Слънцето и Земята
СЛЪНЦЕТО И ЗЕМЯТА
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.