Совокупность лучистой энергии солнца это

АКТИНОМЕТРИЯ

Расстановка ударений: АКТИНОМЕТРИ`Я

АКТИНОМЕТРИЯ (греч. aktis, aktinos — луч и metreō — измеряю) — совокупность методов измерения лучистой энергии. К задачам А. относятся исследование прямой солнечной радиации, поглощение и рассеяние ее молекулами атмосферы, различными твердыми и жидкими примесями, а также определение длинноволнового излучения земли и атмосферы.

В основу методов измерения лучистой энергии положен принцип превращения одного вида энергии в другой. При поглощении лучистой энергии солнца зачерненной поверхностью какого-либо приемника происходит переход лучистой энергии в тепловую. Регистрируя выделяющееся при этом количество тепла или повышение температуры приемной поверхности прибора, можно измерить величину потока солнечной радиации, падающего на прямую поверхность. Подобного рода принципы измерения лучистой энергии положены в основу калориметрического метода. Явление фотоэффекта и фотохимические воздействия использованы в фотоэлектрических и фотографических методах измерения.

При А. применяются приборы, в к-рых поток лучистой энергии определяется разностью температур приемной поверхности и окружающей среды, к-рая измеряется величиной тока, возникающего в цепи последовательно соединенных термопар. Такого рода приборы являются относительными и нуждаются в градуировке путем сравнения их показаний с показаниями абсолютных приборов.

Поток лучистой энергии солнца, к-рый проходит за пределами атмосферы в единицу времени (1 мин.) через единицу поверхности (1 см 2 ), перпендикулярной к солнечным лучам и удаленной от Солнца на расстояние, равное среднему радиусу земной орбиты, носит название солнечной постоянной. Международная комиссия по радиации рекомендовала в качестве стандарта принять значение солнечной постоянной, равное 1,98 кал/см 2 ×мин.

По мере прохождения лучистой энергии солнца через атмосферу вследствие поглощения и рассеивания до земной поверхности доходит лишь часть ее — прямая солнечная радиация. Напр., по широте Ленинграда получается в среднем 38% суммы радиации от возможной за год.

В средних широтах при идеальной атмосфере, т. е. атмосфере, лишенной водяных паров и аэрозолей, в летнее время в околополуденные часы прямая солнечная радиация может достигать 1,65 кал/см 2 ×мин. В условиях же реальной атмосферы на поверхности земли наибольшая измеренная величина была равна 1,51 кал/см 2 ×мин.

Наличие значительной запыленности и задымленности атмосферы в условиях города приводит к существенному уменьшению солнечной радиации по сравнению с сельской местностью. Наиболее значительное влияние запыленности и задымленности атмосферы на поток прямой солнечной радиации было обнаружено в результате актинометрических измерений, выполненных в Берлине. Здесь поток солнечной радиации на перпендикулярную поверхность в городе в среднем на 20% меньше, чем за городом. При малых высотах стояния солнца это различие достигало 50%. Наиболее существенно сказывается влияние запыленности атмосферы города на ослабление солнечной радиации в безветренную погоду, когда над городом скапливается большое количество пыли и дыма.

Земной поверхности достигает не только прямая, но п рассеянная солнечная радиация. Основное отличие рассеянной радиации от прямой состоит в том, что прямая радиация — это направленный поток, тогда как рассеянная идет от всех точек небесного свода. Второе отличие заключается в спектральном составе рассеянной радиации по сравнению с прямой. Так, максимум излучения прямой солнечной радиации падает на волну 556 нм, а рассеянной — на 480 нм. При наличии же облаков максимум рассеянной радиации смещается в сторону более длинных волн (680 нм).

