Energia w środowisku (6)

Ile energii słonecznej mamy do dyspozycji Oszacowanie dla całej ludzkości Średnia energia słoneczna na 1 m2 powierzchni Ziemi 342 W/m2 Po odbiciu (107 W/m2) zostaje 235 W/m2. Energia dostarczana przez promieniowanie słoneczne na całą powierzchnię kuli ziemskiej w ciągu roku: 235 J/s m2 * 4Π (6700km)2 *3600*24*365 s = 4.17* 1024J Ludzkość zużywa 10000 Mtoe energii rocznie ( 1 toe = 42 GJ) czyli 4.2* 1020J Całkowita ilość energii słonecznej jest 10 000 razy większa od ilości energii potrzebnej do zaspokojenia aktualnych potrzeb całej ludzkości.

Ile energii słonecznej mamy do dyspozycji

Ile energii słonecznej mamy do dyspozycji Przyjmijmy, że w Polsce energia słoneczna absorbowana przez 1 m2 powierzchni w ciągu roku to 900-1000 kWh. Zużycie energii elektrycznej przez statystycznego Polaka to około 3800 kWh. Przy 100% wydajności transformacji energii słonecznej na energię elektryczną: Energia słoneczna z obszaru 4 m2 jest równa energii elektrycznej zużywanej przez statystycznego Polaka w ciągu roku

Nasłonecznienie: Świat-Polska

Własności energii słonecznej Najbardziej zasobne źródło energii odnawialnej Energia w formie promieniowania elektromagnetycznego Energia rozproszona ale dostępna w każdym miejscu na powierzchni ziemi Sezonowe ale przewidywalne zmiany nasłonecznienia wraz z porą roku i porą dnia Niestety najmniej energii wtedy, gdy jest najbardziej potrzebna

Sposoby wykorzystania energii słonecznej Zamiana energii niesionej przez promieniowanie na energię finalną w postaci energii cieplnej Zamiana energii promieniowania na energię elektryczną w małych urządzeniach i w dużych instalacjach – elektrowniach Inne zastosowania energii słonecznej

Energia słoneczna –źródło ciepła Promieniowanie ciała doskonale czarnego Temperatura równowagi - do jakiej nagrzewają się ciała absorbujące promieniowanie słoneczne Wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania domów Magazynowanie energii cieplnej Inne zastosowania energii cieplnej pochodzącej z promieniowania słonecznego

Sposoby rozchodzenia się energii cieplnej Przenoszenie energii cieplnej: Konwekcja Przewodnictwo Promieniowanie Przenoszenie energii cieplnej poprzez promieniowanie opisane jest przez kilka praw fizyki odnoszących się do ciała doskonale czarnego

Ciało doskonale czarne To ciało pochłaniające całkowicie padający na nie strumień promieniowania Prawa ciała doskonale czarnego: Ciało doskonale czarne o temperaturze T samo wysyła promieniowanie. Rozkład widma tego promieniowania podał Planck. W szczególności ważne są własności tego promieniowania określone prawami: prawo StefanaBoltzmana: prawo Wiena:

Prawo Stefana-Boltzmana: Prawo Stefana-Boltzmana mówi, że ilość energii wypromieniowywanej przez powierzchnię ciała doskonale czarnego rośnie jak temperatura tego ciała podniesiona do potęgi czwartej E = sT4

Prawo Wiena T lmax = const Prawo to mówi, jak zmienia się rozkład promieniowania wraz z temperaturą a konkretnie jak wiąże się długość fali odpowiadająca maksimum rozkładu promieniowania z temperaturą ciała T lmax = const

Ciało doskonale czarne lmax T = const Promieniowanie Słońca T = 6000 K, lmax = 0.5 mm Promieniowanie Ziemii T = 300 K, lmax = 10 mm

Nagrzewanie się ciał pod wpływem promieniowania słonecznego Promieniowanie słoneczne ma natężenie P . Promieniowanie to padając na jakieś ciało jest absorbowane lub odbijane (rozpraszane). Pomijamy zjawisko transmisji promieniowania przez ciała przeźroczyste Współczynnik odbicia() i współczynnik absorpcji(); +  = 1 Ta część energii, która jest absorbowana =  P (<1) Energia odbita i rozproszona = r P Równocześnie ciało oddaje energię do otoczenia przez promieniowanie. Jeśli ciało ma doskonale czarną powierzchnię to wypromieniowywaną energię określa prawo Stefana-Boltzmanna. Rzeczywiste ciała wypromieniowują mniej energii. Ciało charakteryzuje współczynnik emisji promieniowania e. Dla rzeczywistych ciał (e<1) Energia wypromieniowywana = e s T4

