СЛЪНЦЕТО И ЗЕМЯТА

дължина вълната

Някои много мощни източници на лъчиста енергия са звездите. Въпреки това, като се има предвид тяхното огромно разстояние и тъй като излъчваната от тях радиация се затихва, тъй като тя постепенно се разпространява върху все по-голяма и по-голяма сферична повърхност, докато се разпространява в космоса, ефектите, които те произвеждат на Земята, са много малки.

Въпреки това, едно от тях, Слънцето, поради своята близост, е способно да ни достави такова количество лъчиста енергия, че е установило физическите условия, които са преобладавали на планетата от нейното формиране, включително тези, които определят това, което знаем като живот.

Ние се интересуваме от количествените аспекти на енергията на Слънцето, без да навлизаме в задълбочено описание на физико-химичните трансформации, които то претърпява, след като засяга земната повърхност.

1. - Числови данни

Слънцето е доста обикновена звезда, с единствената особеност, че се намира само на разстояние около 150 милиона километра от Земята. Излъчването, което излъчва, отнема малко повече от 8 минути, за да достигне нашата планета, със скорост от около 300 000 км/сек. Диаметърът му е около 1 400 000 км, а масата му е еквивалентна на тази на около 300 000 планети, равни на Земята.

Подобно на всички звезди, Слънцето е гигантска ядрена пещ, в която масата непрекъснато се превръща в лъчиста енергия, изчислявайки за повече от 5000 милиона години времето, което ще мине, докато бъде напълно изгасено.

От онова огромно количество лъчиста енергия само малка част достига нашата планета, въпреки че представлява много голямо количество в сравнение с енергията, от която се нуждаем, за да поддържаме нашата технологична цивилизация. Проблемът не е в общото количество налична енергия, а в трудностите при използването й, тъй като тя е разпръсната, разпространявайки се по цялата повърхност на земята и океаните. Средно количеството енергия, което достига до нашата външна атмосфера, е еквивалентно на мощност от 1,4 kW на m², количество, което се намалява до около 1 kW, когато преминава през атмосферата и достига земята.

Ефективната повърхностна температура на Слънцето е около 5600 ° C. Тези данни са важни, тъй като характеристиките на радиацията, излъчвана от тялото, са функция от температурата на повърхността на тялото. Температурата от 5600 ° C е по-висока от нормално постижимата при нормални промишлени процеси, които човек може да произведе изкуствено. Следователно характеристиките на слънчевата радиация се различават значително от тези на други изкуствени източници на радиация.

Слънчевата радиация се формира от смес от електромагнитни вълни с различни честоти, някои от тях (тези, чиято "дължина на вълната" е между 0,4 и 0,7 µm) могат да бъдат открити от човешкото око, съставлявайки това, което познаваме като видима светлина. Други, макар и да не се виждат, също правят своите ефекти забележими, като прехвърлят енергията, която пренасят в телата.

2.- Положение на Земята по отношение на Слънцето

Дори по-важно от абсолютното количество получена енергия е наклонът, с който радиационните вълни (т.е. лъчите на Слънцето) поразяват повърхността, тъй като това ще доведе до разпространението на енергията върху повече или по-обширна площ, намалявайки или увеличаване на интензивността му.

Поради наклона на оста на въртене на Земята по отношение на равнината на нейната орбита около Слънцето и сферичната му форма, една и съща точка на повърхността на Земята получава лъчи с различен наклон, в зависимост от времето на годината, и следователно, ефективната енергия, която влияе на квадратен метър хоризонтална повърхност, варира значително.

През зимата слънчевите лъчи падат с малък ъгъл по отношение на хоризонталата, обратен на този през лятото, когато ъгълът е много по-голям, достигайки перпендикуляра в зоните близо до Екватора и в централните моменти от деня. Поради тази причина общата падаща енергия е много по-висока през лятото, отколкото през зимата и, ако вземем предвид падащата енергия в определен период от време - например час - също е много по-висока в централните часове на деня ( около обяд), че в часовете около изгрев или залез.

Въпреки че всички знаем, че Земята се върти около Слънцето, а не обратното, за практически цели тя все още е полезна и води до същите резултати, за да приемем, че именно Слънцето се върти около нашата планета, описвайки орбита приблизително кръгла (всъщност описва много плитка елипса).

С този измислен модел Слънцето се държи като светило, което се издига всеки ден от Изток и към Запад, описвайки повече или по-малко широка дъга в небето, в зависимост от времето на годината.

През пролетта и лятото дъгата на слънчевата пътека е по-голяма, Слънцето се издига по-високо над хоризонта и остава да свети по-дълго на небето. Напротив, през зимата точките на хоризонта, където той се издига и залязва, са по-близо една до друга, пътят е по-кратък и по-малко издигнат, а времето (продължителността на слънчевия ден), което изтича между изгрева и залеза, е много по-малко.

