1.    
  2.    
  3.     Деякі фізичні основи ефективного акумулювання сонячної енергії сонячним соляним ставком

Деякі фізичні основи ефективного акумулювання сонячної енергії сонячним соляним ставком

Для визначення основних і другорядних факторів, що впливають на ефективність акумулювання сонячної енергії сонячним соляним ставком, базовим модулем ряду систем і установок енергетики відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) [1], звернемося до малюнка 1 — де наведено паралельне та послідовне просування теплоти Сонця до гарячого розсолу сонячного соляного ставка. А також відбуваються зміни значень різних видів сонячного випромінювання та їх сумарного значення на цьому шляху.

Малюнок 1 – Гістограма зміни інтенсивності сонячного випромінювання (енергії) на шляху до гарячого розсолу сонячного соляного ставка.

Для оцінки ефективності активного використання різних видів сонячного випромінювання визначимося з тим, які з природних, техногенних і експлуатаційних факторів мають позитивний, а які негативний вплив на концентрацію (збільшення надходження) сонячного випромінювання в ставок і акумулювання його гарячим розсолом.

Земля і атмосфера отримують від Сонця в рік 1,3∙1024 кал тепла. Воно вимірюється інтенсивністю, тобто кількістю променистої енергії (в калоріях), яке надходить від Сонця за одиницю часу на площу поверхні, перпендикулярну сонячним променям.

Промениста енергія Сонця доходить до Землі у вигляді прямої і розсіяної радіації, тобто сумарною. Вона поглинається земною поверхнею і перетворюється в тепло не повністю, частина її втрачається у виді відбитої радіації.

Пряма і розсіяна (сумарна), відображена та поглинена радіація відносяться до короткохвильової частини спектру. Поряд з короткохвильової радіацією до земної поверхні надходить довгохвильове випромінювання атмосфери (зустрічне випромінювання), в свою чергу земна поверхня випромінює довгохвильову радіацію (власне випромінювання).

Пряме сонячне випромінювання належить до основного природного фактору надходження енергії до водної поверхні сонячного соляного ставка. Сонячна радіація, що надходить на діяльну поверхні у виді пучка паралельних променів, що виходять безпосередньо від диска Сонця, називається прямою сонячною радіацією. Пряма сонячна радіація відноситься до короткохвильової частини спектру (з довжинами хвиль від 0,17 до 4 мкм, фактично земної поверхні досягають промені з довжиною хвилі від 0,29 мкм)

Сонячний спектр можна розділити на три основні області:

– ультрафіолетове випромінювання ( < 0,4 мкм) — 9 % інтенсивності. Короткохвильова ультрафіолетова області ( < 0,29 мкм) практично повністю відсутня на рівні моря внаслідок поглинання О2, О3, N2 та їх іонами. Ближній ультрафіолет діапазон (0,29 мкм < < 0,4 мкм) досягає Землі малою часткою випромінювання, але цілком достатній для засмаги;

– видиме випромінювання (0,4 мкм < < 0,7 мкм) — 45 % інтенсивності. Видиме випромінювання чиста атмосфера пропускає практично повністю, і вона стає «вікном», відкритим для проходу на Землю цього виду сонячної енергії. Наявність аерозолів і забруднень атмосфери можуть бути причинами значного поглинання випромінювання цього спектру;

– інфрачервоне випромінювання ( > 0,7 мкм) — 46 % інтенсивності. Ближня інфрачервона область (0,7 мкм < < 2,5 мкм). На цей діапазон спектра припадає майже половина інтенсивності сонячного випромінювання. Більше 20 % сонячної енергії поглинається в атмосфері, в основному парами води і СО2 (діоксидом вуглецю). Концентрація СО2 в атмосфері відносно постійна і становить 0,03 %, а концентрація парів води змінюється дуже сильно — майже 4 %.

При довжинах хвиль більше 2,5 мкм слабке позаземне випромінювання інтенсивно поглинається СО2 і водою, так що тільки невелика частина цього діапазону сонячної енергії, що досягає поверхні Землі.

Інфрачервоний діапазон ( > 12 мкм) сонячного випромінювання практично не надходить на Землю [2].

З точки зору застосування сонячної енергії на Землі слід враховувати тільки випромінювання в інтервалі довжин хвиль 0,29 – 2,5 мкм/ Велика частина сонячної енергії за межами атмосфери припадає на діапазон довжин хвиль 0,2 – 4 мкм, а на поверхні Землі — на діапазон 0,29 – 2,5 мкм [3].

Простежимо, як перерозподіляються, в загальному вигляді, потоки енергії, яку Сонце дає Землі. Візьмемо 100 умовних одиниць сонячної потужності (1,36 кВт/м2), що потрапляє на Землю, і прослідкуємо їх шляхами в атмосфері. Один відсоток (13,6 Вт/м2), короткий ультрафіолет сонячного спектра, поглинається молекулами в экзосфере і термосфере, розігріваючи їх. Ще три відсотки (40,8 Вт/м2) близького ультрафіолету поглинаються озоном стратосфери. Інфрачервоний хвіст сонячного спектру (4 % або 54,4 Вт/м2) залишається у верхніх шарах тропосфери, що містить пари води (вище водяної пари практично немає).

