Energija sunca

Dr.sc. Marijana Kraljić Roković, docent

mkralj@fkit.hr

Literatura:

• P.Kulušić, J. Vuletin, I. Zulim: Sunčane ćelije, Školska knjiga, Zagreb,1994

•Zdeslav Matić: Sunčevo zračenje na području Republike Hrvatske, Priručnik za energetsko korištenje Sunčevog zračenja, Energetski institut Hrvoje Požar, Zagreb 2007Zagreb, 2007

• Lj. Majdandžić: Solarni sustavi, Graphis d.o.o., Zagreb, 2010.

Sunce je nama najbliža zvijezda te, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoložive energije

na Zemlji. Sunčeva energija potječe od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje temperatura j g j p j j j g , g j p

doseže 15 milijuna °C. Radi se o fuziji, kod koje spajanjem vodikovih atoma nastaje helij, uz

oslobađanje velike količine energije Ova se energija u vidu svjetlosti i topline širi u svemir pa takooslobađanje velike količine energije. Ova se energija u vidu svjetlosti i topline širi u svemir pa tako

jedan njezin mali dio dolazi i do Zemlje. Nuklearna fuzija odvija se na Suncu već oko 5 milijardi

godina kolika je njegova procijenjena starost a prema raspoloživim zalihama vodika može segodina, kolika je njegova procijenjena starost, a prema raspoloživim zalihama vodika može se

izračunati da će se nastaviti još otprilike 5 milijardi godina.

Osnovni principi direktnog iskorištavanja energije Sunca su:

1 Solarni kolektori pripremanje vruče vode i zagrijavanje prostorija1. Solarni kolektori - pripremanje vruče vode i zagrijavanje prostorija

2. Fotonaponske ćelije –direktna pretvorba sunčeve energije u električnu energiju

3. Fokusiranje sunčeve energije - upotreba u velikim energetskim postrojenjima

"Power Tower" konfiguracija zrcala fokusira

"Dish" sistem fokusiranja. zrcala fokusira

Sunčevu energiju prema vrhu tornja.

j

Pri proračunavanju i projektiranju sunčanih uređaja bitno je poznavati energiju Sunčeva zračenja koja upada na plohu kolektora.zračenja koja upada na plohu kolektora.

Mjerenja sunčeve globalne ozračenosti na horizontalnu površinu predstavljaju podlogu zaMjerenja sunčeve globalne ozračenosti na horizontalnu površinu predstavljaju podlogu za predviđanje proizvodnje električne ili toplinske energije sunca. Za postizanje veće iskoristivosti energije Solarni paneli se postavljaju pod određenim fiksnim nagibom ili aktivno prate kretanje Sunca. Proračun očekivane ozračenosti na panele ovisi o korištenom modelu za horizontalnu površinu na vrijednost za nagib na kojem se nalazi panelpovršinu na vrijednost za nagib na kojem se nalazi panel.

Za sunčevo zračenje na ravnu plohu i sunčevo zračenje na kosu plohu postoje tabelirani podaci.Sunčevo zračenje ovisi o klimatskim uvjetima, trajanju sunčevog zračenja tj. insolaciji, oblačnosti, itd.(podaci su tabelirani ili se mogu izračunati).Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu - direktno i raspršenoNagnuta ploha prima: direktno, raspršeno i odbijeno zračenje (sunce odašilje 3,8 x1023 kW, 3,3x1027

kWh godišnje; do zemlje dopire 1,7x1014 kW)g j ; j p , )Spektar sunca približno odgovara spektru crnog tijela (efektivna temperatura sunčeve površine 5 760 K)

NAGIB ZEMLJINE ROTACIJSKE OSINAGIB ZEMLJINE ROTACIJSKE OSINA EKLIPTIČKU RAVNINU

NAGIB ZEMLJINE ROTACIJSKE OSINA EKLIPTIČKU RAVNINUNA EKLIPTIČKU RAVNINU

DEKLINACIJA SUNCA?

Deklinacija sunca – kut između spojnice središta Zemlje i središta Sunca i ravnine u kojoj leži ekvator (ovisi o danu u godini i mijenja se od -23,45° do 23,45°)

360

365284sin45,23 n

365

n - redni broj dana u godini

Sunčevo vrijeme - koristi se kod proračuna Sunčeva zračenja

ts=tmj – 4 (st-mj ) + tv

tmj – mjesno vrijeme t=15° – referentni meridijan za hrvatsku srednjoeuropsko vrijemest 15 referentni meridijan za hrvatsku, srednjoeuropsko vrijememj – zemljopisna duljinatv – korekcijski faktor (tablica)

tV

dani u godini

Satni kut sunca () – Računa se počevši od sunčanog podneva (=0). Vremenski interval od sunčanog podneva se pomnoži s 15°. Prijepodnevni satni kut ima negativan predznak, a poslijepodnevni pozitivan.Pr. u 9 sati =-3*15°= -45°, a u 13 i 30 =1,5x15=22,5°