Логично е, че колкото по-голяма е продължителността на слънчевия ден, толкова повече енергия може да се събере през целия ден. Освен това, друг фактор, дори по-важен от продължителността на деня, е фактът, че колкото по-ниска е слънчевата пътека, толкова по-малък ъгъл ще ударят лъчите спрямо хоризонталната земя и, както беше казано, интензивността ще бъде по-ниска., като трябва да разпределя енергията в по-голяма площ.

Друг фактор, който определя по-малкото или по-голямото количество енергия, което достига до повърхността, е степента на облачност в района. Облаците поглъщат по-голямата част от слънчевата енергия, отразявайки я отгоре и връщайки я в космоса. В типичен облачен ден енергията, която успява да премине през облачния слой, е само малка част от тази, която би достигнала повърхността, ако небето е ясно, като цяло е недостатъчна за системите за използване на слънчева енергия (с възможно с изключение на тези, базирани на фотоволтаичния ефект) могат да работят.

Поради това климатичните условия в даден регион са най-важният фактор при оценката на практическите възможности на слънчевата инсталация. Ако климатът е силно облачен, шансовете системата да стане печеливша ще бъдат малки.

Средната температура на въздуха и скоростта на вятъра също влияят, макар и в по-малка степен от облачността, особено при плоски колектори, предназначени да загряват вода, тъй като ако споменатата температура е твърде ниска или преобладаващият вятър е силен, колекторът ще има тенденция бързо да загуби топлина, произведена от слънчева радиация, което затруднява предаването на водата, която искаме да нагреем.

Регионите с малко облачност и не твърде студено представляват идеалната зона, в която при съвременните технологии е възможно да се възползват напълно от обичайните системи за термично използване на слънчевата енергия. Възможно е обаче да се използва разумно оскъдната енергия, която може да се събира в райони с високи географски ширини и много ниски температури.

4. - Фотони

Квантовата теория, приложена към електромагнитното лъчение и по-специално към слънчевото електромагнитно лъчение, обяснява, че споменатото лъчение е конфигурирано по особен начин, като може да се третира в много опростено първо виждане, като набор, образуван от много голям брой енергия " клъстери "дискретни, наречени фотони, които са естествените единици на енергийния транспорт.

По този начин светлинните лъчи биха били своеобразен „душ“ от фотони, всеки от тях носещ малко количество енергия, но предвид огромния брой фотони, които преминават през даден участък или област във всяка секунда, нетният резултат е значителен енергиен транспорт.

Фотоните се различават един от друг само по стойността на дължината на вълната (или честотата си, дефинирана като коефициент между тяхната скорост - скоростта на светлината - и тази дължина на вълната).

По-големият или по-малкият интензитет на фотонния поток, т.е. броят на фотоните, които преминават през единичната площ, перпендикулярна на посоката на неговото изместване в единица време, ще определят интензивността на слънчевата радиация.

Ако всички фотони имаха една и съща дължина на вълната, общата енергия можеше лесно да се изчисли, без да се умножава единичната енергия на всеки фотон (която според Квантовата теория е просто продукт на постоянна величина, наречена константа на Планк, по честотата на фотона) по броя им. Реалността е по-сложна, тъй като излъчваната от Слънцето светлина се състои от много неравна смес от фотони с различни дължини на вълната.

В същия лъч на Слънцето има фотони, чиято дължина на вълната - да назовем няколко фигури - от половин микрон, един микрон, 1.2 микрона, 1.5 микрона и т.н.

За щастие относителният дял на фотоните според дължината на вълната им винаги е приблизително еднакъв, поне преди да проникне в земната атмосфера, при което поредица от явления могат да променят тази пропорция, въпреки че все още запазва повече или по-малко дефиниран профил.

Относителното разпределение на честотите (или дължините на вълните) на набора от фотони, съставляващи слънчевата радиация, е това, което е известно като слънчев спектър.

Само някои от фотоните - тези, чиято дължина на вълната е между 0,3 и 3 хилядни от милиметъра - са способни да бъдат открити от човешкото око, образувайки това, което ние наричаме „видима светлина“.

5.- Енергийният поток

Всеки отделен фотон има много малко количество енергия, но когато разглеждаме сумата от енергиите на всички фотони, които например за една минута удрят определена повърхност (например покрива на къща), получаваме количество на енергия от известно значение, предвид много големия брой фотони, които, както беше казано, има в лъч слънчева радиация.

Слънчевата енергия достига до най-отдалечените слоеве на атмосферата по приблизително постоянен начин, тъй като на тази височина няма облаци или препятствия, които могат да я отслабят. С леки вариации според времето на годината, поради факта, че разстоянието между Земята и Слънцето не винаги е еднакво, стойността на това, което е известно като Слънчевата константа, е около 1,35 kW мощност за всеки квадратен метър от повърхност, перпендикулярна на лъчите. Това означава, че за една секунда около 1350 джаула/mІ енергия достигат до стратосферата.

Силата на излъчване, която достига до земята, дори в благоприятни дни (небето напълно без облаци и с чист въздух), обикновено не надвишава 1000 W/mІ, винаги измерена на повърхност, перпендикулярна на пътя на лъчите. Това означава, че атенюиращият ефект на атмосферата, който поглъща и отклонява много от падащите фотони, е значителен.

