Expert în utilizarea energiei solare

Bazele radiației solare

Dacă cineva își dă capul pentru a implementa un sistem de recuperare a energiei solare, este esențial să fii conștient de cel puțin caracteristicile de bază ale radiației solare. Fără aceasta, nu este posibil să înțelegem ce oportunități oferă radiația solară pentru utilizarea termică, când și în ce proporție putem înlocui sursele de energie convenționale cu colectoare solare. Următorul articol rezumă proprietățile de bază ale radiației solare care pot fi utilizate în practică.

Să ne uităm mai întâi la caracteristicile de bază ale Soarelui. Masa totală a Soarelui este o sferă gazoasă constând în principal din hidrogen în stare plasmatică. În interior are loc fuziunea nucleară sau producția de căldură termonucleară, în timpul căreia hidrogenul este combinat în heliu. Discul Soarelui vizibil de pe Pământ este corpul solar sferic, a cărui suprafață exterioară este așa-numitul fotosferă. Temperatura fotosferei este de aproximativ 6.000 K. Datorită temperaturii ridicate, Soarele emite radiații electromagnetice (luminoase) cu lungime de undă scurtă către spațiul rece. Puterea radiantă a Soarelui este de 4 × 1023 kW, din care ponderea suprafeței terestre atinge 173 × 1012 kW. Acestea sunt, desigur, un număr incomprensibil de mare la scară umană, dar magnitudinea energiei solare care vine pe Pământ este bine caracterizată prin faptul că cantitatea sa într-o oră este mai mare decât consumul total anual de energie al umanității. Un alt fapt încurajator este că, deși Soarele are deja 5 miliarde de ani, astrofizicienii prezic încă 5 miliarde de ani de viață pentru el. Deci, se pare că, cel puțin la scară umană, Soarele este disponibil pentru noi ca o sursă sigură și inepuizabilă de energie.

Cea mai importantă măsură a radiației solare, care poate fi utilizată în practică, este așa-numita constanta solara. Acest lucru dă puterea radiației solare la limita exterioară a atmosferei terestre. Valoarea sa este de aproximativ 1367 W/m 2. Aceasta înseamnă că dacă colectorul nostru solar ar putea fi instalat în afara atmosferei, în spațiu și rotit întotdeauna spre soare, suprafața colectorului ar fi expusă continuu acestei puternice radiații solare. Din păcate, totuși, un mecanic de acasă are șanse relativ mici să i se încredințeze o sarcină atât de frumoasă. Dacă, pe de altă parte, instalăm colectorul solar pe suprafața Pământului, acesta ridică mai multe probleme. Pe de o parte, radiația solară slăbește pe măsură ce trece prin atmosfera Pământului și nori și, pe de altă parte, pe măsură ce Pământul se rotește, suprafața unui colector solar fix este expusă la un unghi acceptabil timp de 5-10 ore pe zi., în funcție de sezon și de locația geografică.

figura 1
Valorile radiației solare măsurate pe suprafața Pământului

Atmosfera provoacă o atenuare constantă și previzibilă a radiației solare care ajunge la suprafața pământului. Când radiația solară trece prin atmosfera terestră, aceasta, ca toată materia, atenuează radiația solară prin absorbție și reflexie. Astfel, din puterea de 1367 W/m 2 deasupra atmosferei, doar un maxim de 1000 W/m 2 rămâne pe sol. De asemenea, este doar la prânz când vremea este complet senină și nu sunt nori pe cer. Și dacă vremea este acoperită și înnorată, acest lucru va provoca, desigur, o slăbire suplimentară (Figura 1). În cazul norilor subțiri, sporadici, valoarea radiației solare este de 700-800 W/m 2, în cazul norilor mai extinși este de numai 500-600 W/m 2, iar în cazul norilor densi și întunecați capacul scade la 50-100 W/m 2.

Într-o anumită locație geografică, frecvența acoperirii cu nori, numărul de zile senine și acoperite și radiația solară măsurată pe suprafața pământului sunt date de serii de date meteorologice bazate pe mulți ani de măsurători. Ungaria este situată în zona temperată nordică, între 45,8 ° și 48,6 ° latitudine nordică. Conform statisticilor, numărul de ore de soare este de aproximativ 2100 de ore pe an, cantitatea anuală de căldură din radiația solară ajungând la suprafața orizontală

1280 kWh/m 2, cu o suprafață orientată spre sud cu o înclinație de 45 °

Nu există diferențe foarte semnificative între unele zone ale Ungariei în ceea ce privește radiația solară. Cea mai însorită parte este partea centrală, sudică a țării, cel mai puțin soare este în nord și vest. Cea mai mare diferență între părțile țării este de aproximativ 8%. Prin urmare, atunci când se scalează un sistem solar intern, nu se obișnuiește cu adevărat să se ia în considerare exagerat locația geografică. Dacă clientul este din partea de nord defavorizată a țării, este obișnuit să se arate hărțile radiației solare austriece sau germane ca o consolare. Soarele strălucește și mai puțin acolo, totuși există mult mai multe panouri solare și panouri solare decât aici.

