СОНЦЕ І ЗЕМЛЯ

кількість енергії

Деякі дуже потужні джерела променистої енергії - це зірки. Однак, враховуючи їх величезну відстань і, оскільки випромінювання, яке вони видають, послаблюється, коли воно поступово поширюється по більшій і більшій сферичній поверхні, поширюючись по простору, ефекти, які вони виробляють на Землі, дуже малі.

Однак одне з них, Сонце, завдяки своїй близькості здатне доставити нам таку кількість променистої енергії, що встановило фізичні умови, що панували на планеті з моменту її утворення, включаючи ті, що визначають те, що ми знаємо як життя.

Нас цікавлять кількісні аспекти енергії Сонця, не вдаючись у глибокий опис фізико-хімічних перетворень, які вона зазнає, коли впливає на земну поверхню.

1.- Числові дані

Сонце - досить звичайна зірка, з тією лише особливістю, що вона знаходиться лише на відстані близько 150 мільйонів кілометрів від Землі. Випромінювання, яке воно випромінює, займає трохи більше 8 хвилин, щоб дістатися до нашої планети зі швидкістю близько 300 000 км/с. Його діаметр становить близько 1 400 000 км, а маса еквівалентна масі приблизно 300 000 планет, рівних Землі.

Як і всі зірки, Сонце - це гігантська ядерна піч, в якій маса постійно перетворюється на випромінювальну енергію, обчислюючи за більш ніж 5000 мільйонів років час, який пройде до її повного згасання.

Із цієї величезної кількості променистої енергії лише крихітна частка досягає нашої планети, хоча вона представляє дуже велику кількість порівняно з енергією, необхідною для підтримки нашої технологічної цивілізації. Проблема полягає не в загальній кількості доступної енергії, а в труднощах з її використанням, оскільки вона розпорошена, поширюючись по всій поверхні Землі та океанів. В середньому кількість енергії, яка досягає нашої зовнішньої атмосфери, еквівалентна потужності 1,4 кВт на м², кількості, яка зменшується приблизно до 1 кВт, коли вона проходить через атмосферу і досягає землі.

Ефективна температура поверхні Сонця становить близько 5600 єС. Ці дані важливі, оскільки характеристики випромінювання, яке випромінює тіло, є функцією температури його поверхні. Температура 5600 ° С перевищує температуру, яку зазвичай можна досягти в звичайних промислових процесах, які людина може виробляти штучно. Отже, характеристики сонячної радіації значно відрізняються від характеристик інших штучних джерел випромінювання.

Сонячне випромінювання формується сумішшю електромагнітних хвиль різної частоти, деякі з них (ті, «довжина хвилі» яких становить від 0,4 до 0,7 мкм) можуть бути виявлені людським оком, складаючи те, що ми знаємо як видиме світло. Інші, хоча і не видимі, також роблять помітним їх вплив, передаючи енергію, яку вони транспортують, до тіл.

2.- Положення Землі щодо Сонця

Ще важливішим за абсолютну кількість отриманої енергії є нахил, з яким радіаційні хвилі (тобто сонячні промені) потрапляють на поверхню, оскільки це призведе до поширення енергії на більш-менш обширній ділянці, зменшуючи або збільшуючи її інтенсивність.

Через нахил осі обертання Землі відносно площини її орбіти навколо Сонця та сферичної форми, одна і та ж точка на поверхні Землі приймає промені з різним нахилом, залежно від пори року, а отже, ефективна енергія, яка впливає на квадратний метр горизонтальної поверхні, значно варіюється.

Взимку сонячні промені падають з невеликим кутом по відношенню до горизонталі, протилежним такому влітку, коли кут набагато більший, досягаючи перпендикуляра в районах поблизу Екватора та в центральні моменти дня. З цієї причини загальна падаюча енергія набагато вища влітку, ніж взимку, і, якщо врахувати падаючу енергію за певний проміжок часу - наприклад, годину, - вона також значно вища в центральні години доби ( близько полудня), що в години навколо сходу чи заходу сонця.

Хоча всі ми знаємо, що Земля обертається навколо Сонця, а не навпаки, для практичних цілей це все ще корисно і приводить до тих самих результатів, припустити, що саме Сонце обертається навколо нашої планети, описуючи орбіта приблизно кругова (насправді описує дуже дрібний еліпс).

За допомогою цієї фіктивної моделі Сонце поводиться як світило, яке щодня піднімається зі Сходу та на Захід, описуючи більш-менш широку дугу в небі, залежно від пори року.

Навесні та влітку дуга сонячного шляху більша, Сонце сходить вище горизонту і довше залишається світити на небі. Навпаки, взимку точки на горизонті, де він піднімається і заходить, знаходяться ближче одна до одної, шлях коротший і менш піднесений, а час (тривалість сонячного дня), що проходить між сходом і заходом сонця, значно меншим.

Логічно, що чим довша тривалість сонячного дня, тим більше енергії може бути зібрано протягом дня. Крім того, ще одним фактором, що є ще важливішим за тривалість дня, є той факт, що чим нижче сонячний шлях, тим менший кут буде пробивати промені по відношенню до горизонтальної землі, і, як уже було сказано, інтенсивність буде меншою., розподіляючи енергію на більшій площі.