Количеството енергия, което слънчевата радиация допринася, всъщност не е особено впечатляващо в сравнение с това, генерирано от други често използвани устройства. Например, малка плоча или електрически нагревател за отопление от 1 kW мощност произвежда същата енергия, в същия период от време, като максималната слънчева радиация, която може да бъде получена в ден, когато Слънцето грее високо, върху повърхност на 1 kW, повече или по-малко перпендикулярно на тези лъчи. Като се вземе предвид, че слънчевите лъчи удрят под определен ъгъл, променлив през целия ден от момента, в който се издига до момента, когато залязва, може да се изчисли, че общата падаща енергия в един цял летен ден обикновено не надвишава в средните ширини 8 киловатчас (през зимата е много по-малко). Еквивалентната електрическа мощност ще представлява стойност от няколко долара при текущи цени.

И въпреки умерената си стойност, слънчевата енергия може да бъде много полезна, ако се използва правилно, както ще се види по-късно.

Освен това, ако лъчите трябва да преминат през слоя на атмосферния въздух, колкото по-малко перпендикулярни го правят, толкова по-дълъг ще бъде пътят и по-голямата маса въздух, която трябва да преодолеят, за да стигнат до земята, като интензивността им се отслабва от ефектът на абсорбция.

Всички тези фактори са отговорни главно за факта, че например слънчевата енергия, събрана през целия ден в края на есента или началото на зимата, е много по-ниска, отколкото в деня в края на пролетта или началото на лятото, дори когато и в двата случая няма облачност.

Ако накрая към това се добави, че облачността е по-голяма през зимата, лесно е да се разбере оскъдното количество полезна енергия, от която средно можем да очакваме да се възползваме в най-неблагоприятните месеци от годината (през Северно полукълбо, ноември, декември и януари).

6. - Директно и дифузно излъчване

Голяма част от фотоните, които най-накрая достигат земята, са претърпели отклонения от първоначалната си траектория (права линия от Слънцето) при взаимодействие с атомите, присъстващи във въздуха.

Глобалният ефект от това разсейване, което лъчите претърпяват, е да симулира, че радиацията, освен че идва директно от слънчевия диск, прави това горе-долу хомогенно от всички точки на небесния купол.

Излъчването, което идва директно от Слънцето и което достига до нас, без да претърпява отклонения, се нарича директно, а всички останали дифузни, тъй като последното се разпръсква в цялото небесно полукълбо, преструвайки се, че последното го излъчва.

Ако нямаше въздух, очевидно цялата радиация щеше да бъде директна и ако погледнахме към небето, към място, различно от окупираното от Слънцето, окото ни нямаше да получи никаква радиация (небето щеше да е черно). Нито бихме могли например да четем книга на естествена светлина, освен ако самата книга не е била изложена директно на слънчева светлина.

Облаците разпространяват слънчевата радиация по-силно от сухия въздух, така че в облачен ден цялата радиация, която можем да получим, ще бъде дифузна радиация. В типичен ясен ден директното излъчване е няколко пъти по-високо от дифузното.

По-долу можете да видите картите на средния инцидент на слънчева енергия в различни области на света. Линиите се съединяват с точките, където тази енергия е равна. Числовите стойности изразяват kW · h енергия на ден за всеки квадратен метър хоризонтална повърхност. За да видите всяка карта в детайли, кликнете върху нея.

От друга страна, две радиационни карти на Иберийския полуостров могат да се видят по-долу. Тези карти ни осигуряват слънчевата енергия, получена средно на ден през юли (карта вляво) и декември (карта вдясно), изразена в калории в хоризонтален сантиметър на почвата. Можете да видите голямата разлика между стойностите, съответстващи на един и друг месец.

7.- Инцидентна енергия и използваема енергия

Както прякото, така и дифузното лъчение са полезни за производството на енергия.

Въпреки това, не цялата лъчиста енергия, която достига до нас, може да се използва, тъй като при много устройства, които се нуждаят от стимул, по-голям от определена стойност, за да започнат да работят, слънчевите устройства за събиране работят само от минимална стойност на радиацията. Всяка енергия, която падне под определена минимална стойност, ще бъде безполезна за целите на практическата употреба, тъй като сензорите, отговарящи за пускането на слънчевата система, няма да открият достатъчна стойност, за да накара системата да работи с минимално необходимата ефективност.

Например, по време на ранната сутрин или късния следобед, падащата енергия е много ниска, не достига минималната прагова стойност, за да може да се използва от термална течност, чрез слънчев абсорбер. Същото се случва и във времена на висока облачност: известна енергия винаги достига до земята (ето защо, въпреки че денят е много облачен, можем да видим по улиците, без да прибягваме до изкуствено осветление), но с недостатъчна интензивност за, с настоящите технологии, за да може да осигури полезна енергия. Например, въпреки че теоретично радиационната интензивност от 100 W/mІ, падаща в продължение на 6 часа, би осигурила същото количество енергия като интензивността от 600 W/m² за един час, в действителност в първия случай нетната енергия, използваема от термичен колектор би било нула.