Figura 2
Cantitatea de radiație solară care ajunge pe o suprafață orizontală în Ungaria

Geometria radiației solare

Pentru a înțelege modul în care funcționează cu colectoarele solare și distribuția în timp a energiei solare utilizabile, este, de asemenea, necesar să aveți cunoștințe de bază despre geometria radiației solare. Am aflat deja cel mai important fapt din școala primară: Pământul se învârte în jurul Soarelui, dar se învârte și în jurul propriei axe. Sună simplu, dar complică puțin lucrurile, încât axa de rotație a Pământului face un unghi de 23,5 ° cu axa orbitei din jurul Soarelui. Am putea, de asemenea, să spunem așa, cu Pământul „legănându-se” în timp ce orbitează Soarele. Consecința este că, dintr-un punct de pe Pământ, orbita aparentă a Soarelui și, astfel, lungimea zilelor, adică durata teoretică a soarelui, variază de la o zi la alta în cursul anului. Soarele călătorește mai jos iarna și mai mare vara și, prin urmare, lungimea soarelui este semnificativ mai lungă vara decât iarna. Figura 3, care ilustrează orbita Pământului, arată, de asemenea, că altitudinea de vară a soarelui în latitudinea Ungariei este de 66 °, în timp ce aceeași în cea mai scurtă zi de iarnă este de numai 19 °.

Figura 3
Orbita Pământului în jurul Soarelui.

Ziua tipică a Ungariei poate fi văzută mai detaliat în Figura 4. Poate că în această figură putem percepe mai bine diferența dintre iarna și ziua de vară. Pe baza figurii, putem concluziona că, din punctul de vedere al amplasării colectoarelor solare, este important când și în ce scop dorim să folosim sistemul colector solar. Dacă avem nevoie de energie solară în mod uniform pe tot parcursul anului - cum ar fi un sistem de apă caldă menajeră - unghiul optim al colectoarelor solare este de 40-45 °. Dacă, pe de altă parte, vrem să încălzim doar vara, de ex. o piscină în aer liber, preferăm să utilizăm un unghi de înclinare mai plat de aproximativ 30 °, deoarece Soarele este înalt în această perioadă. Și cel mai important: dacă scopul este de a ajuta la încălzirea iernii, este recomandabil să plasați colectoarele solare cu un unghi de înclinare mai abrupt de 50-60 °, astfel încât soarele mai plat din timpul iernii să ajungă la suprafața colectoarelor solare din dreapta. unghi.

Figura 4
Orbita aparentă a Soarelui din Ungaria

Figura 5
Scăderea veniturilor anuale solare în funcție de înclinare și orientare

Distribuția anuală a radiației solare

Radiațiile solare, la fel ca toate datele meteo, sunt destul de capricioase. Cantitatea de radiație solară într-o anumită zi nu poate fi calculată în avans. Pe de altă parte, putem spune ce se așteaptă într-o anumită perioadă, sezon, cu o bună aproximare.

Figura 6
Radiația solară anuală din Ungaria măsurată pe o suprafață orientată spre sud și înclinată la 45 °

Figura 6 prezintă, cu titlu de exemplu, distribuția radiației solare în 2004 măsurată pe o suprafață orientată spre sud și înclinată la 45 °. Figura de mai sus, unde datele sunt defalcate în funcție de zi, arată în mod clar natura capricioasă, alternanța aleatorie a zilelor acoperite și senine. Din această cifră, se poate afirma cel mult că vara valorile soarelui sunt mai mari decât în semestrul de iarnă, iar frecvența zilelor senine este, de asemenea, mai mare. Cu toate acestea, din figura de mai jos, unde datele despre radiații sunt calculate în medie pe 30 de zile, pot fi citite semnificativ mai multe informații. De exemplu, se poate determina nivelul mediu de radiație solară pentru fiecare perioadă, care poate fi punctul de plecare pentru dimensionarea ingineriei termice. În Ungaria, următoarele valori zilnice ale veniturilor radiației pot fi calculate în fiecare sezon: iarna

1800 kWh/m 2, în primăvară

4600 kWh/m 2, vara

5500 kWh/m 2 și toamna

3300 kWh/m 2. Se mai poate citi din figură că radiația solară anuală este de cca. două treimi ajung în semestrul de vară și doar o treime rămân pentru semestrul de iarnă. Aceasta, desigur, este o veste destul de proastă pentru inginerii de construcții, deoarece avem nevoie de mai multă energie doar iarna. Cu toate acestea, nu putem schimba distribuția radiației solare, deci tot ce putem face este să luăm în considerare corect datele radiației solare și să ne bazăm pe ceea ce este disponibil în mod realist. Desigur, datele de mai sus se aplică pentru moment doar radiației solare. Proporția acestui lucru care poate fi utilizată cu colectoarele solare va fi examinată într-un articol următor.