Visina sunca () – Kut između sunčevih zraka i horizontalne plohe ( ) p

sin= sin sin + cos cos cos

zemljopisna širina horizontalna

ploha-zemljopisna širina

Pr. Visina sunca u podne (cos =1):

i i i

ψsinp = sin sin + cos cossinp = cos( -)=sin(90°- +)p =90°- +

ψ

Sunčev azimut (ψ) je kut između projekcije sunčeva zračenja na horizontalnu plohu i smjeraSunčev azimut (ψ) je kut između projekcije sunčeva zračenja na horizontalnu plohu i smjera sjever-jug u horizontalnoj ravnini. Obično se uzima ψ=0 kad je sunce na jugu, pozitivan je prema istoku, a negativan prema zapadu.

Zenitna udaljenost () je kut između sunčanih zraka i zenita.

Kut izlaska (zalaska) sunca s (s obzirom na horizontalnu ravninu) može se odrediti iz visine sunca ako se uzme da je =0° odnosno =180°. Satni kut izlaska sunca je negativan, a zalaska pozitivan Vrijeme izlaska odnosno zalaska sunca može se izračunati tako da se kut izražen upozitivan. Vrijeme izlaska odnosno zalaska sunca može se izračunati tako da se kut s izražen u stupnjevima podijeli s 15° i tako se dobije vrijeme u satima.

coss = - tan tan

s = arc cos(-tan tan

Trajanje sunčanog dana ( Z /sati) od izlaska do zalaska sunca

)(2 Z )tantanarccos(152

Z

Sunčevo zračenje na ulazu u zemljinu atmosferu nazivamo ekstraterestičko zračenje. To zračenje

EKSTRATERESTIČKO ZRAČENJE

opisujemo gustoćom energetskog toka koja upada na površinu okomitu na smjer Sunčevih zraka. To zračenje nazivamo ozračenje E / W m-2. Budući da se tijekom godine mijenja udaljenost zemlje od sunca mijenja se i ozračenije (1307-1399 W m-2). Njegova srednja vrijednost naziva se solarna konstanta.Dogovorena standardn vrijednost za solranu konstantu je:

122 48711353 hmkJmWEo

Ekstraterestičko ozračenje za dan nplohe okomite na Sunčevo zračenje: oon EnnE

365360cos033,01)(

Površinska gustoća energije zračenja (H / J m-2)(ozračenost) dobiva se integriranjem ozračenja po vremenu:

EdtH

2

1

2

1

sin365

360cos033,01cos365

360cos033,01 00

t

t

t

toh dtEndtEnH

Dnevna ekstraterestička ozračenost horizontalne plohe od izlaska do zalaska Sunca:

n 86400

sso

nEH

sincoscossinsin180

360360

cos033,01864000

PRIZEMNO SUNČEVO ZRAČENJE

Ukupno zračenje koje pada na zemljinu površinu:E = Eb+Edb dEb – izravnoEd – raspršeno

Put Sunčevih zraka kroz atmosferu opisuje se pomoću optičke mase zraka (m)

sin1

cos1

zCA

BAm

Put Sunčevih zraka kroz atmosferu opisuje se pomoću optičke mase zraka (m)

m=1 zrake dolaze na površinu zemlje okomitom=2 zrake dolaze na površinu zemlje pod kutom =30°m=0 ekstraterestičko zračenje

(Uobičajena oznaka za zračenje AM m, ekstrasteričko zračenje AM 0, =90° AM 1, =30° AM 2, =20° AM 3, =14,5° AM 4, itd.)

Granica atmosfere

B

A

C

Granica atmosfere

Površina zemlje

A

N i i S č č j i f t ki j ji dl ž j t AMNormirano prizemno Sunčevo zračenje pri fotonaponskim mjerenjima predloženo je tzv. AM 1,5 (=41,8°, odnosno zenitni kut 48,2°)(snaga koju daje fotonaponski sustav obasjan s AM 1,5 zove se vršna snaga, približno najvećoj gustoći snage Sunčeva zračenja na Zemljinoj površini).

MJERENJE SUNČEVA ZRAČENJAP d i č č j d bi j j j Ti b i l ij k jPodaci o sunčevu zračenju dobivaju se mjerenjem. Time se bavi grana meteorologije koja se naziva aktinometrija.Za praktično iskorištavanje sunčeve energije važni su: insolacija, ukupno ozračenje horizontalne plohe, raspršeno ozračenje horizontalne plohe.p p j p

Insolacija-duljina vremena kad sunčevo zračenje dopire do dohorizontalne plohe, mjeri se pomoču heliografa.Piranometar je instrument koji mjeri ukupno ozračenje Sunčeva zračenja koje upada izPiranometar je instrument koji mjeri ukupno ozračenje Sunčeva zračenja koje upada iz prostornog kuta 2 na njegovu plohu. Obično mu je ploha primanja horizontalna.Iz podataka o insolaciji može se procijeniti ozračenost.Zbrajanjem satni ozračenosti dobiva se dnevno i mjesečno ozračenje koje služi u projektiranju i proračunima rada sunčanih sustavaproračunima rada sunčanih sustava.

