Основи сонячної радіації
Якщо хтось віддає голову впровадженню системи рекуперації сонячної енергії, важливо знати хоча б основні характеристики сонячної радіації. Без цього неможливо зрозуміти, які можливості пропонує сонячне випромінювання для використання тепла, коли і в якій пропорції ми можемо замінити звичайні джерела енергії сонячними колекторами. Наступна стаття узагальнює основні властивості сонячного випромінювання, які можуть бути використані на практиці.
Спочатку розглянемо основні характеристики Сонця. Сонце - це газоподібна сфера водню, переважно в плазмовому стані. Усередині відбувається ядерний синтез, або термоядерне виробництво тепла, під час якого водень поєднується в гелій. Диском Сонця, видимим із Землі, є сферичне сонячне тіло, зовнішньою поверхнею якого є т. Зв фотосфера. Температура фотосфери становить приблизно 6000 К. Через високу температуру Сонце випромінює короткохвильове електромагнітне (світлове) випромінювання в бік холодного простору. Потужність випромінювання Сонця становить 4 × 1023 кВт, з них частка земної поверхні сягає 173 × 1012 кВт. Це, звичайно, незрозуміло великі цифри в людському масштабі, але величина сонячної енергії, що надходить на Землю, добре характеризується тим, що її кількість за годину перевищує загальне річне споживання енергії людством. Ще одним обнадійливим фактом є те, що, хоча Сонцю вже 5 мільярдів років, астрофізики передбачають для нього ще 5 мільярдів років життя. Отже, здається, що, принаймні в людському масштабі, Сонце доступне нам як надійне та невичерпне джерело енергії.
Найважливішим показником сонячного випромінювання, який можна використовувати на практиці, є т. Зв сонячна постійна. Це дає силу сонячного випромінювання на зовнішній межі земної атмосфери. Його значення становить приблизно 1367 Вт/м 2. Це означає, що якби наш сонячний колектор міг бути встановлений поза атмосферою, у просторі і завжди обертатися до сонця, поверхня колектора постійно зазнавала б цього потужного сонячного випромінювання. Однак, на жаль, у домашнього механіка порівняно мало шансів довірити таке приємне завдання. Якщо, навпаки, ми встановимо сонячний колектор на поверхні Землі, це породжує кілька проблем. З одного боку, сонячне випромінювання слабшає, проходячи через атмосферу Землі та хмари, а з іншого боку, коли Земля обертається, поверхня нерухомого сонячного колектора піддається лише прийнятному куту протягом 5-10 годин на добу залежно від пори року та географічного розташування.
Фігура 1
Значення сонячної радіації, виміряні на поверхні Землі
Атмосфера викликає постійне, передбачуване послаблення сонячного випромінювання, що досягає земної поверхні. Коли сонячне випромінювання проходить через земну атмосферу, воно, як і вся матерія, послаблює сонячне випромінювання шляхом поглинання та відбиття. Таким чином, із потужності 1367 Вт/м 2 над атмосферою на землі залишається лише максимум 1000 Вт/м 2. Це лише опівдні, коли погода повністю ясна, а на небі немає хмар. І якщо погода буде похмурою та хмарною, це, звичайно, призведе до подальшого ослаблення (рисунок 1). У випадку з тонкими, спорадичними хмарами значення сонячного випромінювання становить 700-800 Вт/м 2, у випадку більш обширних хмар лише 500-600 Вт/м 2, а в разі щільної темної хмари покриття вона зменшується до 50-100 Вт/м 2.
У даному географічному розташуванні частота хмарного покриву, кількість ясних та похмурих днів та сонячне випромінювання, виміряне на земній поверхні, даються метеорологічними рядами даних, що базуються на багаторічних вимірах. Угорщина розташована в північному помірному поясі, між 45,8 ° і 48,6 ° північної широти. Згідно зі статистикою, кількість сонячних годин становить приблизно 2100 годин на рік, річна кількість тепла від сонячного випромінювання, що досягає горизонтальної поверхні
1280 кВт-год/м 2, з поверненою на південь поверхнею з нахилом 45 °
Немає дуже суттєвих відмінностей у плані сонячної радіації між окремими районами Угорщини. Найбільш сонячна частина - центральна, південна частина країни, найменше сонячного світла - на півночі та заході. Найбільша різниця між частинами країни становить близько 8%. Тому при масштабуванні вітчизняної Сонячної системи насправді не прийнято надмірно враховувати географічне розташування. Якщо клієнт із північної частини країни, де не надають переваг, то звичайно показують австрійські або німецькі карти сонячного випромінювання як втіху. Там сонце світить ще менше, проте сонячних панелей та сонячних панелей набагато більше, ніж тут.
