A NAP ÉS A FÖLD

föld

Néhány nagyon erős sugárzó energiaforrás a csillag. Tekintettel azonban óriási távolságukra és mivel az általuk leadott sugárzás gyengül, mivel az űrben terjedve egyre nagyobb gömbfelületre terjed, az általuk a Földön okozott hatások nagyon kicsiek.

Közülük azonban az egyik, a Nap, a közelsége miatt képes olyan mennyiségű sugárzó energiát eljuttatni hozzánk, hogy megteremtette azokat a fizikai feltételeket, amelyek a bolygón kialakulása óta uralkodtak, beleértve azokat is, amelyek meghatározzák, amit tudunk mint az élet.

A Nap energiájának mennyiségi vonatkozásai érdekelnek minket anélkül, hogy elmélyülten leírnánk azokat a fizikai-kémiai átalakulásokat, amelyeken keresztül mennek, miután hatással vannak a föld felszínére.

1.- Numerikus adatok

A Nap meglehetősen hétköznapi csillag, azzal a különlegességgel, hogy csak a Földtől körülbelül 150 millió kilométer távolságban található meg. Az általa kibocsátott sugárzás valamivel több mint 8 percet vesz igénybe bolygónk eléréséhez, körülbelül 300 000 km/s sebességgel. Átmérője körülbelül 1 400 000 km, tömege pedig megegyezik a Földdel megegyező körülbelül 300 000 bolygó tömegével.

Mint minden csillag, a Nap is egy óriási atomkemence, amelyben a tömeg folyamatosan átalakul sugárzó energiává, több mint 5000 millió év alatt kiszámítva azt az időt, amely telik, amíg teljesen ki nem olt.

Ebből a hatalmas mennyiségű sugárzó energiából csak egy apró töredék jut el bolygónkra, bár nagyon nagy mennyiséget képvisel ahhoz az energiához képest, amelyre technológiai civilizációnk fenntartásához szükségünk van. A probléma nem a rendelkezésre álló energia összmennyisége, hanem a használatának nehézségei, mivel szétszórtan terjed a föld és az óceánok teljes felületén. Átlagosan a külső atmoszféránkba jutó energiamennyiség egyenértékű 1,4 kW/mІ teljesítménnyel, amely mennyiség a légkörön áthaladva és a földre érve 1 kW körülire csökken.

A Nap felszínének tényleges hőmérséklete körülbelül 5600 єC. Ezek az adatok azért fontosak, mert a test által kibocsátott sugárzás jellemzői a test felszínének hőmérsékletétől függenek. Az 5600 єC hőmérséklet magasabb, mint a normál ipari folyamatokban általában elérhető hőmérséklet, amelyet az ember mesterségesen képes előállítani. Ezért a napsugárzás jellemzői jelentősen eltérnek a többi mesterséges sugárforrás jellemzőitől.

A napsugárzás különböző frekvenciájú elektromágneses hullámok keverékéből tevődik össze, amelyek közül néhányat (olyanokat, amelyek "hullámhossza" 0,4 és 0,7 µm között van) az emberi szem detektálhatja, ami látható fényként ismert. Mások, bár nem láthatók, a hatásukat is észrevehetővé teszik, azáltal, hogy az általuk szállított energiát átadják a testeknek.

2.- A Föld helyzete a Naphoz képest

A kapott energia abszolút mennyiségénél még fontosabb az a dőlésszög, amellyel a sugárhullámok (vagyis a Nap sugarai) egy felületre ütköznek, mivel ez az energia többé-kevésbé kiterjedt területen történő elterjedését okozza, csökken vagy csökken. intenzitásának növelése.

A Föld forgástengelyének a Nap körüli pályája síkjához és gömb alakjához viszonyított dőlése miatt a Föld felszínének ugyanazon pontja az évszakától függően eltérő hajlású sugarakat fogad, ezért a négyzetméter vízszintes felületet befolyásoló tényleges energia jelentősen változik.

Télen a napsugarak a vízszinteshez képest kis szöget zárnak be, ellentétben a nyárival, amikor a szög sokkal nagyobb, és az Egyenlítő közelében lévő területeken, valamint a nap középső pillanataiban merőlegest érnek el. Emiatt a teljes beesési energia nyáron sokkal magasabb, mint télen, és ha figyelembe vesszük a beeső energiát egy bizonyos időszakban - például egy órában -, akkor a nap központi óráiban is jóval magasabb ( dél körül), hogy a napfelkeltéhez vagy napnyugtához közeli órákban.

