10. predavanje Flashcards
(43 cards)
- Sunce kao fizijski reaktor
Jednacina reakcije fuzije (NAPISATI):
Energija oslobođena procesom fuzije:
- Sunce se sastoji od oko 80% vodonika, 20% helijuma i 0,1% ostalih elemenata.
U jezgri Sunca se odvija nukearna fuzija, proces u kome se vodonik pretvara u helij. Procesom nuklearne fuzije oslobađa se energija sunčevog zračenja. Tokom tog procesa, četiri jezgre vodika (protoni ¹p) tvore jednu jezgru helija (alfa čestica 4).
Alfa čestica se sastoji od dva neutrona ¹n i dva pozitivno nabijena protona ¹p. Dalje, ova reakcija proizvodi dva pozitivna elektrona i dva neutrina i generiše energiju.
delta E = 3.955 * 10 ^ (-12) J = 24.867 MeV
- Osa nagiba Zemlje
- Zemlja se okreće s približno konstantnom brzinom, tako da svaki sat izravni snop putuje preko jednog standardnog meridijana (standardni meridijani su razmaknuti po 15 stepeni).
Posljedice su da je jedinica od jednog sata jednaka rotaciji Zemlje za 15 stepeni. Kada se Zemlja okreće snop sunčeve svjetlosti se pomiče za + 1 stepen zemljopisne dužine stoka na Zapad: traje 4 minute.
- Solarna konstanta
- Srednja vrijednost Sunčeva zračenja na okomitu plohu naziva se SOLARNA KONSTANTA i iznosi E0sr=1367.7 W/m2. Za različite udaljenosti Zemlje od Sunca stvarna vrijednost Sunčeva zračenja na okomitu plohu je: E0 = E0sr (r / R) ^ 2.
gdje je: r – srednja udaljenost Zemlje od Sunca
R - stvarna udaljenost Zemlje od Sunca (za promatrani dan može se smatrati konstantnom)
- Sunčevo zračenje se približno kvantitativno može izraziti preko formule:
Deklinacija Sunca: (FORMULA I SLIKA 6. str)
- Ugao nagiba Zemlje u odnosu na Sunce se daje preko ugla deklinacije.
Ugao deklinacije, označen sa δ, varira sezonski zbog naginjanja Zemlje na osi rotacije i rotacije oko Sunca. Ako Zemlja ne bi bila nagnuta na svojoj osi rotacije, deklinacija bi uvijek bila 0 °. Međutim, Zemlja je nagnuta za 23,45 °, a kut deklinacije varira od +23,45º do – 23.45 º.
Samo na proljetnim i jesenskim ekvinocijima je kut deklinacije jednak 0 °.
- Vrijednosti sunčevog zračenja izmjerene na površini Zemlje su obično niže od solarne konstante E0 zbog različitih uticaja atmosfere:
5.
- smanjenje zbog refleksije u atmosferi,
- smanjenje zbog apsorpcije u atmosferi (uglavnom O3, H20, O2 i CO2)
- smanjenje usljed Rayleigh-ovog raspršivanja,
- smanjenje zbog Mie-ovog raspršivanja.
Molekularne čestice zraka, čiji je prečnik manji od talasne dužine svjetlosti, uzrokuju Rayleigh raspršivanje. Uticaj Rayleigh ovog raspršivanja raste sa smanjenjem talasne dužine svjetlosti.
Čestice prašine i drugih onečišćenja zraka uzrokuju Mieovo raspršivanje. Prečnik ovih čestica je veći od talasne dužine svjetlosti. Mieovo raspršivanje značajno zavisi od lokacije, u visokim planinskim područjima relativno je nisko, dok je u industrijskim područjima obično visoko.
- Veza između visine Sunca i zračne mase:
Područje spektra:
- AM = 1 / sin γs
AM je bezdimenziona veličina i predstavlja dužinu putanje svjetlosti kroz atmosferu.
7% ekstraterestričkog (vanzemaljskog) spektra zračenja (AM 0) je u ultraljubičastom području, 47% je u vidljivom području spektra i 46% u infracrvenom području.
- Modifikacija solarne radijacije atmosferskim uticajima i površinom Zemlje u toku godine (SLIKA)
7.
Od energije Sunčevog zračenja koje prolazi kroz atmosferu samo 51 % je apsorbovano površinom zemlje.
Ova energija grije zemljinu površinu i niže slojeve atmosfere, zagrijava vodu uzrokujući isparavanje i učestvuje u procesu fotosinteze. Od 49 %:
- 4 % se reflektuje od površine zemlje,
- 26 % se reflektuje oblacima i atmosfreom,
- 19 % se apsorbuje atmosferskim gasovima, česticama i oblacima.
- Godišnje zračenje na Zemlji
- Godišnje zračenje u Sahari je oko 2350 kWh/(m2 godini).
Godišnje zračenje značajno varira u cijelom svijetu.