Малюнок 2
Кількість сонячної радіації, що надходить на горизонтальну поверхню в Угорщині
Геометрія сонячного випромінювання
Щоб зрозуміти, як це працює з сонячними колекторами та розподілом часу корисної сонячної енергії, також необхідно мати базові знання з геометрії сонячного випромінювання. Ми вже дізналися найважливіший факт у початковій школі: Земля обертається навколо Сонця, але також обертається навколо власної осі. Це звучить просто, але дещо ускладнює те, що вісь обертання Землі становить кут 23,5 ° з віссю орбіти навколо Сонця. Ми також можемо сказати це так, коли Земля коливається навколо Сонця. Наслідком цього є те, що з точки на Землі видима орбіта Сонця і, отже, тривалість днів, тобто теоретична тривалість сонячного сяйва, змінюється з кожним днем протягом року. Сонце подорожує нижче взимку і вище влітку, і, отже, довжина сонця влітку значно довша, ніж взимку. На малюнку 3, що ілюструє орбіту Землі, також видно, що висота літніх сонячних ванн на широті Угорщини становить 66 °, тоді як така сама становить лише 19 ° у найкоротший зимовий день.
Малюнок 3
Орбіта Землі навколо Сонця.
Типовий денний час Угорщини можна детальніше побачити на малюнку 4. Можливо, на цьому малюнку ми можемо краще сприймати різницю між зимовим та літнім денним часом. На основі малюнка можна зробити висновок, що з точки зору розміщення сонячних колекторів важливо, коли і з якою метою ми хочемо використовувати сонячну колекторну систему. Якщо нам потрібна сонячна енергія рівномірно протягом року - наприклад система гарячого водопостачання - оптимальний кут нахилу сонячних колекторів становить 40-45 °. Якщо, навпаки, ми хочемо обігріватися лише влітку, напр. у відкритому басейні ми вважаємо за краще використовувати більш рівний кут нахилу близько 30 °, оскільки в цей період Сонце знаходиться високо. І найголовніше: якщо метою є допомогти зимовому опаленню, доцільно розміщувати сонячні колектори з більш крутим кутом нахилу 50-60 °, щоб більш рівне сонячне світло взимку досягало поверхні сонячних колекторів праворуч кут.
Малюнок 4
Очевидна орбіта Сонця з Угорщини
Малюнок 5
Зменшення щорічного сонячного доходу в залежності від нахилу та орієнтації
Щорічний розподіл сонячної радіації
Сонячна радіація, як і всі погодні дані, досить химерна. Кількість сонячної радіації в певний день не можна розрахувати заздалегідь. З іншого боку, ми можемо сказати, що очікується в даний період, сезон, з хорошим наближенням.
Малюнок 6
Щорічне сонячне випромінювання вимірюється в Угорщині на південній стороні та нахиленій до 45 ° поверхні
На рисунку 6 на прикладі показано розподіл сонячної радіації в 2004 р., Виміряний на поверненій на південь поверхні з кутом нахилу 45 °. На малюнку вище, де дані розбиті за днями, чітко видно химерний характер, випадкове чергування похмурих та ясних днів. З цього показника можна стверджувати максимум, що влітку сонячні показники вищі, ніж у зимовому семестрі, і частота ясних днів також вища. Однак з малюнка нижче, де дані про випромінювання усереднюються протягом 30 днів, можна прочитати значно більше інформації. Наприклад, можна визначити середній рівень сонячної радіації для кожного періоду, який може бути відправною точкою для розмірів теплотехніки. В Угорщині можна розрахувати наступні добові значення доходу від радіації в кожен сезон: взимку
1800 кВт-год/м 2, навесні
4600 кВт-год/м 2, влітку
5500 кВт-год/м 2 і восени
3300 кВт-год/м 2. З малюнка також можна прочитати, що річна сонячна радіація становить приблизно дві третини прибувають у літньому семестрі, а лише одна третина залишається на зимовий семестр. Це, звичайно, досить погана новина для будівельних інженерів, оскільки нам потрібно більше енергії лише взимку. Однак ми не можемо змінити розподіл сонячної радіації, тому все, що ми можемо зробити, це правильно врахувати дані про сонячну радіацію і розраховувати на те, що є реально доступним. Звичайно, наведені вище дані на даний момент стосуються лише сонячної радіації. Частка цього, що може бути використано із сонячними колекторами, буде розглянута в наступній статті.