Bár mindannyian tudjuk, hogy a Föld forog a Nap körül, és nem fordítva, gyakorlati célokból mégis hasznos, és ugyanazokra az eredményekre vezet, ha feltételezzük, hogy a Nap forog bolygónk körül, leírva egy megközelítőleg kör alakú pálya (valójában egy nagyon sekély ellipszist ír le).

Ezzel a fiktív modellel a Nap úgy viselkedik, mint egy napfény, amely napról napra emelkedik keletről és nyugat felé, és az évszakától függően többé-kevésbé széles ívet ír le az égen.

Tavasszal és nyáron a naputak íve nagyobb, a Nap magasabbra emelkedik a láthatár felett, és tovább ragyog az égen. Éppen ellenkezőleg, télen a láthatáron lévő pontok, ahol emelkedik és beáll, közelebb vannak egymáshoz, az út rövidebb és kevésbé magas, és a napkelte és napnyugta között eltelt idő (a nap napjának időtartama) sokkal kevesebb.

Logikusan elmondható, hogy minél hosszabb a nap napjának időtartama, annál több energia gyűlik össze a nap folyamán. Ezenkívül egy másik tényező, amely még fontosabb, mint a nap hossza, az a tény, hogy minél alacsonyabb a szolárút, annál kisebb szöget zárnak be a sugarak a vízszintes talajhoz képest, és mint mondták, az intenzitás kisebb lesz., úgy, hogy az energiát nagyobb területen kell elosztani.

Egy másik tényező, amely meghatározza a felszínig érő kisebb vagy nagyobb energiamennyiséget, a terület felhősségének mértéke. A felhők elnyelik a napenergia nagy részét, felülről visszatükrözve visszajuttatják az űrbe. Egy tipikus felhős napon az az energia, amely képes áthaladni a felhőrétegen, csak egy kis része annak az energiának, amely a felszínre jutna, ha az ég tiszta lenne, és általában nem elegendő a napenergia-felhasználási rendszerek számára (kivéve lehetséges fotovoltaikus hatás alapján) működőképesek lehetnek.

Az adott régió éghajlati viszonyai tehát a legfontosabb tényezők a napelemes létesítmény gyakorlati lehetőségeinek értékelésénél. Ha az éghajlat bőven felhős, akkor kicsi az esély arra, hogy a rendszer nyereségessé váljon.

Az átlagos léghőmérséklet és a szélsebesség is befolyásolja, bár kisebb mértékben, mint a felhőtakaró, különösen a vízmelegítésre szánt lapos kollektorokban, mivel ha az említett hőmérséklet túl alacsony vagy az uralkodó szél erős, a kollektor hajlamos gyorsan elveszíteni a hőmérsékletet. a napsugárzás által termelt hő, ami megnehezíti a fűteni kívánt vízbe történő továbbítását.

Azok a régiók, ahol kevés a felhőzet és nincs túl hideg, képezik azt az ideális zónát, amelyben a jelenlegi technológiával teljes mértékben kihasználhatók a szokásos hőenergia-felhasználási rendszerek. Lehetséges azonban ésszerű módon felhasználni azt a szűkös energiát is, amelyet nagy szélességi és nagyon alacsony hőmérsékletű területeken lehet összegyűjteni.

4.- Fotonok

Az elektromágneses sugárzásra és különösen a napelemes elektromágneses sugárzásra alkalmazott kvantumelmélet elmagyarázza, hogy az említett sugárzás sajátos módon van konfigurálva, és nagyon egyszerűsített első látásmódként kezelhető, mint nagyon sok energia által alkotott halmaz. " klaszterek "diszkrét fotonoknak nevezik, amelyek az energiaszállítás természetes egységei.

Így a fénysugarak egyfajta fotonok "záporai" lennének, amelyek mindegyike minimális mennyiségű energiát hordozna, de tekintettel arra a hatalmas számú fotonra, amelyek másodpercenként áthaladnak egy adott szakaszon vagy területen, a nettó eredmény egy jelentős energiaszállítás.

A fotonok csak a hullámhosszuk (vagy a frekvenciájuk értéke alapján különböznek egymástól, amelyet sebességük - a fénysebesség - és a hullámhossz közötti hányadosként határoznak meg).

