Сончево зрачење

Сончево зрачење (или „сончева радијација“), во најширока смисла, е целосниот спектар на електромагнетно зрачење која ја испушта Сонцето. На Земјата, сончевото зрачење се филтрира низ Земјината атмосфера, а сончевото зрачење се гледаме како дневна светлина кога Сонцето е над хоризонтот. Блиску до половите во лето деновите се подолги, а ноќите покуси или воопшто ги нема. Во зима, на половите ноќите се подолги, и во некои периоди сончевата светлина воопшто ја нема. Сончевото зрачење може да се измери со помош на апарат наречен пиранометар или пирхелиометар. Светската метеоролошка организација ја дефинира сончевата светлина како директно зрачење од Сонцето врз Земјата со најмалку 120 W·m<sup>−2</sup>.
Директното сончево зрачење има светлосен ефект од околу 93 лумени на ват, што вклучува инфрацрвено зрачење, видлива светлина и ултравиолетово зрачење. Сјајната сончева светлина има околу 100.000 кандели на квадратен метар на површината на Земјата.
Сончевата светлина е клучниот фактор за процесот фотосинтеза.
1 Сончевото зрачење во Сончевиот Систем
Различните небесни тела во нашиот Сончев Систем примаат светлина која е обратнопропорционална од квадратот на нивното растојание од Сонцето. Следи табела на количеството светлина што го добива секоја од планетите (според податоците од ):
Планета, Перихел - АФел растојание (ае), сончево зрачење максимум и минимум (W/m²)
Меркур, 0.3075 – 0.4667, 14,446 – 6,272
Венера, 0.7184 – 0.7282, 2,647 – 2,576
Земја, 0.9833 – 1.017, 1,413 – 1,321
Марс, 1.382 – 1.666, 715 – 492
Јупитер, 4.950 – 5.458, 55.8 – 45.9
Сатурн, 9.048 – 10.12, 16.7 – 13.4
Уран, 18.38 – 20.08, 4.04 – 3.39
Нептун, 29.77 – 30.44, 1.54 – 1.47
Светлината која ќе пристигне на секоја од планетите зависи и од составот на нивната атмосфера. На пример, сончевата светлина која допира до Марс е многу слична на дневната светлина на Земјата. Или, сончевата светлина која допира до Сатурн, е малку посјајна од онаа Земјата за време на зајдисонце или изгрејсонце. Дури и на Плутон ситгнува доволно сончева светлина, која може да се спореди со светлината во една просечна дневна соба на Земјата.
2 Ефекти врз климата
На Земјата, сончевото зрачеење е видливо како дневна светлина кога Сонцето е над хоризонтот. Кога директното зрачење не е попречено од облаци, освен сончева светлина имаме ефект и на топлина. Топлината на Земјината површина и предметите на неа се во директна зависност и од затоплувањето на воздухот.
Орбитата на Земјата има влијание врз количеството сончево зрачење. На пример, на латитуда од 65 степени, сончевата енергија во лето и зима варира за повеќе од 25%, поради варијацијата на Земјината орбита, со што јасно се оцртуваат годишните времиња. Се смета дека ваквите промени во примањето на сончевата енергија се причина за појава на ледено доба.
Дотокот на енергија од сончевото зрачење се нарекува сончева константа, која е 1400W/m2 при средна оддалеченост на Земјата од Сонцето, под агол од 90 степени занемарувајќи го влијанието на атмосферското апсорбирање. При поминување низ атмосферата дел од енергијата се троши во сложени процеси, а дел се рефлектира и реемитува во вселената. Тој дел изнесува околу 1/3 од енергијата која стасала до работ на атмосферата. Дотокот на енергија до површината на Земјата изнесува во просек 920W/m2. Ако проекцијата на површината на Земјата е 127.106 km2, дотокот на енергија изнесува 117.400 TW. Поради ротацијата на Земјата таа енергија се распоредува по целата површина на Земјата (510.1.106km2), просечниот доток на енергија изнесува 230W/m2, односно 5.52Wh/m2 дневно. Ова се секако просечни вредности, а реалните зависат од географската ширина, делот од денот, појавата на блаци, загадувањето и др.
Енергијата од зрачењето на Сонцето која доаѓа на Земјината површина изнесува околу 109TWh (8.6.1013toe) годишно. Таа енергија е за околу 170 пати поголема од енергијата на вкупните резерви на јаглен во светот. Тоа е огромен енергетски извор со кој можат да се задоволат енергетските потреби за особено долг период.
3 Животот на Земјата
Опстанокот на речиси сите животни форми на Земјата зависи од сончевата светлина. Растенијата ја користат сончевата светлина за процесот наречен фотосинтеза. Животните индиректно ја користат сончевата светлина, преку внесување на растенија во својата исхрана.