Рис. 1. Пиргелиометр Онгстрема: 1 — крышка трубы с щелевидными отверстиями; 2 — крючок щитка; 3 и 5 — целик и мушка; 4 — труба прибора; 6 — головка прибора; 7 — переключатель; 8, 9 и 10 — клеммы для подключения прибора к гальванометру и к цепи нагрева; и и 12 — винты для ориентировки прибора на Солнце

Летом рассеянная радиация значительно меньше прямой, осенью и весной она равна ей, а зимой почти в 3 раза больше. Чем меньше прозрачность воздуха, тем значительнее рассеянная радиация, т. к. в этом случае в атмосфере появляются добавочные центры рассеяния (пылинки или водяные капли). Во время сухих и влажных туманов и при увеличении облачности интенсивность рассеянной радиации поднимается до 0,4—0,6 кал/см 1 ×мин. Особенно велика роль рассеянной радиации для северных и полярных областей, где основная масса тепла на Землю поступает за счет рассеянной радиации. Для бухты Тихой, напр., прямая солнечная радиация составляет 30%, а рассеянная — 70%. Для Ташкента отношения прямо противоположные — прямая солнечная радиация составляет 70%, а рассеянная — 30%.

Рис. 2. Пиранометр Янишевского: 1 — съемная плитка; 2 — стеклянная полусфера; 3 — колпак, используемый при определении места нуля; 4 — винт для направления пиранометра к солнцу; 5 — установочный винт; 6 — клемма для подключения стрелочного гальванометра; 7 — уровень; 8 — экран

В интегральном потоке излучения Солнца отношение рассеянной радиации к прямой составляет 1:9, в ультрафиолетовой области — 4:6 вследствие того, что рассеивание лучей с меньшей длиной волны идет более энергично, чем с большей длиной волны.

Сумма потоков прямой и рассеянной солнечной радиации составляет суммарную радиацию. В случае сплошной или частичной облачности суммарная радиация представляет собой только рассеянную радиацию. Спектральный состав суммарной радиации не зависит от высоты стояния солнца и остается постоянным в течение дня.

В зимние месяцы характерно быстрое уменьшение прихода суммарной радиации от умеренных широт к высоким, причем это распределение является зональным. Летняя половина года характеризуется наличием малых градиентов суммарной радиации на обширных пространствах. В период полярного дня суммарная радиация в северных районах значительно больше, чем в области экватора. Западные районы получают меньше радиации, чем восточные.

Достигнув земной поверхности, часть радиации отражается от нее (альбедо), образуя поток отраженной радиации. Альбедо различных поверхностей неодинаково. Разность между суммарной и отраженной радиацией называется приходящей радиацией, а разность между приходящей радиацией и излучением земли и атмосферы — радиационным балансом, к-рый является основным климатообразующим фактором. Основные закономерности радиационного баланса определяются продолжительностью солнечного сияния, облачностью и прозрачностью атмосферы, характером и состоянием подстилающей поверхности и др. Максимальные положительные величины радиационного баланса наблюдаются в околополуденные часы, а максимальные отрицательные значения — в ночное время.

В теплую половину года дневная положительная сумма радиационного баланса превосходит ночную отрицательную сумму, и поэтому суточный радиационный баланс оказывается положительным. В зимнее время имеет место обратная картина — суточный радиационный баланс отрицательный.

Географическое распределение годовых сумм радиационного баланса на территории СССР показывает, что он везде положителен и изменяется от 20 ккал/см 2 ×год на севере до 60 ккал/см 2 ×год на юге. Географическое распределение радиационного баланса является зональным. Актинометрические исследования в Арктике и Антарктике показали, что для большей части Арктики (за исключением ее центральной части) средний годовой радиационный баланс положителен, в центральной Арктике он близок к нулю (0,5 ккал/см 2 ×год). Годовой радиационный баланс Антарктиды, за исключением поверхностей, свободных от льда и снега, отрицателен. Приборы, применяемые при актинометрии. Приборы для измерения интенсивности лучистой энергии называются актинометрами. Различают устройства для измерения интенсивности прямой солнечной радиации. — пиргелиометры (рис. 1), устройства для измерения рассеянной солнечной радиации — пиранометры (рис. 2), устройства для измерения земного (ночного) излучения (пиргеометры), устройства для измерения отраженной от земной поверхности солнечной радиации — альбедометры (рис. 3), устройства для измерения радиации искусственных источников теплового излучения — актинометры (рис. 4 и 5), к-рые также употребляются и для измерения солнечной радиации. Величину лучистой энергии выражают в малых калориях, поглощаемых за 1 мин. поверхностью в 1см 2 , расположенной перпендикулярно к направлению лучей источника инсоляции (кал/см 2 ×мин).