Przybliżone wartości współczynników emisji i absorpcji Ciało Temperatura ciała lub źródła promieniowania 300-400 K 5800 K      Metal polerowany 0.9 0.1 0.1 0.7 0.3 Metal oksydowany 0.2 0.8 0.8 0.8 0.2 Biała farba 0.1 0.9 0.9 0.8 0.2 Czarna matowa farba 0.05 0.95 0.95 0.1 0.9 Beton 0.1 0.9 0.9 0.4 0.6 Dachówka 0.1 0.9 0.9 0.2 0.8 Szkło 0.1 0.9 0.9 0.1 -

Nagrzewanie się ciał pod wpływem promieniowania słonecznego Promieniowanie jest absorbowane i dostarcza ciału w sposób ciągły energię. Energia promieniowania zamienia się w ciepło. Temperatura ciała rośnie. Równocześnie ciało oddaje energię do otoczenia wypromieniowując ją podobnie jak ciało doskonale czarne. Ciepło oddawane jest również na inne sposoby. Ciało będzie nagrzewało się aż osiągnie temperaturę, w której absorbuje tyle samo energii ile samo traci. Jest to temperatura równowagi. Equilibrium means no change with time

Nagrzewanie się ciał pod wpływem promieniowania słonecznego Energia absorbowana w ciągu 1 sekundy =  P Energia wypromieniowywana przez ciało o temperaturze T w ciągu 1 sekundy = e s T4 Temperatura ustali się, gdy energia absorbowana i wypromieniowywana będą sobie równe  P = e s Tr4 czyli Tr4 = / e P / s Temperatura Tr do jakiej nagrzeje się ciało zależy od P czyli od natężenia padającego promieniowania i od stosunku / e dla danego ciała. Dla większości ciał / e wynosi około 1. Dla wypolerowanych metali / e wynosi 0.3/0.1 czyli około 3. Wypolerowane metale nagrzewają się na słońcu najbardziej. Dla P = 800 W/m2 Tr wynosi 343K czyli 70oC

Nagrzewanie się ciał pod wpływem promieniowania słonecznego T4 = / P/ Temperatura wysoka gdy / duże. Metal polerowany 0.3/0.1 = ok. 3 Czarna farba 0.9/0.95 = ok. 1 Beton 0.6/0.9 < 1 Metal polerowany nagrzewa się bardziej niż przedmiot pokryty czarną farbą i jeszcze bardziej niż beton.

Nagrzewanie się ciał pod wpływem promieniowania słonecznego Absorbent selektywny: Płyta z polerowanego metalu o  = 0.1 (dla ciała o temperaturze 300K) ale z cienką warstwą tlenku o czarnej powierzchni np. NiO2 Współczynnik emisji pozostaje ok. 0.1 (grubość warstwy cieńsza od długości fali emitowanego promieniowania) a współczynnik absorpcji ok. 0.9! Takie ciało ma największy stosunek  /  = około 9 Wtedy temperatura równowagi wynosi T = 427 K czyli 154oC Dalsze udoskonalenia: Absorbent osłonięty taflą szklaną. Większość szkieł i bezbarwnych plastików przepuszcza około 90% promieniowania słonecznego a tylko 10% promieniowania o długościach fali powyżej 2000 nm. Efekt szklarniowy, gdy absorbent jest osłonięty Dla neutralnego absorbera temperatura równowagi to ok. 110oC Dla selektywnego absorbera temperatura ta wynosi ok. 190oC

Nagrzewanie się ciał pod wpływem promieniowania słonecznego Temperatura do jakiej nagrzewa się ciało oświetlone promieniowaniem słonecznym zależy od rodzaju powierzchni. Powierzchnia wypolerowanego metalu absorbuje tylko 30% ( =0.3) promieniowania słonecznego. Mimo tego nagrzewa się najbardziej bo sama słabo wypromieniowuje promieniowanie (e =0.1) Gdy odbieramy na bieżąco ciepło od absorbera i nie pozwolimy mu nagrzewać się do zbyt wysokiej temperatury (absorbent jest chłodzony wodą, albo gdy wieje wiatr) temperatura równowagi szybko się obniża. Tracimy mniej energii na wypromieniowywanie. Gdy chcemy efektywnie wykorzystać energię słoneczną musimy stosować absorbent o  powyżej 0.9 i stale odbierać od niego ciepło. Osłona szklanna zmniejsza dodatkowo straty energii