Релативно скорешните откритија на јаглен, нафта и земен гас претставуваат употреба на сончевата светлина заробена во земјата милиони години. Фосилните горива се остатоци од древни растенија и животни, и претставуваат искористлив извор на дополнителна енергија на Земјата. Но, количеството на фосилните горива е ограничено. Постојат повеќе теории кои зборуваат за алтернативни средства за добивање енергија на Земјава, но и за катастрофите кои би го снашле човештвото при недостаток на извори на енергија. Фосилно-јадрената ера е само една кратка епизода во историјата на човештвото. Таа се протега во епохата од почетокот на индустријализацијата до исцрпувањето на фосилните ресурси. Пред тоа човештвото живеело само од енергијата на Сонцето, но благодарение на новите технологии, ќе биде можно да се користи енергијата од Сонцето многу подобро и пофлексибилно.
4 Културни аспекти
За повеќето луѓе директното изложување на сончевото зрачење е непријатно, а посебно долго изложување на силна сончева светлина предизвикува долготраен проблем со видот. Затоа се измислени очилата за сонце, а во употреба се и други помагала за заштита од Сонцето: капи, чадори, природни или вештачки создадени сенки и така натаму.
4.1 Користење на сончевата енергија
За разлика од нафтата, останатите фосилни и јадрени горива, чија сопственост е концентрирана во рацете на малкумина, Сонцето е тука за сите, и претставува извор на енергија која може да се искористи.
Постојат две можности за енергетско искористување на сончевото зрачење: трансформирање на сончевата енергија во топлинска и директното трансформирање во електрична енергија.
Фотонапонските ќелии се користат за директно трансформирање на сончевата енергија во електрична со особено мал степен на полезност. Работат на принцип на фотоелектричен ефект. Многу тенка силициумова плочка со примеса на арсен изложена на сончево зрачење се однесува како полупроводник. Честичките од светлоста, фотони, од атомите на силициумот ги избиваат електроните, и како резултат на тоа на едната страна на полупроводничкиот спој се јавува повеќе позитивно, а на другата страна повеќе негативно електризирање, односно проток на струја. Голем недостаток е нискиот степен на искористеност, околу 15%. Друг недостаток е особено ниската енергетска исплатливост. Имено, изработката на овие ќелии е со специфичко голема потрошувачка на енергетски најскапите материјали (Al, Si, Cu) со што времето на враќање на вложената енергија околу 20 години. Ако векот на траење на овие уреди е помал од 20 години не можеме да тврдиме дека ова е обновлив извор на енергија.
Користењето на овие фотонапонски ќелии има смисла само на оние место каде тоа е единствениот начин за снабдување со електрична енергија некои изолирани, важни и скапи уреди, како што се вселенските бродови, сателитите или оддалечените метеоролошки станици, за што веќе се користат. Фотонапонските ќелии се произведуваат во текот на последните децении, поради решавање на проблемите на вселенските програми, т.е. нивната цена се намалува и сега изнесува околу 10 USD/W.
4.2 Примена во домаќинствата
Фотонапонските ќелии можат да обезбедат електрична енергија во објектите или апаратите каде електричната енергија од електричната мрежа не е достапна. Тоа најчесто се викендички или куќи во непристапните места, пловни објекти, караван куќи, како и разни телекомуникациски уреди на планинските врвови или сигналните уреди на автопатите.
Стандарните елементи на фотонапонските системи се фотонапонските модули, контролорите на полнењето на акумулаторите, акумулатори, проводници, носечки системи. Кога е потребно да се обезбеди електрична енергија со напон од 220 V се користат уреди кои ја претвораат еднонасочната струја од акумулаторите во наизменична со соодветниот напон.
4.3 Како работи фотонапонскиот модул
Еден фотонапонски модул е составен од повеќе ќелии и најчесто обезбедува напон од 12 или 24 V, и сила од 10 до 150 W. Модулот има сила од 100 W, и напон од 12 V, а димензиите му се 58х132 cm. Бројот на модулите и капацитетот на акумулаторот се одредуваат според потребите на потрошувачите кои ќе се приклучат на фотонапонскиот систем. Користи компакт флуо светилки 7 и 11 W кои работат на неднонасочен напон од 12 V, а се приклучуваат со помош на стандардно светилно грло Е27. За помали потреби постојат и фрижидери до 40 литри со напојување од 12 V. Доколу сакате да го користите постоечкиот фрижидер кој е предвиден за работа на 220 V, во тој случај обично се прави целата електрична мрежа да работи на 220 V и се користат компакт флуо штедливи светилки, бидејќи е потребо да се води сметка за секој потрошувач. Регулаторите кои го регулираат полнењето на акумулаторите од фотонапонските ќелии, потрошувачката на струјата како и состојбата на акумулаторите се произведуваат за струја од 6 до 30 A. Добиената електрична енергија од сончевите ќелии се акумулира во оловните акумулатори со електролит, бидејќи истите се предвидени за работа во режим на длабоко празнење, за разлика од акумулаторите кои се користат кај автомобилите.