Рис. 3. Альбедометр Янишевского—Былова (походный альбедометр): 1 — головка с термобатареей; 2 — кардановый подвес; 3 — рукоятка; 4 — трубка

Приборы, применяемые при А., можно разделить на устройства для относительных и абсолютных измерений, к-рые конструктивно отличаются друг от друга. Абсолютные измерения позволяет осуществлять пиргелиометр.

Прибор состоит из двух трубок, одна из к-рых зачернена и открыта для прямой солнечной радиации, а другая закрыта. Обе трубки омываются водой. Для уравнивания температуры воды, вытекающей из двух камер, закрытая трубка обогревается током тем большей силы, чем сильнее нагрелась вода, проходящая через открытую для солнечной радиации трубку. Зная количество тепла, выделившегося в первой камере, и площадь приемного отверстия, рассчитывают интенсивность солнечной радиации в абсолютных величинах.

Рис. 4. Актинометр Михельсона

Актинометр обычно регистрирует величину прямой солнечной радиации, предварительно переведя ее в другой вид энергии. Принцип действия актинометра основан на поглощении солнечной радиации зачерненной поверхностью и превращении ее в теплоту, к-рая или регистрируется непосредственно, или превращается в механическую энергию с регистрацией механических перемещений. Так, в актинометре Михельсона нагревается зачерненная железная часть биметаллической пластинки, изготовленной из железа и инвара. Поскольку зачерненная железная сторона биметаллической пластинки нагревается и удлиняется, а инвар практически не нагревается и, следовательно, не происходит его удлинения, вся биметаллическая пластинка изгибается, выпячиваясь зачерненной нагревающейся и удлиняющейся стороной, причем радиус изгиба пропорционален температуре. Перемещение кварцевой нити, размещенной на краю пластинки, служит мерой интенсивности прямой солнечной радиации. Действие актинометра Янишевского основано на измерении термоэлектрической электродвижущей силы, возникающей от разности нагрева термоэлементов, состоящих из двух зигзагообразно соединенных полосок манганина и константана. Периферийные спаи прикреплены к медному затененному от прямых солнечных лучей кольцу, а центральные спаи прикреплены к центральному серебряному диску, зачерненному, подвергающемуся воздействию прямой солнечной радиации.

Рис. 5. Инспекторский актинометр ЛИОТ-Н: 1 — общий вид; 2 — приемная часть

Возникающий в результате разности нагрева термопары ток пропорционален разности температур центральных и периферических спаев, которая пропорциональна потоку радиации.

Другие приборы, применяющиеся для проведения относительных и абсолютных измерений солнечной радиации, отличаются конструктивным исполнением их схем и применением других чувствительных элементов.

Библиогр.: Галанин Н. Ф. Лучистая энергия и ее гигиеническое значение, Л., 1969, библиогр.; Кедроливанский В. Н. и Стернзат М. С. Метеорологические приборы, Л., 1953; Кондратьев К. Я. Актинометрия, Л., 1965; Минх А. А. Методы гигиенических исследований, М., 1971; Янишевский Ю. Д. Актинометрические приборы и методы наблюдения, Л., 1957; Goody R. М. Atmospheric radiation, theoretical basis, Oxford, 1964.

Ю. В. Новиков; В. И. Белькевич (техн.).

1. Большая медицинская энциклопедия. Том 1/Главный редактор академик Б. В. Петровский; издательство «Советская энциклопедия»; Москва, 1974.- 576 с.

Источник

Энергия солнца

Солнечная энергетика — использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов [1] .

Ныне солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически.

Отдельные лица и организации также используют её из идеологических соображений (энвайронментализм), эксплуатируя экологическую безвредность распределённой [2] солнечной энергетики. См., например, «Глобальный фонд солнечной энергии», инициированный «Зелёным крестом» Михаила Горбачёва [3] .

20 ноября 1980, Стив Птачек совершает полет на самолёте, питающемся только солнечной энергией.

Содержание

Земные условия

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения — антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

• Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
• гелиотермальная энергетика — Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
• Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
• Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Достоинства солнечной энергетики

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.
• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества). Существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки солнечной энергетики

1. Фундаментальные проблемы

• Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, это недостаток не так велик, например, гидроэнергетика выводит из пользования заметно большие участки земли. К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8—2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота.

Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

• Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно.