A fotonfluxus nagyobb vagy kisebb intenzitása, vagyis az a fotonok száma, amelyek áthaladnak az egység területén, merőlegesek az elmozdulás irányára az időegységben, meghatározza a napsugárzás intenzitását.

Ha az összes foton hullámhossza azonos lenne, akkor a teljes energiát egyszerűen kiszámíthatnánk, egyszerűen megszorozva az egyes fotonok egységnyi energiáját (amely a Kvantumelmélet szerint egyszerűen egy állandó mennyiség, amelyet Planck-konstansnak nevezünk, szorzata a foton) számuk szerint. A valóság összetettebb, mivel a Nap által kibocsátott fény nagyon egyenetlen, különböző hullámhosszú fotonok keverékéből áll.

Ugyanebben a napsugárban vannak olyan fotonok, amelyek hullámhossza - hogy néhány számot említsünk - fél mikron, egy mikron, 1,2 mikron, 1,5 mikron stb.

Szerencsére a fotonok relatív aránya hullámhosszuk szerint mindig megközelítőleg megegyezik, legalábbis a Föld légkörébe való behatolás előtt, amelyben jelenségek sora megváltoztathatja ezt az arányt, bár továbbra is megtartja többé-kevésbé meghatározott profilját.

A napsugárzást alkotó fotonkészlet frekvenciáinak (vagy hullámhosszainak) relatív eloszlása ​​az úgynevezett napspektrum.

Csak a fotonok egy része - amelyek hullámhossza 0,3 és 3 ezredmilliméter között van - képes észlelni az emberi szem, és így alkotja az úgynevezett "látható fényt".

5.- Az energiaáramlás

Minden egyes fotonnak nagyon kicsi az energiája, de ha figyelembe vesszük az összes foton energiájának összegét, amelyek például egy perc alatt eltalálnak egy bizonyos felületet (például egy ház tetejét), akkor egy mennyiséget kapunk figyelembe véve az igen nagy számú fotont, amelyek, mint mondták, a napsugárnyalábban vannak.

A napenergia megközelítőleg állandó módon éri el a légkör legkülső rétegeit, mivel ezen a magasságon nincsenek felhők vagy akadályok, amelyek csillapíthatnák. Az évszak függvényében enyhe eltérésekkel, annak a ténynek köszönhetően, hogy a Föld és a Nap közötti távolság nem mindig azonos, az úgynevezett Napállandó értéke körülbelül 1,35 kW teljesítmény minden négyzetméterenként. a sugarakra merőleges felület. Ez azt jelenti, hogy egy másodperc alatt körülbelül 1350 joule/mІ energia éri el a sztratoszférát.

A földre jutó sugárzási teljesítmény kedvező napokon is (teljesen felhőktől mentes és tiszta levegővel rendelkező ég) általában nem haladja meg az 1000 W/m/értéket, mindig a sugarak útjára merőleges felületen mérve. Ez azt jelenti, hogy a légkör csillapító hatása, amely sok beeső fotont elnyel és elhárít, jelentős.

A napsugárzás által termelt energia mennyisége viszonylag nem igazán olyan lenyűgöző, összehasonlítva más általánosan használt eszközökkel előállított energiával. Például egy 1 kW teljesítmény fűtésére szolgáló kis lemez vagy elektromos fűtőelem ugyanazt az energiát termeli ugyanabban az időszakban, mint a maximális napsugárzás, amelyet a Nap magasan sütő napján, a 1 kW. Nagyjából merőleges ezekre a sugarakra. Figyelembe véve, hogy a napsugarak egy bizonyos szögben csapnak be, a nap folyamán változóak, a felkeléstől kezdve a beállásig, kiszámítható, hogy egy teljes nyári napon a teljes beeső energia általában nem haladja meg a középső szélességi fokokon 8 kilowattóra (télen sokkal kevesebb). Az ekvivalens elektromos teljesítmény pár dollár értéket képviselne a jelenlegi árakon.

A napenergia azonban - mérsékelt értéke ellenére - nagyon hasznos lehet, ha megfelelően használják, amint az később kiderül.

Ezenkívül, ha a sugaraknak át kell haladniuk a légköri levegő rétegén, minél kevésbé merőlegesek azok, annál hosszabb lesz az út és annál nagyobb lesz a levegő tömege, amelyet le kell győzniük, hogy elérjék a talajt, intenzitásukat a a felszívódás hatása.

