1 đến 4 micron. Nó bao gồm, ngoài ánh sáng nhìn thấy, bức xạ tia cực tím và tia hồng ngoại gần nó nhất trong các bước sóng. Bức xạ mặt trời là 99% bức xạ sóng ngắn. Bức xạ sóng dài bao gồm bức xạ bề mặt trái đất và bầu khí quyển có bước sóng từ 4 đến 100-120 micron.
Cường độ bức xạ mặt trời trực tiếp
Bức xạ đến bề mặt trái đất trực tiếp từ đĩa mặt trời được gọi là bức xạ mặt trời trực tiếp, ngược lại với bức xạ phân tán trong khí quyển. Bức xạ mặt trời truyền từ Mặt trời theo mọi hướng. Nhưng khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời quá lớn nên bức xạ trực tiếp rơi xuống bất kỳ bề mặt nào trên Trái đất dưới dạng một chùm tia song song phát ra từ vô cùng. Ngay cả toàn cầu nói chung là quá nhỏ so với khoảng cách từ Mặt trời đến mức tất cả các bức xạ Mặt trời chiếu xuống nó có thể được coi là một chùm tia song song mà không có sai số đáng chú ý.
Dòng bức xạ mặt trời trực tiếp đến bề mặt trái đất hoặc đến bất kỳ mức cao hơn nào trong khí quyển được đặc trưng bởi cường độ bức xạ tôi, tức là lượng năng lượng bức xạ đi vào trong một đơn vị thời gian (một phút) trên một đơn vị diện tích (một cm vuông) vuông góc với tia sáng mặt trời.
Cơm. 1. Dòng bức xạ mặt trời chiếu tới bề mặt vuông góc với các tia (AB), và trên bề mặt nằm ngang (AC).
Có thể hiểu đơn giản rằng một đơn vị diện tích nằm vuông góc với tia sáng mặt trời sẽ nhận được lượng bức xạ lớn nhất có thể trong điều kiện cho trước. Một đơn vị diện tích nằm ngang sẽ có năng lượng tỏa ra nhỏ hơn:
I '= tôi sinh
ở đâu h là chiều cao của mặt trời (Hình 1).
Tất cả các loại năng lượng đều tương đương lẫn nhau. Do đó, năng lượng bức xạ có thể được biểu thị bằng đơn vị của bất kỳ loại năng lượng nào, ví dụ, bằng nhiệt hoặc cơ. Việc biểu thị nó bằng đơn vị nhiệt là điều đương nhiên, bởi vì các dụng cụ đo lường dựa trên hiệu ứng nhiệt của bức xạ: năng lượng bức xạ, hầu như được hấp thụ hoàn toàn trong thiết bị, được chuyển thành nhiệt, được đo. Do đó, cường độ của bức xạ mặt trời trực tiếp sẽ được biểu thị bằng calo trên centimet vuông trên phút (cal / cm2min).
Sản xuất điện
Năng lượng mặt trời hoạt động bằng cách chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.Điều này có thể xảy ra trực tiếp, sử dụng quang điện hoặc gián tiếp, sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời tập trung, trong đó thấu kính và gương thu ánh sáng mặt trời từ một khu vực rộng lớn thành một chùm tia mỏng và cơ chế theo dõi theo dõi vị trí của Mặt trời. Quang điện biến ánh sáng thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.
Năng lượng mặt trời được dự báo sẽ trở thành nguồn điện lớn nhất vào năm 2050, với quang điện và năng lượng mặt trời tập trung lần lượt chiếm 16% và 11% sản lượng điện toàn cầu.
Các nhà máy điện thương mại sử dụng năng lượng mặt trời tập trung lần đầu tiên xuất hiện vào những năm 1980. Sau năm 1985, công trình lắp đặt SEGS 354 MW kiểu này ở sa mạc Mojave (California) đã trở thành nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới. Các nhà máy điện mặt trời khác thuộc loại này bao gồm SPP Solnova (tiếng Anh) (150 MW) và SPP Andasol (tiếng Anh) (100 MW), cả hai đều ở Tây Ban Nha. Trong số các nhà máy điện quang điện lớn nhất (tiếng Anh) có Dự án năng lượng mặt trời Agua Caliente (250 MW) ở Mỹ, và Công viên năng lượng mặt trời Charanka (221 MW) ở Ấn Độ. Các dự án trên 1 GW đang được phát triển, nhưng hầu hết các thiết bị quang điện có công suất đến 5 kW đều nhỏ và trên mái nhà. Tính đến năm 2013, năng lượng mặt trời chỉ chiếm chưa đến 1% sản lượng điện trong lưới điện toàn cầu.
Các loại bức xạ mặt trời
Trong khí quyển, bức xạ mặt trời trên đường tới bề mặt trái đất bị hấp thụ một phần, một phần bị tán xạ và phản xạ từ các đám mây và bề mặt trái đất. Ba loại bức xạ mặt trời được quan sát thấy trong khí quyển: trực tiếp, khuếch tán và toàn phần.