2. Технические проблемы

• Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций.

• Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990—2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.
• Недостаточный КПД солнечных элементов (вероятно, будет вскоре увеличен).
• Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.
• Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.
• Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

3. Экологические проблемы

• Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30—50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения.

В последнее время начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. Из-за низкого содержания кремния тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. Так, например, в 2005 г. компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов.

Типы фотоэлектрических элементов

• Монокристаллические кремниевые
• Поликристаллические кремниевые
• Тонкоплёночные

В 2006 г. тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2005 г. на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2007 г. доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %.

За период с 1999 г. по 2006 г. поставки тонкоплёночных фотоэлементов росли ежегодно в среднем на 80 %.

Итоги развития фотоэлементной отрасли

Если в 1985 г. все установленные мощности мира составляли 21 МВт, то за один только 2006 г. было установлено 1744 МВт (по данным компании Navigant consulting), что на 19 % больше, чем в 2005 г. В Германии установленные мощности выросли на 960 МВт, что на на 16 % больше, чем в 2005 г. В Японии установленные мощности выросли на 296,5 МВт. В США установленные мощности выросли на 139,5 МВт (+ 33 %).

К 2005 году суммарные установленные мощности достигли 5 ГВт. Инвестиции в 2005 г. в строительство новых заводов по производству фотоэлементов составили 1 млрд $.

Ввод в строй новых мощностей в 2005 г.: Германия — 57 %; Япония — 20 %; США — 7 %; остальной мир — 16 %. Доля стран в суммарных установленных мощностях (на 2004 г.): Германия — 39 %; Япония — 30 %; США — 9 %; остальной мир — 22 %.

Производство фотоэлементов в мире выросло с 1656 МВт в 2005 г. до 1982,4 МВт. в 2006 г. Япония продолжает удерживать мировое лидерство в производстве — 44 % мирового рынка; в Европе производится 31 %. США производят 7 % от мирового производства, хотя в 2000 г. эта цифра доходила до 26 %.

В 2006 г. десять крупнейших производителей произвели 74 % фотоэлементов, в том числе:

• Sharp Solar — 22 %;
• Q-Cells — 12 %;
• Kyocera — 9 %;
• Suntech — 8 %;
• Sanyo — 6 %;
• Mitsubishi Electric — 6 %;
• Schott Solar — 5 %;
• Motech — 5 %;
• BP Solar — 4 %;
• SunPower Corporation — 3 %.

К 2010 г. установленная мощность установок на фотоэлементах достигнет 3,2—3,9 ГВт, а выручка производителей составит 18,6—23,1 млрд $/год.

Когда установленные мощности фотоэлементов в мире удваиваются, цена электричества, производимого солнечной энергетикой, падает на 20—30 %.

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007 г.)

• Монокристаллические кремниевые — 4,30 $/Вт установленной мощности.
• Поликристаллические кремниевые — 4,31 $/Вт установленной мощности.
• Тонкоплёночные — 3,0 $/Вт установленной мощности.

Стоимость кристаллических фотоэлементов на 40—50 % состоит из стоимости кремния.

Освещение зданий

С помощью солнечного света можно освещать помещения в дневное время суток. Для этого применяются световые колодцы. Простейший вариант светового колодца — отверстие в потолке.

Световые колодцы применяются для освещения помещений, не имеющих окон: подземные гаражи, станции метро, промышленные здания, склады, тюрьмы, и т.д.

Солнечная термальная энергетика

Солнечная энергия широко используется как для нагрева воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т.д., т.е. без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить стоимость оборудования, и произведенной на нём энергии.

В настоящее время именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09-$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04-$0,05 к 2015-2020 г.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

Солнечная кухня

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства «солнечной кухни» составляет $3 – $7. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10%. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн. тонн СО₂. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг. дров.

Домохозяйки при приготовлении пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2006 году в 19 странах южнее Сахары, Пакистане и Афганистане от заболеваний дыхательных путей умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч женщин.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в 2008 г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО₂ на 1,7 млн. тонн в 2008-2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы.

Использование солнечной энергии в химическом производстве

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

• Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения не окисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.

• Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м 2 . В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг. в год (около 10,4 кг. в день).

Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.

Солнечный транспорт

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т.д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10%.

Источник