Mindezek a tényezők főként azért felelősek, hogy például késő ősszel vagy kora télen a nap folyamán összegyűjtött napenergia sokkal alacsonyabb, mint egy késő tavaszi vagy kora nyári napon, még akkor is, ha mindkét esetben nem volt felhős.

Ha végül ehhez hozzátesszük, hogy télen nagyobb a felhősödés, akkor könnyű megérteni azt a kevés hasznos energiát, amelyet átlagosan az év legkedvezőtlenebb hónapjaiban számíthatunk majd ki (a Északi félteke, november, december és január).

6.- Közvetlen és diffúz sugárzás

A földet végül elérő fotonok jó része eltéréseket szenvedett eredeti pályájuktól (a Naptól való egyenes vonal), amikor kölcsönhatásba léptek a levegőben lévő atomokkal.

Ezeknek a sugárzásoknak a sugarak által elszenvedett globális hatása annak szimulálása, hogy a sugárzás azon túl, hogy közvetlenül a napkorongról érkezik, többé-kevésbé homogén módon az égi boltozat minden pontjáról.

A sugárzást, amely közvetlenül a Naptól származik, és amely eltérések nélkül szenved el minket, közvetlennek nevezzük, és a többit diffúznak, mivel ez az egész égi féltekén terjed, úgy tesz, mintha ő sugározná.

Ha nem lenne levegő, nyilvánvalóan az összes sugárzás közvetlen lenne, és ha az égre néznénk, a Nap által elfoglaltól eltérő hely felé, akkor a szemünk nem kapna sugárzást (az ég fekete lenne). Például nem olvashattunk el egy könyvet természetes fényben, hacsak magát a könyvet nem érte közvetlenül napfény.

A felhők erősebben terjesztik a napsugárzást, mint a száraz levegő, így egy felhős napon az összes sugárzás diffúz sugárzás lesz. Egy tipikus tiszta napon a közvetlen sugárzás többszörösen nagyobb, mint a diffúz.

Az alábbiakban láthatja a világ különböző területein bekövetkezett átlagos napenergia térképeit. A vonalak összekapcsolják azokat a pontokat, ahol ez az energia egyenlő. A számértékek napi kW · h energiát fejeznek ki minden vízszintes felület négyzetméterére. Az egyes térképek részletes megtekintéséhez kattintson rá.

Másrészt lent látható az Ibériai-félsziget két sugárzási térképe. Ezek a térképek átlagosan azt a napenergiát nyújtják számunkra, amelyet júliusban (egy térkép bal oldalon) és egy decemberben (egy térkép a jobb oldalon) kapott egy nap, vízszintes talajcentiméterben. Láthatja az egyik és a másik hónapnak megfelelő értékek közötti nagy különbséget.

7.- Beeső energia és felhasználható energia

A közvetlen és a diffúz sugárzás egyaránt hasznos az energia előállításához.

Azonban nem minden sugárzó energia, amely eljut hozzánk, nem használható fel, mivel sok olyan eszköz esetében, amelynek működéséhez egy bizonyos értéknél nagyobb ingerre van szükség, a napkollektoros készülékek csak a sugárzás minimális értékétől működnek. Minden energia, amely egy bizonyos minimális érték alá esik, a gyakorlati felhasználás szempontjából haszontalan lesz, mivel a naprendszer beindításáért felelős érzékelők nem érzékelnek elegendő értéket ahhoz, hogy a rendszer a lehető legkevesebb hatékonysággal működjön.

Például kora reggel vagy késő délután a beeső energia nagyon alacsony, nem éri el azt a minimális küszöbértéket, amelyet egy hőfolyadék felhasználhatna napelnyelőn keresztül. Ugyanez történik a magas felhőzet idején is: némi energia mindig eljut a földre (éppen ezért, bár a nap nagyon felhős, láthatjuk az utcákon, anélkül, hogy mesterséges megvilágításhoz folyamodnánk), de a jelenlegi technológiával nem elég intenzív. hogy hasznos energiát tudjon biztosítani. Például, bár elméletileg a 6 órán át bekövetkező 100 W/mІ sugárzási intenzitás ugyanannyi energiát szolgáltat, mint egy óra 600 W/mІ intenzitás, a valóságban az első esetben a hőgyűjtő által felhasználható nettó energia null lenne.