Іншим фактором, що визначає меншу або більшу кількість енергії, що досягає поверхні, є ступінь похмурості в цій місцевості. Хмари поглинають більшу частину сонячної енергії, відбиваючи її зверху і повертаючи в космос. У типовий похмурий день енергія, якій вдається пройти крізь хмарний шар, становить лише невелику частку енергії, яка досягла б поверхні, якби небо було чистим, як правило, недостатньо для систем використання сонячної енергії на фотоелектричний ефект) може працювати.

Тому кліматичні умови даного регіону є найважливішим фактором при оцінці практичних можливостей сонячної установки. Якщо клімат дуже хмарний, шанси зробити систему прибутковою будуть незначними.

Середня температура повітря і швидкість вітру також впливають, хоча в меншій мірі, ніж хмарний покрив, особливо в плоских колекторах, призначених для нагрівання води, оскільки, якщо зазначена температура занадто низька або переважаючий вітер сильний, колектор буде прагнути швидко втратити тепло, що виробляється сонячною радіацією, ускладнює передачу у воду, яку ми хочемо нагріти.

Регіони з невеликим хмарним покривом і не надто холодним становлять ідеальну зону, в якій за сучасних технологій можна повною мірою скористатися звичними системами теплового використання сонячної енергії. Однак можна також розумно використовувати дефіцитну енергію, яку можна зібрати в регіонах високих широт та дуже низьких температур.

4. - Фотони

Квантова теорія, застосована до електромагнітного випромінювання, зокрема до сонячного електромагнітного випромінювання, пояснює, що зазначене випромінювання налаштоване особливим чином, оскільки воно може розглядати в першому дуже спрощеному зорі як сукупність, утворену дуже великою кількістю енергетичних "скупчень "дискретно називаються фотонами, які є природними одиницями транспорту енергії.

Таким чином, світлові промені були б своєрідним "зливом" фотонів, кожен з яких несе мізерну кількість енергії, але враховуючи величезну кількість фотонів, які проходять через певний ділянку або область в кожну секунду, чистий результат є значний енергетичний транспорт.

Фотони відрізняються один від одного лише величиною довжини хвилі (або частоти, визначеної як коефіцієнт між їх швидкістю - швидкістю світла - і цією довжиною хвилі).

Більша чи менша інтенсивність потоку фотонів, тобто кількість фотонів, що проходять через одиницю площі, перпендикулярну напрямку його переміщення в одиниці часу, визначатиме інтенсивність сонячного випромінювання.

Якби всі фотони мали однакову довжину хвилі, загальну енергію можна було б легко розрахувати, просто помноживши одиничну енергію кожного фотона (яка, згідно з квантовою теорією, є просто добутком постійної величини, званої сталою Планка, на частоту фотон) за кількістю їх. Реальність є більш складною, оскільки світло, яке випромінює Сонце, складається з дуже нерівномірної суміші фотонів різної довжини хвилі.

У цьому ж промені Сонця є фотони, довжина хвилі яких - щоб назвати декілька фігур - півмікрон, один мікрон, 1,2 мкм, 1,5 мкм тощо.

На щастя, відносна частка фотонів відповідно до їх довжини хвилі завжди приблизно однакова, принаймні перед тим, як проникнути в земну атмосферу, коли ряд явищ може змінити цю пропорцію, хоча він все ще зберігає більш-менш визначений профіль.

Відносний розподіл частот (або довжин хвиль) набору фотонів, з яких складається сонячне випромінювання, називається сонячним спектром.

Лише деякі фотони - ті, довжина хвилі яких становить від 0,3 до 3 тисячних міліметра - здатні виявлятись людським оком, утворюючи те, що ми називаємо "видимим світлом".

5.- Потік енергії

Кожен окремий фотон має дуже малу кількість енергії, але, враховуючи суму енергій усіх фотонів, які, наприклад, за одну хвилину вражають певну поверхню (наприклад, дах будинку), ми отримуємо кількість певної енергії, враховуючи дуже велику кількість фотонів, які, як було сказано, є в пучку сонячного випромінювання.

Сонячна енергія досягає найближчих шарів атмосфери приблизно постійно, оскільки на цій висоті немає хмар або перешкод, які могли б її послабити. З невеликими варіаціями в залежності від пори року, через те, що відстань між Землею і Сонцем не завжди однакова, значення того, що називається Сонячною константою, становить близько 1,35 кВт потужності на кожен квадратний метр поверхня, перпендикулярна до променів. Це означає, що за одну секунду до стратосфери досягає близько 1350 джоулів/мІ енергії.

Сила випромінювання, що досягає землі навіть у сприятливі дні (небо повністю без хмар і з чистим повітрям), як правило, не перевищує 1000 Вт/мІ, завжди вимірюється на поверхні, перпендикулярній шляху променів. Це означає, що послаблюючий ефект атмосфери, який поглинає і відхиляє багато падаючих фотонів, є значним.

