KORIŠĆENJE SUNČEVE ENERGIJE SUNČEVA ENERGIJA KORIŠĆENJE SUNČEVE ENERGIJE

Prekrivanjem 0.1% kopna na Zemlji sa kolektorima, koji imaju svega 20% stepen korisnosti, obezbedilo bi čovečanstvu sve njegove godišnje potrebe za energijom 1.2 x 1014 kWh. Solarna energija je ekološki prihvatljiva i ima je u izobilju. Njene glavne mane su: mali intenzitet (svega 1 kWh/m2), prekidnost (dostupna samo danju i pri vedrom vremenu) i nejednaka raspoređenost na površini Zemlje.

Načini korišćenja Aktivni (sistemi koji koriste sunčevu energiju za transformaciju u druge vidove energije osim toplotne i sistemi za proizvodnju toplotne energije za čije je pokretanje potrebna dodatna energija) Pasivni sistemi (konstrukcije zgrada, duple fasade i sl.

Pasivni sistem za kuvanje. Pasivni sistem za sušenje voća.

Pasivni sitem za zagrevanje zgrada.

Sistem za osvetljavanje prostorija koje nisu izložene direktnom sunčevom zračenju pomoću optičkih vlakana. Ovo je takođe pasivan sistem.

Sunčevu energiju ljudi pokušavaju da koriste za: Proizvodnju toplotne energije za trenutno i vremenski odloženo korišćenje (sistemi akumulacije – pasivni i aktivni) Za proizvodnju električne energije (fotonaponske ćelije i solarne elektrane koje rade na sličnom principu kao termoelektrane i preko pasivnih sistema kao što su solarni dimnjaci)

Sunčevu energiju ljudi pokušavaju da koriste za: Za proizvodnju solarnih goriva. Solarna energija se koristi za pokretanje endotermnih hemijskih reakcija. Ovakvi sistemi koriste koncentrisanu solarnu energiju za proizvodnju goriva (npr. vodonika, sintetičkog prirodnog gasa i dr.) ili direktno kao energiju za endotermne hemijske reakcije u hemijski intenzivnim industrijama (proizvodnja aluminijuma).

Princip korišćenja solarne energije za pokretanje endotermnih hemijskih reakcija u cilju proizvodnje solarnih goriva i električne energije pomoću gorivih ćelija.

Shematski prikaz tri glavne optičke konfiguracije za (а) (б) (в) Shematski prikaz tri glavne optičke konfiguracije za Sakupljanje i koncentrisanje solarne energije većeg obima: (a) Sistem korita (30-100 sunca) (b) Sistem tornja (500-5000 sunca) (c) sistem posude (1000-10000 sunca) 1 sunce = 1kWh/m2

SUNČEVO ZRAČENJE

Sunce je 1 400 000 km udaljeno i 330 000 puta teže od Zemlje Sunce je 1 400 000 km udaljeno i 330 000 puta teže od Zemlje. To je jedan džinovski termonuklearni reaktor kome pripada 99% mase čitavog sunčevog sistema.

Fizička svojstva sunčevog zračenja Sunce emituje energiju zračenjem kao crno telo čija je temperatura 6000 0C. Ova se energija emituje na talasnim dužinama od 10-10 do 103 m. Stim što je energija zračenja skoncentrisana na talasnim dužinama od 0.2 do 3 mikrometra. ULTRALJUBIČASTO ZRAČ. 0.290.4 m – 9% E. celog spektra VIDLJIVO ZRAČENJE 0.4  0.7  m – 40% E. celog spektra INFRACRVENO ZRAČ. +0.7  m - 53 % E. celog spektra Maksimalni intenzitet od oko 2207 W/m2mm sadrži talasna dužina od 0.40 m.

Ukupne prosečne godišnje dozračene količine sunčevog zračenja na horizontalnu površinu za Evropu.