Vrijednosti godišnje globalnog zračenja u centralnim i sjevernim područjima Europe iznose između 700 (kWh/m2god) i 1.000 (kWh/m2god). U južnoj Europi ta vrijednost može biti i viša od 1.700 (kWh/m2god), dok u pustinjskim područjima Zemljinog pojasa može dostići vrijednost i do 2.500 (kWh/m2god).
Ukupno godišnje zračenje na površini Sahare (oko 8.7 milijuna km2) je gotovo 200 puta veće od potrebne globalne godišnje primarne energije; u suštini potražnja ukupne globalne primarne energija mogla bi biti osigurana skupljanjem solarne energije koja dospije na 48.500 km2 Sahare.
- Zemaljska sunčeva svjetlost je sačinjena od: (NABROJATI I OBJASNITI)
- Zemaljska sunčeva svjetlost je sačinjena od direktne i difuzne komponente.
Ukupno zračenje na horizontalnoj površini Zemlje se naziva globalno zračenje EG,hor i predstavlja sumu direktnog zračenja Edir,hor i difuznog zračenja Edif,hor na horizontalnu površinu Zemlje:
Eg, hor = Edif, hor + Edir, hor
Regije s visokim zagađenjem zraka ili tropske regije imaju znatno povećani doprinos difuznog zračenje.
- Faktor kT: (FORMULA)
- Satne vrijednosti globalnog zračenja EG,hor, ekstraterestričko zračenje E0 i visina Sunca γs, definiše faktor kT:
- Položaj Sunca definišu dva bitna ugla: (NABROJATI I OBJASNITI)
- ugao elevacije ili visina Sunca γs i sunčev azimut αs
- Visina Sunca je ugao između centra Sunca i tačke sa koje posmatramo Sunce.
- Azimut je ugao između geografskog sjevera i vertikalnog pravca od centra Sunca na ravninu koju zatvaraju sunčeve zrake. (Azimutni ugao je orijentacioni smjer iz kojeg dolazi sunčeva svjetlost.)
Visina Sunca i sunčev azimut zavise od geografske lokacije posmatrača, od datuma, vremena i vremenske zone.
- Ko utječe na intenzitet zračenja i godišnja doba?
- Dakle, za razliku od eksperimenta s bljeskalicom, nagib sunca ne utječe na intenzitet zračenja koje doseže Zemljinu površinu. Umjesto toga, otkrivamo da naginjanje Zemlje kontrolira intenzitet zračenja i godišnja doba.
- Prosječna mjesečna ili godišnja energija Sunčeva zračenja u nekom mjesecu dobiva se:
Snaga ukupnog zračenja Sunca na okomitu i vodoravnu plohu pri vedrom vremenu na 59 stepeni: (GRAFIK)
- Prosječna mjesečna ili godišnja energija Sunčeva zračenja u nekom mjesecu dobiva se
kao aritmetička sredina dnevnih energija za sve dane u promatranom mjesecu/godini.
Pri prolasku kroz atmosferu dolazi do gubitaka energije izravnog Sunčevog zračenja, ovisno o atmosferskim prilikama (vedro, poluoblačno, oblačno) zagađenosti atmosfere i nadmorskoj visini!
Jakost zračenja koja dopire do Zemljine površine, a mogla bi se iskorištavati mijenja se tijekom dana i godine, te ovisi o položaju plohe na koju dopire zračenje. Smanjuje se s smanjenjem nadmorske visine (duži put zraka) i s povećanjem zemljopisne širine (manji upadni kut zračenja)
- Trajanje insolacije
- Energija zračenja koja dopire do površine zemlje zavisi u prvom redu od trajanja insolacije (trajanja sijanja Sunca, odnosno od vremena tokom kojeg se Sunce nalazi iznad horizonta).
Razlika između vremena izlaska i vremena zalaska Sunca daje vrijeme trajanja insolacije kojoj je izložena horizontalna i nezaštićena površina.
Trajanje insolacije na sjevernom dijelu Jadranskog mora je 2000 sati godišnje, na južnom oko 2700 sati godišnje.
- Postoje veliki problemi pri iskorištavanju energije Sunčeva zračenja (6):
- Mala gustoća energetskog toka,
- Oscilacija intenziteta (jakosti) zračenja tijekom dana,
- Ovisnost zračenja o klimatskim uvjetima,
- Intenzitet zračenja ne poklapa se s intenzitetom potrošnje,
- Problem skladištenja,
- Isplativost - cijena (osobito za fotonaponske ili sunčeve ćelije – PV) u usporedbi s ostalim izvorima energije
- Proizvodnja toplinske energije:
Proizvodnja električne energije:
16. Proizvodnja toplinske energije: 1. Pasivno solarno grijanje (Izravno grijanje zgrade kao kolektora) 2. Aktivno solarno grijanje (zagrijavanje vode pomoću solarnih kolektora) 3. Solarne toplinske elektrane
Proizvodnja električne energije:
4. Fotonaponske ili sunčeve ćelije
(Photo Voltaic Cells, PV)
- Pasivno solarno grijanje
Osnovni zahtjevi za ovakvo grijanje:
Mehanizmi prijenosa topline koji se koriste su:
- Pasivno grijanje znači da sama zgrada djeluje kao solarni kolektor, a time i svojstva građevinskog materijala i konstrukcije zgrade igraju ulogu u energetskom balansu sistema. Pasivno solarno grijanje je izravno grijanje zgrade kao kolektora.
