Солнечная тепловая энергия. Природа и пригодность солнечного излучения
Раньше было:
Сила, энергия и мощность.
Возобновляемая энергия. Введение
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Солнечная тепловая энергия
1. Введение
2. Солнечный водонагреватель на крыше
3. Природа и пригодность солнечного излучения
Длины волн солнечного излучения
Солнце - огромный реактор ядерного синтеза, который превращает водород в гелий в количестве 4 миллиона тонн за секунду. Оно излучает тепловую энергию благодаря своей высокой внешней температуре - приблизительно 6000°C. Часть поступающего солнечного света (приблизительно 1/3) просто отражается от поверхности Земли. Остальной свет поглощается и в конечном счете нагревает Землю за счет инфракрасной длинноволновой части спектра. Земля получает столько энергии, сколько необходимо для стабильного энергоснабжения и нагрева для сохранения сохранения жизни людей.
Мы видим солнечное излучение как белый свет. Фактически же в нем есть широкий спектр длин волн, от «коротковолнового» инфракрасный (длиннее, чем видимый красный свет) до ультрафиолетового (короче, чем видимый фиолетовый). Распределение длин волн четко определен температурой поверхности Солнца:
Ниже приведу перевод надписей на рисунке "Поглощение и отражение солнечной энергии Землей":
The sun emits visible light and radiation characteristic of its temperature of 6000°C. Average surface temperature approximately 15°C. The earth reflects away 30%. Average atmospheric temperature -20°C and radiates away the rest as long-wave infrared radiation to deep space at -270°C. Relative power density. Wavelength, nanometres. To radio waves → Outside atmosphere. At Earth’s surface. Long-wave infrared. Ultraviolet 350. And below. Blue. Green. Red. Short-wave infrared 1000-2000.
Солнце испускает видимым свет, ультрафиолет и тепло благодаря температуре на его поверхности в 6000°C. Средняя внешняя температура поверхности Земли приблизительно 15°C. Земля отражает около 30% солнечного света. Средняя температура атмосферы -20°C, и часть ее тепла в виде длинноволнового инфракрасного излучения уходит в космическое пространство, средняя температура которого -270°C. Относительная энергетическая плотность. Длина волн, нанометры. К радиоволнам → За пределами атмосферы. На поверхности Земли. Длинноволновое инфракрасное излучение. Ультрафиолет 350. И ниже. Синий. Зеленый. Красный. Коротковолновое инфракрасное излучение 1000-2000.
Земля, которая имеет среднюю атмосферную температуру -20°C и внешнюю температуру поверхности 15°C, излучает энергию длинноволнового инфракрасного диапазона в космическое пространство, средняя температура которого всего лишь на несколько градусов выше абсолютного ноля (-273°C). Мы часто забываем про эту теплопотерю, но она хорошо заметна ясными ночами в мороз, когда тепло уходит сначала в верхние слои атмосферы, а затем в космос.
Как можно увидеть, большинство эффектов низкотемпературной солнечной энергии зависят от нашей способности использовать стекло и другие материалы с селективными свойствами, которые позволяют солнечному излучению проходить внутрь, но блокировать отражение длинноволнового инфракрасного излучения. Сбор солнечной энергии для высокотемпературных устройств, как например движущиеся поезда, большей частью использует сконцентрированную сложными зеркалами солнечную энергию.
Прямое и рассеянное излучение
Когда лучи солнца проходят атмосферу, часть света рассеивается - в количестве, которое зависит от облачности. Эта часть рассеянного света доходит до поверхности земли. Этот рассеянный свет также освещает небо. Небольшую его часть его мы видим как голубой цвет ясного неба, но бóльшую - как белый цвет облаков.
То, что мы обычно называем солнечным светом - это та часть света, которая идет прямо от солнца. Ее также называют «прямым излучением». В ясные дни энергетическая плотность такого света может достигать 1 киловатта на квадратный метр (1 кВт*м-2). Эта величина взята за точку отсчета и названа «1 sun». Эта единица используется для оценки солнцесборников. В северной Европе и в некоторых городах южной Европы пиковые энергетические плотности на практике составляют около 900-1000 Ватт на квадратный метр.
В северной Европе в среднем за год приблизительно 50% солнечной радиации рассеивается, и 50% - это «прямой свет». В южной Европе, где уровни солнечного освещения выше, большинство света - прямой свет, особенно летом. Как рассеянное, так и прямое излучение нагревают тепловые приборы, но только прямое излучение может быть сфокусировано, чтобы производить очень высокие температуры. Но в то же время именно рассеянное излучение обеспечивает дневное естественное освещение в зданиях, особенно с окнами, ориентированными на север.
Применимость солнечного излучения
Интерес к солнечной энергии побудил начать точные измерения солнечных ресурсов и составлять солнечные карты. Для этого обычно используют солариметры (этот прибор также иногда называют пирариометр, pyrariometer):
Эти приборы содержат тщательно откалиброванные термоэлектрические элементы, закрытые стеклянной крышкой, которая направлена на небосвод. Напряжение в них изменяется пропорционально поступлению световой энергии. Колебания записываются электронным способом.
Наибольшее количество измерений солариметров отражают общее количество солнечной энергии, попадающей на их горизонтальные поверхности. Более детальные измерения разделяют прямое и рассеянное излучение. Эти данные могут быть математически преобразованы для расчета плотности излучения на наклоненные и вертикальные поверхности.
Так того и следовало ожидать, измерения показали, что среднегодовое солнечное освещение горизонтальных поверхностей наиболее высоко возле экватора, свыше 2000 киловатт-часов на квадратный метр за год (кВт*час*м-2 за год), и особенно высоко в пустынях. Эти области освещены лучше, чем северная Европа, которая обычно получает только около 1000 кВт*час*м-2 за год. Многие экспериментальные проекты, как например солнечные тепловые электростанции, строилось в таких районах, как южная Франции или Испании, где радиационные уровни составляют около 1500 кВт*час*м-2 за год, или на юге США, где уровни могут достигать 2500 кВт*час*м-2 за год.
Очевидно, что в Европе лето более солнечное, чем зима, но каковы средние величины солнечной энергии?
В середине июля солнечное освещение горизонтальной поверхности в северной Европе (например, в Ирландии, Великобритании, Дании и северной Германии) между 4,5 и 5 кВт*час*м-2 за день:
Солнечное излучение на горизонтальной поверхности (кВт*час на квадратный метр за день), Европа, июль.
Пять киловатт-часов - достаточно энергии, чтобы нагреть воду для горячей ванны. По британским местным ценам 2003 года на топливо нам пришлось бы заплатить приблизительно 15 пенсов за это количества тепла, если мы использовали нормальный газовый паровой котел или непиковое электричество. В южной Европе (Испания, Италия и Греция) в июле солнечные радиационные уровни выше - между 6 и 7,5 кВт*час*м-2 за день.
Зимой, однако, количество солнечного излучения намного ни-же. В январе средняя величина в северной Европе может быть в 10 раз меньше, чем в июле - около 0,5 кВт*час*м-2 за день, а вот в южной Европе, возможно ощутимо бóльшее освещение (1,5-2 кВт*час*м-2 за день):
Солнечное излучение на горизонтальной поверхности (кВт на 1 м2 за день), Европа, январь.
Это означает, что в северной Европе нам нужно использовать оборудование, которое требуют наибольших энергозатрат летом. В южной Европе солнечного света достаточно и зимой, чтобы весь год использовать одно и то же оборудование.
Продолжение следует.