4.4 Сончеви колектори
Материјалите кои имаат особини на црно тело (потполно апсорбирање на сончевата енергија) се подобни за изградба на колектори. Се поставуваат на крововите, на фасадните или носечките конструкции. Степенот на искористеност при трансформација на сончевата енергија во топлинска изнесува околу 60% до 70%. Составни делови на колекторот се: куќиште (од Al профил), термоизолација (минерална волна со дебелина од околу 50 mm), апсорбер (алмела низ која се поставени бакарни цевки), стаклена прекривка со дебелина од 4 mm. Ова се техничките податоци на колектори кои ги прозиведуваат некои регионални фирми.
Во системите за искористување на сончевата енергија разликуваме два циркулациски круга: примарен и секундарен. Во примарниот круг, топлината апсорбирана во апсорберот од колекторот се пренесува до разменувачот на топлината. Преносител на топлината во примарниот круг најчесто е смеса од вода и 30-40% етиленгликол. Во секундарниот круг преку променувачот на топлината, топлината се пренесува на акумулаторите за топлина, а од тука посредно или непосредно до потрошувачите, како топла санитарна вода или вода за греење на просторот.
Меѓутоа, мора да има дополнителен систем за греење и топла вода, бидејќи сончевата енергија ноќе и во зима не ги задоволува нашите потреби. Со вградувањето на колекторите на самиот старт имаме дополнителна инвестиција, меѓутоа дополнително имаме заштеда на гориво или електрична енергија.
Сопред проценките сончевата енергија (наречена и „сончева“) во лето би можела да обезбеди 80% од потребата за топла вода, а во зима меѓу 35% и 50%. Системите за греење и топла вода би можеле да обезбедат 35% од потребите во северна и централна Европа, околу 50% јужно од Алпите, а на југот на Европа дури и до 70%. Според предвидувањата вкупната површина на колектори во ЕУ во 2010 треба да достигне 75 милиони km2.
4.5 Сончеви електрани
Во сончевите (или сончеви) електрани се врши посредно претворање на сончевата енергија во електрична. Со примена на огледала се врши концентрирање на сончевата енергија во колекторот. Доколу на тој начин се постигне температура помала од 100 С, тогаш во разменувачот на топлината се користи фреон, кој испарува и ја движи турбината, а ако се постигне значително повисока температура тогаш топлината се пренесува на вода од која создава пареа која ја движи парната турбина.
Постојат два система за сончеви електрани: за мали сончеви електрани: DCS-Distributed Collectors System, кај кои течноста тече низ цевки околу кои се поставени параболични огледала, што го фокусираат зракот на цевката, пренесувајќи ја на тој начин концентрирано топлината.
За големи сончеви електрани: CRS-Central Reciver System, со централен приемник, на кој со огледала се пренесува целокупната топлина.
Ваквите сончеви електрани користат централен столб (повисок од 100m), на кој е сместен котел – колектор за топлина. Околу столбот се распоредени огледала (хелиостати), чија положба компјутерски се контролира и корегира, така што независно од положбата на Сонцето во текот на денот, секогаш го рефлектираат зракот на врвот од столбот. Загреаната течност (минерлни масла или течен натриум) се пренесува преку акумулаторот за топлина до разменувачот, во кој се генерира пареа која ја движи турбината.
Најголема CRS електрана во светот е СЕ „Solarone“, во Калифорнија, со сила од 10MW. За нејзина изградба се потрошени 142 милиони УСД, што дава специфична инвстиција од 14,2 USD/W, а што е за 15 пати пскапо од класичните електрани. Интересен е податокот дека 20 екипи од по 20 луѓе континуирано ги чистат огледалата за да може сончевата електрана да функционира нормално.
Специфичната потрошувачка на клучните материјали (челик и бетон) е 20 до 30 пати поголема отколку кај ТЕ. Според пресметките периодот на враќање на инвстицијата е околу 15 години. Уште еден проблем е и големиот простор кој е потреба за огледалата, со што кога таква СЕ би се градела на продуктивен простор, не би била можна каква било продукција на биоенергија.
5 Поврзано
* Воздушна енергија
* Земјина атмосфера
* Температура
* Електромагнетно зрачење
* Светлина
* Клима
* Зрачење
* Месечева светлина
* Озон
* Озонска дупка
* Годишни времиња