19 октомври 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Как слънчевата радиация достига до колекторите

За отопление на дома трудно могат да се използват повече от 70 % от достигналата до един район енергия

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 28 февруари 2016 в 09:00109380

Учените изучават слънчевата радиация от много години и са посветили обемисти трудове на този проблем. За хората е важно да знаят как слънчевите лъчи стигат до Земята, до каква степен се изменя слънчевата радиация и какви са главните й съставни части.
В една предишна статия беше разгледан изобретателски проект за проектиране на самоделен слънчев колектор (вж. Как в САЩ преди 50 г. събираха слънчева енергия). На фиг. 1 е показано как слънчевите лъчи стигат до построения колектор по два главни и един второстепенен път. 


Фиг. 1. Трите пътя, по които слънчевата радиация стига до колектора: 1 – дифузна радиация; 2 – пряка радиация; 3 – отразена радиация

Главните пътища са пряката слънчева радиация, която човек усеща, когато времето е ясно и той се намира навън, и дифузната, която съществува по всяко време на деня. Второстепенният път е този на отразената енергия от повърхността на земята в края на деня (трябва да се отдава дължимото на тази радиация, тъй като тя е причина нощните температури да не спадат прекалено). В повечето проучвания на слънчевата енергия се отделя внимание само на непосредственото възприемане на слънчевите лъчи и на дифузията — тази статия също не прави изключение в това отношение.

Тъй като дифузната радиация е постоянна, разликата между нея и пряката радиация варира значително. Когато Слънцето е изгряло, мощността на пряката радиация е около шест пъти по-голяма от тази на дифузната. Когато то е залязло, тя е равна на половината от мощността на дифузната радиация.

Нека се спрем на директната радиация през зимата и да я сравним с радиацията през лятото (фиг. 2).


Фиг. 2. Надвечер през лятото слънцето не е по-силно от зимното слънце по обяд. 1 – пряка радиация по обяд през зимата или надвечер през лятото; 2 – пряка радиация по обед през лятото

Полегатите зимни слънчеви лъчи от лявата страна на фигурата имат същата мощност като лъчите в края на летния ден. Това изглежда невероятно, но е така. Причината за студа през зимата не е в това, че слънцето е далеч и лъчите му са по-слаби, а в ниската температура на въздуха и почвата. Важно е да се знае, че на каквато и височина да се намира Слънцето, радиацията по посока към земята е същата. Причината за това ще бъде ясна, когато разберем как енергията стига до земята, за което ще помогне фиг. 2.

Мощността на потока от енергия, която Слънцето изпраща към нас, е близо 1400 W/m2. Това е същата стойност, която беше посочена, когато се изясняваше количеството на топлинните загуби в жилищна сграда, но разликата е, че слънчевата енергия идва с прекъсвания. За съжаление при преминаването му през атмосферата мощността на потока намалява до 1000 W/m2 (1 kW/m2), но и това, което остава, не е малко.

Стойността 1 kW/m2 е мощността на радиацията, директна или дифузна, която попада на 1 м2 площ, ако тази площ е обърната към слънцето и то е високо над хоризонта. Когато слънцето наближи хоризонта, тази стойност спада до 700 W/m2, тъй като лъчите трябва да преминат косо през атмосферата, поради което това сложно следене на Слънцето се извършва рядко, въпреки че загубата на енергия е значителна.
След като разгледахме начините, по които слънчевата радиация стига до Земята, както и нейната мощност, необходимо е да се изясни и разликата между "светлинна слънчева енергия" и "топлинна слънчева енергия". Представете си, че Слънцето се състои от много на брой лъчи в диапазона от ултравиолетови до инфрачервени. Ако този диапазон се сравни с нотната октава на пианото и на лъчите се гледа като на ноти, вероятно ще се представят в по-ясна светлина. Това сравнение е показано на фиг. 3. На първо време не обръщайте внимание на дясната част на фигурата.