Energia cieplna z energii słonecznej Urządzenia do ogrzewania mieszkań Na dachu umieszczony jest kolektor absorbujący promieniowanie słoneczne. Wewnątrz rur kolektora płynie płyn (woda?) odbierający ciepło. W wymienniku ciepło przekazywane jest do obiegu wtórnego, w którym woda nagrzewa się i dostarczana jest do kaloryferów lub używana jako ciepła woda

Urządzenia do ogrzewania mieszkań W obu schematach urządzeń do ogrzewania mieszkań obok kolektora umieszczonego na dachu instaluje się grzejnik (gaz, prąd), który pracuje gdy brakuje energii słonecznej

Energia cieplna z energii słonecznej Kolektory

Energia cieplna z energii słonecznej Urządzenia do ogrzewania mieszkań Dach domu ogrzewanego promieniowaniem słonecznym

Energia cieplna z energii słonecznej Ogrzewanie pasywne W lecie promieniowanie słoneczne nie wpada bezpośrenio do wnętrza mieszkania i go nie nagrzewa. Wysunięty dach stanowi osłonę. W zimie promieniowanie wpada przez szyby, jest absorbowane przez Podłogę, która ma dużą pojemność cieplną

Magazynowanie energii słonecznej Własności fizyczne wybranych substancji Materiał Ciepło właściwe Przewodnictwo cieplne Woda 1.0 4.2 Żelazo 0.1 320 Szkło 0.2 4.0 Kamień 3.0 Drewno 0.6 1.4 Cegła 4.6 Beton 0.15 12 Piasek 2.3

Wykorzystanie wybranych substancji ze względu na ich własności cieplne Do magazynowania ciepła najlepszą substancją jest woda bo ma największe ciepło właściwe czyli pojemność cieplną jednej jednostki masy. Najlepszym izolatorem z wybranych substancji jest drewno bo najwolniej przewodzi ciepło Obok metali najlepszym przewodnikiem ciepła jest beton

Magazynowanie energii słonecznej Dobrym magazynem energii cieplej jest zbiornik z wodą. Przy dużym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę zbiornik wody ma dość duże rozmiary. Inne pomysły: Podziemne zbiorniki wypełnione kamieniami a nośnikiem ciepła jest powietrze. (kamień ma mniejszą pojemność cieplną niż woda) Wykorzystanie przemiany fazowej: Wosk: topienie się wosku następuje w temperaturze 55oC z ciepłem topnienia ok.. 40 W h / kg (ciepło właściwe wody 1.2 W h / kg K) Inne substancje: sól Glaubera Na2SO4 * 10 H2O topi się w 32oC W praktyce stosuje się zbiorniki z woda i bada się jeszcze inne sposoby magazynowania energii słonecznej

Magazynowanie energii słonecznej Przykład instalacji do ogrzewania budynku Uniwersytetu w Kalabrii. Działa od 1998 roku. Podziemny zbiornik z betonu wyłożonego szkłem ma 500 m3 objętości. Woda nagrzewa się od kwietnia do października. Osiąga temperaturę do 70oC. Na koniec sezonu temperatura spada do ok.. 30oC. W ciągu roku zebrano 257 GJ energii z czego 113 GJ energii zostało stracone.

Magazynowanie energii słonecznej w postaci energii chemicznej

Magazynowanie energii słonecznej w postaci energii chemicznej

Magazynowanie i uzupełnianie energii słonecznej Energia słoneczna jest używana natychmiast a jej nadmiar jest częściowo magazynowany. Gdy słońce zachodzi najpierw pobiera się zmagazynowaną energię a potem korzysta się z tradycyjnych źródeł

Energia cieplna z energii słonecznej Ogrzewanie basenów Kolektory mogą znajdować się na dachu lub obok basenu. Obieg wody zawiera jeszcze urządzenia do filtrowania wody

Energia cieplna z energii słonecznej Ogrzewanie basenów Kolektor Instalacja wodna Basen

Energia cieplna z energii słonecznej Ogrzewanie basenów Temperatura wody w basenie z instalacją i bez instalacji podgrzewającej wodę w sezonie Reklama firmy montującej urządzenie do podgrzewania wody w basenie

Energia cieplna z energii słonecznej Kuchenka na promieniowanie słoneczne Gotowanie przy uzyciu promieniowania słonecznego to sposób ekonomiczny ale wymagający długiego oczekiwania

Kuchenki na promieniowanie słoneczne

Kuchenki na promieniowanie słoneczne Użytkownicy i konstruktorzy