Bức xạ mặt trời trực tiếp - bức xạ đến bề mặt trái đất trực tiếp từ đĩa mặt trời. Bức xạ mặt trời truyền từ Mặt trời theo mọi hướng. Nhưng khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời quá lớn nên bức xạ trực tiếp rơi xuống bất kỳ bề mặt nào trên Trái đất dưới dạng một chùm tia song song phát ra từ vô cùng. Thậm chí toàn bộ địa cầu nói chung là quá nhỏ so với khoảng cách đến Mặt trời đến mức tất cả các bức xạ Mặt trời chiếu vào nó có thể được coi là một chùm tia song song mà không có sai số đáng chú ý.
Chỉ có bức xạ trực tiếp đến ranh giới trên của khí quyển. Khoảng 30% sự cố bức xạ trên Trái đất bị phản xạ ra ngoài vũ trụ. Ôxy, nitơ, ôzôn, carbon dioxide, hơi nước (mây) và các hạt sol khí hấp thụ 23% bức xạ mặt trời trực tiếp trong khí quyển. Ozone hấp thụ tia cực tím và bức xạ nhìn thấy được. Mặc dù thực tế là hàm lượng của nó trong không khí rất nhỏ, nhưng nó hấp thụ tất cả bức xạ tia cực tím (khoảng 3%)
Vì vậy, nó hoàn toàn không được quan sát thấy ở bề mặt trái đất, điều rất quan trọng đối với sự sống trên Trái đất.
Bức xạ mặt trời trực tiếp trên đường đi qua khí quyển cũng bị phân tán. Một hạt (giọt, tinh thể hoặc phân tử) không khí, nằm trong đường truyền của sóng điện từ, liên tục "chiết xuất" năng lượng từ sóng tới và bức xạ lại nó theo mọi hướng, trở thành một chất phát ra năng lượng.
Khoảng 25% năng lượng của tổng thông lượng bức xạ mặt trời truyền qua khí quyển bị tiêu tán bởi các phân tử khí và sol khí trong khí quyển và được chuyển đổi trong khí quyển thành bức xạ mặt trời khuếch tán. Như vậy, bức xạ mặt trời tán xạ là bức xạ mặt trời đã trải qua quá trình tán xạ trong khí quyển. Bức xạ phân tán đến bề mặt trái đất không phải từ đĩa mặt trời, mà từ toàn bộ phần cứng. Bức xạ tán xạ khác với bức xạ trực tiếp về thành phần quang phổ, vì các tia có bước sóng khác nhau bị tán xạ ở các mức độ khác nhau.
Vì nguồn chính của bức xạ khuếch tán là bức xạ mặt trời trực tiếp, dòng bức xạ khuếch tán phụ thuộc vào cùng các yếu tố ảnh hưởng đến dòng bức xạ trực tiếp. Đặc biệt, dòng bức xạ phân tán tăng lên khi chiều cao của Mặt trời tăng và ngược lại.Nó cũng tăng lên khi số lượng hạt tán xạ trong khí quyển tăng lên, tức là với sự giảm độ trong suốt của khí quyển và giảm theo độ cao so với mực nước biển do giảm số lượng các hạt tán xạ trong các lớp bên trên của khí quyển. Mây và tuyết phủ có ảnh hưởng rất lớn đến bức xạ khuếch tán, do sự tán xạ và phản xạ của sự cố bức xạ trực tiếp và khuếch tán lên chúng và sự tán xạ lại của chúng trong khí quyển, có thể làm tăng bức xạ mặt trời khuếch tán lên nhiều lần.
Bức xạ phân tán bổ sung đáng kể bức xạ mặt trời trực tiếp và làm tăng đáng kể dòng năng lượng mặt trời đến bề mặt trái đất. Vai trò của nó đặc biệt lớn vào mùa đông ở vĩ độ cao và ở các vùng khác có mây mù cao, nơi mà phần bức xạ khuếch tán có thể vượt quá phần bức xạ trực tiếp. Ví dụ, trong lượng năng lượng mặt trời hàng năm, bức xạ phân tán chiếm 56% ở Arkhangelsk và 51% ở St.Petersburg.
Tổng bức xạ mặt trời là tổng các dòng bức xạ trực tiếp và khuếch tán đến trên một bề mặt nằm ngang. Trước khi mặt trời mọc và sau khi mặt trời lặn, cũng như vào ban ngày có mây mù liên tục, bức xạ toàn phần là hoàn toàn, và ở độ cao thấp của Mặt trời, nó chủ yếu bao gồm bức xạ tán xạ. Trong bầu trời không có mây hoặc hơi có mây, với sự gia tăng chiều cao của Mặt trời, tỷ lệ bức xạ trực tiếp trong thành phần của tổng số tăng lên nhanh chóng và vào ban ngày thông lượng của nó lớn hơn nhiều lần so với thông lượng của bức xạ phân tán. Mây trung bình làm suy yếu tổng bức xạ (khoảng 20-30%), tuy nhiên, với một phần mây mù không bao phủ đĩa mặt trời, thông lượng của nó có thể lớn hơn so với bầu trời không có mây. Lớp tuyết bao phủ làm tăng đáng kể thông lượng bức xạ tổng bằng cách tăng dòng bức xạ phân tán.