Кількість енергії, яку вносить сонячне випромінювання, насправді не настільки вражаюча у порівнянні з енергією, яку виробляють інші часто використовувані пристрої. Наприклад, невеликий пластинчастий або електричний нагрівач для нагріву потужністю 1 кВт виробляє ту саму енергію в той же проміжок часу, що і максимальне сонячне випромінювання, яке можна отримати в день, коли Сонце світить високо, на поверхні 1 кВт. Більш-менш перпендикулярно до цих променів. Беручи до уваги, що сонячні промені вражають під певним кутом, змінним протягом дня від моменту сходу до заходу, можна підрахувати, що загальна падаюча енергія в повний літній день зазвичай не перевищує в середніх широтах 8 кіловат-годин (взимку це значно менше). Еквівалентна електроенергія представляла б пару доларів за поточними цінами.

Однак, незважаючи на помірне значення, сонячна енергія може бути дуже корисною, якщо її правильно використовувати, як це буде видно пізніше.

Крім того, якщо промені повинні проходити через шар атмосферного повітря, чим менше перпендикуляром вони роблять це, тим довшим буде шлях і тим більша маса повітря, яку їм доведеться подолати, щоб досягти землі, їх інтенсивність послаблюється ефект поглинання.

Всі ці фактори головним чином відповідають за те, що, наприклад, сонячна енергія, що збирається протягом дня пізньою осінню або на початку зими, набагато менше, ніж у день пізньої весни або на початку літа, навіть коли в обох випадках не було хмарності.

Якщо, нарешті, до цього додати, що хмарність взимку більша, легко зрозуміти дефіцит корисної енергії, якою в середньому ми можемо сподіватися скористатися в найбільш несприятливі місяці року (в Північна півкуля, листопад, грудень та січень).

6. - Пряме та дифузне випромінювання

Значна частина фотонів, які нарешті досягають землі, зазнала відхилень від своєї початкової траєкторії (пряма лінія від Сонця) при взаємодії з атомами, що знаходяться в повітрі.

Глобальний ефект цих дисперсій, яких зазнають промені, полягає в імітації того, що випромінювання, крім того, що надходить безпосередньо від сонячного диска, робить це більш-менш однорідно з усіх точок небесного склепіння.

Випромінювання, яке надходить безпосередньо від Сонця і доходить до нас без страждаючих відхилень, називається прямим, а все інше - дифузним, оскільки останнє поширюється по всій небесній півкулі, роблячи вигляд, що його випромінює.

Якби не було повітря, очевидно, все випромінювання було б прямим, і якби ми дивились на небо, в інше місце, крім того, яке займає Сонце, наше око не отримувало б жодного випромінювання (небо було б чорним). Наприклад, ми не могли б читати книгу при природному освітленні, якщо сама книга не потрапляла безпосередньо на сонячне світло.

Хмари поширюють сонячну радіацію сильніше, ніж сухе повітря, тому в похмурий день все опромінення, яке ми можемо отримати, буде дифузним. У типовий ясний день пряме випромінювання в кілька разів перевищує дифузне.

Нижче ви можете побачити карти середнього інциденту сонячної енергії в різних районах світу. Лінії з’єднують точки, де ця енергія дорівнює. Числові значення виражають кВт · год енергії на добу на кожен квадратний метр горизонтальної поверхні. Щоб переглянути кожну карту детально, натисніть на неї.

З іншого боку, дві радіаційні карти Піренейського півострова можна побачити нижче. Ці карти забезпечують нас сонячною енергією, що отримується в середньому за день липня (карта ліворуч) та грудня (карта праворуч), виражена калоріями в горизонтальному сантиметрі грунту. Ви можете помітити велику різницю між значеннями, що відповідають одному і іншому місяцю.

7.- Енергія аварії та корисна енергія

Для виробництва енергії корисні як пряме, так і дифузне випромінювання.

Однак не вся променева енергія, що доходить до нас, може бути використана, оскільки, як і у багатьох пристроях, яким для початку роботи потрібен стимул, більший за певне значення, сонячні пристрої працюють лише від мінімального значення випромінювання. Будь-яка енергія, яка опускається нижче певного мінімального значення, буде марною для практичного використання, оскільки датчики, відповідальні за запуск Сонячної системи, не виявлять достатнього значення, щоб система працювала з мінімально необхідною ефективністю.

Наприклад, рано вранці або пізно вдень енергія падаючої речовини є дуже низькою, не досягаючи мінімального порогового значення для використання тепловою рідиною через сонячний поглинач. Те саме відбувається в часи високого хмарного покриву: деяка кількість енергії завжди доходить до землі (саме тому, хоча день дуже похмурий, ми можемо бачити на вулицях, не вдаючись до штучного освітлення), але з недостатньою інтенсивністю, за сучасних технологій, щоб мати можливість забезпечити корисну енергію. Наприклад, хоча теоретично інтенсивність випромінювання 100 Вт/мІ, що падає протягом 6 годин, забезпечувала б таку ж кількість енергії, як інтенсивність 600 Вт/мІ протягом однієї години, насправді в першому випадку чиста енергія, яка використовується тепловим колектором це було б нулем.