Solarna konstanta Io Jačina sunčevog zračenja normalno na površinu na spoljnoj granici atmosfere iznosi 1373 W/m2. To je površina ispod krive na dijagramu intenziteta sunčevog zračenja u zavisnosti od njegove talasne dužine. Ova vrednost varira od 1417 W/m2 zimi do 1328 W/m2 leti.

Direktno i difuziono sunčevo zračenje Na površinu Zemlje stiže manja količina zračenja od solarne konstante usled refleksije i apsorpcije sunčevog zračenja u atmosferi. Razlikujemo: odbijanje sunčevog zračenja od molekula idealnih gasova (kiseonika i azota), koje se posebno dešava u oblasti kratkih talasnih dužina, što je uzrok plave boje neba refleksija sunčevog zračenja od čvrstih čestica i molekula vodene pare čije prisustvo u atmosferi varira apsorpcija od strane idealnih gasova i vodene pare, pri čemu nesimetrični molekuli gasova (ozon, ugljendioksid, vodena para) imaju veću sposobnost apsorpcije od simetričnih (kiseonik, azot). Ova apsorpcija naziva se i selektivnom jer je izraženija na određenim talasnim dužinama.

Zemlja prima sunčevo zračenje direktnim i indirektnim putem, pa se tako razlikuju DIREKTNO I DIFUZIONO ZRAČENJE. Veće slabljenje direktnog zračenja prati povećanje difuzionog i obrnuto. Stepen slabljenja direktnog zračenja prvenstveno je posledica različitog ugla pod kojim se sunčevo zračenje probija kroz atmosferu, prolazeći duži ili kraći put sa većom ili manjom mogućnošću reflektovanja i apsorbovanja. Zato se uvodi mera dužine puta sunčevih zraka kroz atmosferu koja se bazira na definisanju vazdušne mase. Sa izuzetkom pri vrlo malim visinama sunca, broj vazdušnih masa se može odrediti pomoću ugla visine sunca.

Put sunčevih zraka kroz atmosferu. Odnos ukupnog intenziteta zračenja na Zemljinu površinu i intenziteta na granici atmosfere, naziva se koeficijentom propustljivosti atmosfere i za m=1 ima vrednost 0.633, a za m=5 ima vrednost 0.276.

Spektar sučevog zračenja na granici atmosfere (m=0) i za vazdušne mase m=1 i m=5 u toku vedrih dana za mesto na nadmorskoj visini mora.

Solarna geometrija Zemlja u odnosu na pravac sunčevih zraka u položaju zimske kratkodnevnice. Zemlja je najbliža Suncu oko 2. januara, a najdalja oko 2. jula.

Osa rotacije Zemlje je pomerena u odnosu na ravan orbite za 2326’, što je uzrok postojanja godišnjih doba.

Dijagram putanje Sunca Za različite proračune u vezi sa sunčevim zračenjem koriste se dijagrami putanje sunca, koji se konstruišu za svaku geografsku širinu posebno. Postupak konstrukcije bazira se na projekciji putanje Sunca na horizontalni kružni presek Zemlje, kroz određenu geografsku širinu.

Koncentrični krugovi predstavljaju linije istih visina Sunca. Spoljna kontura predstavlja položaj Sunca na horizontu. Mreža prečnika predstavlja linije istih azimuta. Ovo je dijagram za 450 severne geografske širine.

Položaj nekog mesta na Zemljinoj površini određen je geografskom širinom (l), časovnim uglom (h), i deklinacijom (d). Promena deklinacije u toku godine. Ugaono rastojanje između nekog mesta na Zemlji od ekvatora predstavlja geografsku širinu tog mesta, severnu ili južnu. Vremenski ugao h je ugaono rastojanje na ekvatorijalnoj ravni između projkcije pravca koji prolazi kroz središte Zemlje i dato mesto i pravca koji spaja centar Sunca i centar Zemlje. Ugao između pravca Sunce-Zemlja i ekvatorijalne ravni naziva se deklinacija. Deklinacija varira godišnje od +23.5 do – 23.5 0.