Toàn bộ bức xạ rơi xuống bề mặt trái đất, hầu hết bị hấp thụ bởi lớp trên của đất hoặc lớp nước dày hơn (bức xạ hấp thụ) và biến thành nhiệt, và một phần bị phản xạ lại (bức xạ phản xạ).
Đai nhiệt
Tùy thuộc vào lượng bức xạ mặt trời đi vào bề mặt Trái đất, 7 vùng nhiệt được phân biệt trên địa cầu: nóng, hai ôn hòa, hai lạnh và hai đới băng giá vĩnh cửu. Ranh giới của các đới nhiệt là các đường đẳng nhiệt. Vành đai nóng bị giới hạn bởi các đường đẳng nhiệt trung bình hàng năm + 20 ° C từ phía bắc và phía nam (Hình 9). Hai đới ôn hòa ở phía bắc và phía nam của đới nóng được giới hạn từ phía xích đạo bởi đường đẳng nhiệt trung bình năm +20 ° С, và từ phía các vĩ độ cao bằng đường đẳng nhiệt +10 ° С (nhiệt độ không khí trung bình của những tháng ấm nhất là tháng 7 ở Bắc bán cầu và tháng 1 ở Nam bán cầu). Biên giới phía bắc trùng với biên giới phân bố rừng. Hai đới lạnh bắc và nam của đới ôn hòa ở Bắc và Nam bán cầu nằm giữa đường đẳng nhiệt + 10 ° C và 0 ° C của tháng ấm nhất. Hai vành đai băng giá vĩnh cửu được giới hạn bởi đường đẳng nhiệt 0 ° C của tháng ấm nhất tính từ vành đai lạnh. Vương quốc của băng tuyết vĩnh cửu kéo dài đến Bắc Cực và Nam Cực.
Kết quả đo bức xạ mặt trời trực tiếp
Với độ trong suốt của khí quyển không thay đổi, cường độ của bức xạ mặt trời trực tiếp phụ thuộc vào khối lượng quang học của khí quyển, tức là cuối cùng là độ cao của mặt trời. Vì vậy, trong ngày, bức xạ mặt trời trước hết phải tăng nhanh, sau đó chậm hơn từ lúc mặt trời mọc đến giữa trưa, lúc đầu chậm dần, sau đó giảm nhanh từ trưa đến khi mặt trời lặn.
Nhưng độ trong suốt của bầu khí quyển trong ngày thay đổi trong những giới hạn nhất định. Do đó, đường cong của quá trình bức xạ ban ngày, ngay cả trong một ngày hoàn toàn không có mây, cho thấy một số điểm bất thường.
Sự khác biệt về cường độ bức xạ vào buổi trưa chủ yếu là do sự khác biệt về độ cao buổi trưa của mặt trời, vào mùa đông thấp hơn mùa hè. Cường độ cực tiểu ở các vĩ độ ôn đới xảy ra vào tháng 12, khi mặt trời ở mức thấp nhất. Nhưng cường độ tối đa không phải trong những tháng mùa hè, mà là vào mùa xuân.Thực tế là vào mùa xuân, không khí ít bị vẩn đục nhất bởi các sản phẩm ngưng tụ và ít bụi. Vào mùa hè, khói bụi tăng lên, hàm lượng hơi nước trong khí quyển cũng tăng lên phần nào làm giảm cường độ bức xạ.
Các giá trị cường độ bức xạ trực tiếp cực đại cho một số điểm như sau (tính bằng cal / cm2 phút): Tiksi Bay 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moscow 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostok 1, 46, Tashkent 1,52.
Từ những dữ liệu này có thể thấy rằng các giá trị cực đại của cường độ bức xạ tăng rất ít khi vĩ độ địa lý giảm dần, mặc dù độ cao của mặt trời đã tăng lên. Điều này được giải thích là do sự gia tăng độ ẩm, và một phần là do bụi không khí ở các vĩ độ phía nam. Tại xích đạo, các giá trị cực đại của bức xạ không vượt quá cực đại mùa hè của các vĩ độ ôn đới. Tuy nhiên, trong không khí khô của sa mạc cận nhiệt đới (Sahara), các giá trị lên đến 1,58 cal / cm2 phút đã được quan sát thấy.
Với độ cao trên mực nước biển, các giá trị cực đại của bức xạ tăng lên do sự giảm khối lượng quang học của khí quyển ở cùng độ cao của mặt trời. Cứ 100 m độ cao, cường độ bức xạ trong tầng đối lưu tăng 0,01-0,02 cal / cm2 phút. Chúng tôi đã nói rằng các giá trị tối đa của cường độ bức xạ quan sát được ở vùng núi đạt 1,7 cal / cm2 phút và hơn thế nữa.