Osnovni zahtjevi:
- Velika južna površina za prihvat sunčeva zračenja.
- Konstrukcija s velikom termalnom masom (npr. gusti beton ili cigle). Time se sprema toplinska energija za dana i zadržava preko noći. Izbjegava se i ljetno pregrijavanje.
- Dobra izolacija na vanjskim strukturama za održavanje topline
- Izbjegavanje zasjenjavanja objekata.
Mehanizmi prijenosa topline koji se koriste su:
1. Vođenje (kondukcija) - Toplina absorbirana u materijalu se dalje prenosi vođenjem međumolekulama.
- Konvekcija (izmjenjivanje medija) - Toplina se može prenijeti preko fluida, bilo plina ili tekućine, konvekcijom.
- Radijacija - Toplinska energija se može prenositi zračenjem (elektromagnetski) kao i svjetlosna energija Sunca.
- Aktivno solarno grijanje
Tipične osnovne komponente aktivnog solarnog grijanja
Primjene ovakvog grijanja
- Aktivno zagrijvanje podrazumijeva korišćenje specijalno dizajniranih solarnih kolektora koji su instalirani na zgradi i zadovoljavaju djelimične ili potpune energetske potrebe zgrade.
Tipične osnovne komponente aktivnog solarnog grijanja uključuju: kolektor, jedinicu za skladištenje, opterećenje, pomoćni izvor.
Zagrijavanje vode pomoću solarnih kolektora, moguće primjene: grijanje vode u domaćinstvima, bazena i kupatila, procesne vode.
Indikatori potencijalno isplativih primjena solarnog zagrijavanja vode:
- Potreba za toplom vodom konstantna kroz tjedan i godinu (ili više ljeti).
- Visoka cijena ostale energije (el. energija, propan, itd.).
- Dovoljno površine za postavljanje kolektora (0,025 m2/lWd).
- Sunčanija klima pomaže, ali nije nužnost – solarno grijanje moguće i u hladnijoj klimi.
- Vrste kolektora (SLIKA):
20.
- Kolektori bez stakla (pokrova)
- U obliku ravne ploče
- U obliku evakuiranih cijevi
- Parabolična korita
- Solarni toplinski kolektori i njegova podjela:
- Solarni toplinski kolektori: preuzimaju energiju svjetlosnog zračenja i griju vodu. Solarni toplinski kolektori se mogu kategorizirati prema temperaturi na kojoj efikasno griju vodu:
- Niskotemperaturni kolektori: Bez pokrova za grijanje vode. Perforirane ploče za predgrijavanje zraka.
- Srednjetemperaturni kolektori: Izolirani kolektori s pokrovom.
- Visokotemperaturni kolektori: Vakumirane cijevi. Koncentrirajući kolektori.
- Vrste kolektora sa ravnom pločom:
Glavne komponente tipičnog solarnog kolektora:
- Sunce zagrijava tamnu ravnu površinu, koja sakuplja što više energije, a zatim se energija prenosi u vodu, vazduh ili drugu tečnost za dalju upotrebu.
Glavne komponente tipičnog solarnog kolektora:
1. Crna površina - apsorbent sunčeve energije 2. Stakleni poklopac - transparentni sloj koji prenosi zračenje na apsorber, ali sprečava zračenje i konvektivne gubitke toplote sa površine 3. Cijevi koje sadrže grejni fluid za prenos toplote iz kolektora 4. Podrška za zaštitu komponenti i držanje na mjestu
Sistemi ravnih ploča normalno rade i postižu maksimalnu efikasnost unutar temperaturnog raspona od 30 do 80 ؛C . Neki novi tipovi kolektora koji koriste vakuumsku izolaciju mogu postići višu temperaturu (do 100 ؛C).
- Ključna razmatranja u dizajnu pločastog kolektora
23.
Ključna razmatranja u dizajnu pločastog kolektora su maksimiziranje apsorpcije, minimiziranje gubitaka refleksije i zračenja i efikasan prijenos topline od ploče kolektora do fluida.
- Solarni kolektor bez stakla
- Solarni kolektor sastoji se od apsorbera bez stakla koji pokriva ravnu staklenu površinu koletora. Pošto nisu izolovani najbolje ih je koristiti za niske temperature ispod 30°C. Kako nemaju staklo veliki dio Sunčeve apsorbovane energije se izgubi posebno kada je vjetrovito i nije toplo.
- Stupanj korisnog djelovanja (efikasnost) kolektora (FORMULA)
25.