Фиг. 3. Слънчевата светлина се състои от три основни групи лъчи, всяка от които има различна мощност

Както се вижда, слънчевата светлина прилича на осемте ноти на гамата, свирени наведнъж. Лъчите G, A, B са видими, a C, D, E, F — инфрачервени. Когато листът се завърти по посока, обратна на часовниковата стрелка, се вижда, че повечето от видимите лъчи са не само отделени от останалите, но и се отличават от тях по своята мощност. Това ще даде възможност да се обясни парниковия ефект. Забележете, че стъклото пропуска само лъчите E, F, G, A, B, а лъчите C, D се отразяват и не могат да излязат навън от колектора. Трябва да се добави също, че облаците спират инфрачервените лъчи C, D, E, F, а пропускат видимите G, A B, които захранват произвеждащите електричество фотоклетки.

Видяхме, че енергията стига до колектора по два потока, единият от които — директният - може да се раздели на три подгрупи: инфрачервени, видими и ултравиолетови лъчи. В заключение ще определим общата стойност на слънчевата енергия.

Вече стана ясно, че мощността на енергийния поток, който достига до Земята, е ок. 1400 W/m2, и ако Слънцето се намира високо над хоризонта, на всеки квадратен метър се падат по 1000 W. Вероятно е ясно също, че тъй като човек не можем да тича около Земята и да държим квадратния метър под слънцето, в края на всеки ден количеството на енергията ще намалява и със залязването на Слънцето то ще бъде сведено до нула. За да разполагаме с данни, удобни за практически изчисления, се използва метод за сумиране на цялата енергия, събрана в плосък колектор за един ден, в киловатчаса на квадратен метър. Забележете, че преминахме от киловат на квадратен метър (kW/m2) на киловатчас на квадратен метър (kWh/m2).

Първата величина представлява мощността на енергийния поток, а втората — количеството енергия, сумирано за определено време. По същия начин потокът на изтичащата вода се характеризира със своя дебит, а сумарното количество изтекла вода се отнася за определено време. Количеството енергия, събрана за един ден, измерена в киловатчаса, е термин, сроден на тези, които се използуват при пресмятане на количества топлина и топлинни загуби.

Кривата, дадена на фиг. 4, е построена въз основа на опитни данни, получени от метеорологичните станции, чинто записващи устройства сумират попадналата слънчева енергия през отделните дни на годината. На фигурата е показана стойността на средното количество енергия на ден за даден месец. Вижда се постепенното изменение в рамките на една година на събираното количество енергия. Средната дневна годишна стойност е отбелязана от дясната страна на графиката. Когато тази средна стойност стойност с числото 365, ще се получи сумарната слънчева енергия за цялата година. Тя ще бъде между 1000 и 2200 kWh/m2.

Фиг. 4. Годишно разпределение на сумарната дневна слънчева радиация върху 1 м2 хоризонтална повърхнина (върху територията на България)

Тези данни характеризират енергията, която може да се очаква да събере хоризонтален колектор през всеки месец от годината. Необходимо е да се знае количеството на средномесечната енергия. Общата очаквана енергия през цялата година не е най- добрият критерий. От по-голямо значение е енергията, от която потребителят на колектора има нужда. Важно е да се отбележи, че посочените данни отразяват очакваната енергия за определен район. Най-вероятно е за отоплението на дома да се използват около 50 % от нея — което е добре, до 70 % — което е много добре.

Съществува район на земята, който приема повече слънчева енергия за определен месец, отколкото който и да е друг - това е Южният полюс. Данните показват, че там през целия декември на всеки квадратен метър се падат по 10 kWh топлина. Това е така, защото през този месец оста на земята е наклонена максимално по отношение на слънцето, така че то огрява района на Южния полюс 24 часа през денонощието. Освен това трябва да се има предвид и ясното небе. Студено е ниско долу, защото въздухът е студен. Слънчевите лъчи минават през въздушния слой, без да го затоплят, но те нагряват земята.

Антон Оруш, Sandacite.bg – http://www.sandacite.bg

Източници: 

Howell, Derek – Your Solar Energy Home. Oxford, Pergamon Press.
Solar thermal water heating - http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals4/index_e.php


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Технологии
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.