Sunčevo zračenje na površini Zemlje Trenutni položaj Sunca prema nekoj tački na Zemlji određen je sa dva ugla: uglom visine Sunca (β) i azimutom (). Ugao između pravca prostiranja Sunčevih zraka i horizontalne ravni naziva se uglom visine sunca β. γ – azimut date površine θ – upadni ugao φ – ugao nagiba površine

Azimut određuje položaj Sunca prema stranama sveta i predstavlja ugaono rastojanje između horizontalne projekcije direktnih sunčevih zraka i pravca sever-jug. Azimut može imati vrednosti od 0-3600. Često se izražava prema pravcu juga pa ima vrednosti od 1800. Pri korišćenju sunčeve energije uveden je i azimut površine. Upadni ugao θ je onaj pod kojim sunčevi zraci padaju na određenu površinu u odnosu na njenu normalu. za vertikalnu površ za horizontalnu površ

Pri određenom intenzitetu direktnog normalnog sunčevog zračenja I, količina direktnog zračenja koju primi neka vertikalna površina IV definisana je geometrijom prikazanom na slici. =s-p na proizvoljno postavljenu vertikalnu ravan

Sunčevo zračenje na nagnute površine - + , gde je =s-p Normalno zračnenje na površinu pod nagibom

DIREKTNO NORMALNO SUNČEVO ZRAČENJE SUNČANO VREME Meridijan koji prolazi kroz sredinu jedne vremenske zone naziva se standardni vremenski meridijan. Primer Kraljevo koje se nalazi na istočne geografske dužine i pripada srednjeevropskoj vremenskoj zoni. Lokalno sunčano vreme je danas 2.4. u Kraljevu u 12 40 30 h. DIREKTNO NORMALNO SUNČEVO ZRAČENJE Vrlo ga je teško odrediti računskim putem. Najbolje se određuje merenjem u toku potpuno vedrih dana.

Difuziono sunčevo zračenje Pored direktnog zračenja, svaka površina prima i deo sunčevog zračenja koji na nju dospeva indirektnim putem, usled promena kojim je zračenje izloženo pri prolasku kroz atmosferu. Taj deo zračenja naziva se DIFUZIONO ZRAČENJE NEBA IDIF.N. Ono se vrlo teško izračunava jer ga primaju i površine orjentisane ka severu. Kao i površine na zemlji kratko vreme pre izlaska i po zalasku sunca. Površine koje nisu horizontalne primaju i deo zračenja koji potiče od direktnog zračenja koje reflektuje ili naknadno zrači okolina IDIF.R , što je naročito izraženo kod površina okrenutih jugu. Pa je ukupno difuziono zračenje: IDIF=IDIF.N+IDIF.R Nebesko difuziono zračenje je najmanje kad je nebo vedro, ali i tada sadrži dovoljno energije da se mora uzeti u obzir. Reflektovano difuziono zračenje primaju površine koje nisu u horizontalnom položaju.

Koeficijent refleksije, u meterologiji poznat kao albedo Koeficijent refleksije, u meterologiji poznat kao albedo. Za tipično gradsku površinu ovaj koeficijent iznosi 0.2. Albedo za vodenu površinu zavisi od visine sunca i zatalasanosti vode. Važno je uzeti ga u obzir na vertikalnim površinama uz samu obalu. UKUPNO SUNČEVO ZRAČENJE KOJE DOSPEVA NA NEKU PROIZVOLJNO POSTAVLJENU POVRŠINU, SASTOJI SE IZ DIREKTNOG I DVE KOMPONENTE DIFUZIONOG (NEBESKOG I REFLEKTOVANOG OD OKOLINE) ZRAČENJA.

Postavljanje kolektora Optimalno je postaviti solarni kolektor okrenut prema jugu sa nagibom koji je jednag geografskoj širini mesta gde se postavlja.

Tačna količina dozračene energije nije preterano osetljiva na poziciju i nagib kolektora. Na primer kolektori mogu biti nagnuti između 30 i 50 stepeni, i orjentisani tako da zahvataju ugao + ili – 30 stepeni prema jugu sa gubicima koji su ispod 10% na godišnjem nivou.