Campbell–Stokesov heliograf

PRORAČUN PRIZEMNOG SUNČEVOG ZRAČENJA-upadno sunčevo zračenje - mjerenje ili razne empirijske formule

Mjesečni prosjek dnevne ozračenosti horizontalne plohe, / J m-2, može se izračunati prema Ångström-Pageovoj relaciji. SbaHH o

H

–koeficijenti ovisnosti o promatranom mjestu (pr. Zagreb a=0,2, b=0,59)- srednja dnevna vrijednost ekstraterestičke ozračenosti (J m-2)- satna ozračenost (može se izračunati iz dnevne) (J m-2)H

H

ba

s

0

,

satna ozračenost (može se izračunati iz dnevne) (J m )– srednja dnevna ozračenost (J m-2)–srednja dnevna vrijednost relativnog trajanja zračenja Sunca (omjer stvarne insolacije i trajanja

sunčanog dana)S

H

H s

Collares-Pereirove i Rabove formule:

sbaHH coscos)cos(

Procjena raspršenog zračenja

s

ss

s baHH

cos

3602sin

)cos(24

Udio raspršene (difuzne) ozračenosti u ukupnoj

Indeks prozračnostiHH

K dd

Indeks prozračnosti

0HHK T 32

86,229,517,46,1

TTTd KKKK

- određuje se eksperimentalno ili preko indeksa prozračnostidK

SUNČEVO ZRAČENJE NA NAGNUTU PLOHU

Liu, Jordan i Klein razvili metodu preračunavanja podataka za zračenje na horizontalnu plohu u srednju dnevnu ozračenost kose plohe okrenute prema jugu. p p j g

Ukupno zračenje na kosu plohu: Eβ=Ebβ+Edβ+Erβ

β-nagnuta plohaizravno sunčano č j t 'coscos

REEEE β g pz-horizontalna plohaozračenje nagnute

plohe sincos bbz

bb REEEE

sinsincoscoscossin)sin(coscos)cos(

sincos´

bRomjer izravnog ozračenja nagnute i horizontalne

l h

bbb HRH

plohe

omjer između srednje dnevne izravne ozračenosti nagnute i

sin)sin(180

sincos)cos( ´´ss

bR

nagnute i horizontalne plohe za pojedini mjesec

sinsin180

sincoscos ss

bR

Vremenski kut zalaska(izlaska) sunca na nagnutu plohu:´s= arc cos [-tan(-) tan]Za satne kutove >90°Sunčeve zrake ne upadaju na nagnutu plohuZa satne kutove >90°Sunčeve zrake ne upadaju na nagnutu plohu.

2cos1

dd HH

2cos1

HHr

ukupna ozračenost nagnute plohe:

- Refleksijski faktor tla (albedo)

cos1cos1

ukupna ozračenost nagnute plohe:

2cos1

2cos1)(

HHRHHHHHH dbdrdb

HRH

HHR

HHH d

bd

2cos1

2cos1)1(

-omjer srednje dnevne ozračenosti nagnute plohe i srednje dnevne ozračenosti horizontalne plohe za pojedini mjesec.

R

Ako bio se panel svaki mjesec namještao da kut nagiba bude optimalan u Splitu bi ukupna godišnja ozračenost bila 18 9 MJ m-2 x365=6900 MJ m-2 a ako bi se namještao dva putagodišnja ozračenost bila 18,9 MJ m x365=6900 MJ m , a ako bi se namještao dva puta godišnje 6820 MJ m-2. Za stalni nagib od 45° kroz cijelu godinu ozračenost bi iznosila 6 500 MJ m-2.

ZADATAK:Koliki je mjesečni prosjek dnevne ozračenosti kolektora u Splitu u lipnju nagnutog pod kutem

3 ° f f ( ) 0 2 3 °H

od =43,5°. Refleksijski faktor (albedo) tla je 0,2, a =43,5°.Za srednji dan u mjesecu lipnju uzima se 11. lipnja (n=162) jer je tog dana deklinacija sunca jednaka srednjoj mjesečnoj deklinaciji.Srednja dnevna ozračenost horizontalne plohe u Splitu iznosi =25,9 MJ m-2 po danu i i srednja Hj p p p jdnevna ekstraterestička ozračenost horizontalne plohe u toj zemljopisnoj širini iznosi = 41,74MJ m-2 po danu . ´s =90°

0H

HRHHHR

HHH d

bd

2cos1

2cos1)1(

HH

K dd

Udio difuznog zračenja u globalnom izračuna se upotrebom empirijske relacije za naše područje:

H

32 86,229,517,46,1 TTTd KKKK

sinsin180

sincoscos

sin)sin(180

sincos)cos(

ss

ssbR

180