Решта 92 частки сонячної енергії (1,25 кВт/м2) припадають на «вікно прозорості» атмосфери 0,29 мкм < < 2,5 мкм. Вони проникають в щільні приземні шари повітря. Значна частина їх (45 одиниць або 612 Вт/м2), переважно у синій видимій частині спектру, розсіюються повітрям, надаючи блакитний колір неба. Прямі сонячні промені — 47 відсотків (639,2 Вт/м2) початкового світлового потоку — досягають поверхні. Вона відображає приблизно 7 відсотків (95,2 Вт/м2) з цих 47 % (639,2 Вт/м2) і це світло по дорозі в космос віддає ще 3 одиниці (40,8 Вт/м2) розсіяного дифузного світла неба. Сорок ж часткою енергії сонячних променів, і ще 8 від атмосфери (всього 48 або 652,8 Вт/м2) поглинаються поверхнею Землі, нагріваючи землю й океан.

Розсіяна в атмосфері світлова потужність (всього 48 часток або 652,8 Вт/м2) частково поглинається нею (10 часток або 136 Вт/м2), а решта розподіляється між поверхнею Землі та космосом. В космічний простір йде більше, ніж потрапляє на поверхню, 30 часток (408 Вт/м2) наверх, 8 часток (108,8 Вт/м2) вниз.

Це була описана загальна, осредненная, картина перерозподілу сонячної енергії в атмосфері Землі. Однак, вона не дозволяє вирішувати приватні завдання використання сонячної енергії для задоволення потреб людини в конкретній зоні його проживання і трудової діяльності і ось чому.

Атмосфера Землі краще відображає косі сонячні промені, тому працює інсоляція на екваторі й на середніх широтах значно більше, ніж у високих.

Значенням висоти Сонця (підвищень над горизонтом) 90, 30, 20 і 12 ⁰ (повітряна (оптична) маса (m) атмосфери відповідає 1, 2, 3, і 5) при безхмарній атмосфері відповідає інтенсивність близько 900, 750, 600 і 400 Вт/м2 (при 42 ⁰ — m = 1,5, а при 15 ⁰ — m = 4). Насправді повна енергія падаючого випромінювання перевищує вказані значення, оскільки вона включає не тільки пряму складову, але і розсіяну при повітряних масах 1, 2, 3 і 5 величина розсіяної складової інтенсивності випромінювання на горизонтальну поверхню при цих умовах відповідно дорівнює 110, 90, 70 і 50 Вт/м2 (з коефіцієнтом 0,3 – 0,7 для вертикальній площині, оскільки видно лише половина неба). Крім того, на ділянках небосхилу близьких до Сонця, присутня «околосолнечной ореол» в радіусі ≈ 5⁰.

Денна кількість сонячного випромінювання максимально не на екваторі, а поблизу 40⁰. Подібний факт також є наслідком нахилу земної осі до площини її орбіти. У період літнього сонцестояння Сонце у тропіках майже весь день знаходиться над головою і тривалість світлового дня — 13,5 годин, більше ніж на екваторі в день рівнодення. З підвищенням географічної широти тривалість дня зростає, і хоча інтенсивність сонячного випромінювання зменшується, максимальне значення денної інсоляції припадає на широту близько 40 ⁰ і залишається майже постійним (для умов безхмарного неба) аж до полярного кола.

З урахуванням хмарності і забруднень атмосфери промисловими відходами, характерних для багатьох країн світу, наведені в таблиці величини слід зменшувати, принаймні, вдвічі. Наприклад, для Англії 70 р. XX століття, до початку боротьби за охорону навколишнього середовища, річна кількість сонячної радіації становило лише 900 кВт∙год/м2 замість 1700 кВт∙год/м2.

Перші дані про прозорість атмосфери на Байкалі були отримані Ст. Ст. Буфалом в 1964р. Він показав, що значення прямої сонячної радіації над Байкалом в середньому на 13 % вище, ніж в Іркутську. Середній спектральний коефіцієнт прозорості атмосфери на Північному Байкалі в літній період становить для червоного, зеленого і синього фільтрів відповідно 0,949, 0,906, 0,883. У літній період атмосфера більш нестійка в оптичному відношенні, ніж взимку, і ця нестійкість значно змінюється від дополуденных до послеполуденным годинах. В залежності від річного ходу ослаблення водяною парою і аерозолями змінюється і їх внесок у загальне ослаблення сонячної радіації. В холодну частину року основну роль відіграють аерозолі, в теплу — водяний пар. Байкальська улоговина та озеро Байкал відрізняються порівняно високою інтегральною прозорістю атмосфери. При оптичної масою m = 2 середні значення коефіцієнта прозорості коливаються від 0,73 (влітку) до 0,83 (взимку) При цьому між-добові зміни інтегральної прозорості атмосфери великі, особливо в полудень — від 0,67 до 0,77 [4]. Аерозолі істотно знижують надходження в акваторію ставка прямого сонячного випромінювання, причому вони поглинають в основному випромінювання видимого спектру [1], з тією довжиною хвилі, яка безперешкодно проходить прісний шар ставка, і це для акумулювання ставком сонячної енергії має велике значення. (Шар води товщиною 1 см практично непрозорий для інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі більше 1 мкм). Тому вода товщиною в кілька сантиметрів використовується як теплозахисний фільтр. Для скла довгохвильова межа пропускання інфрачервоного випромінювання становить — 2,7 мкм.

Велика кількість частинок пилу, безперешкодно переноситься по степу також зменшує прозорість атмосфери.

Електромагнітне випромінювання випромінюють усі нагріті тіла, причому, чим холодніша тіло, тим менше інтенсивність випромінювання і тим далі в довгохвильову область зміщений максимум його спектру. Існує дуже просте співвідношення [ = 0,2898 см∙град. (закон Вина)], з допомогою якого легко встановити, де знаходиться максимум випромінювання тіла з температурою (⁰К). Наприклад, людське тіло, що має температуру 37 + 273 = 310 ⁰К, випромінює інфрачервоні промені з максимумом поблизу значення = 9,3 мкм [5]. А стінки, наприклад, гелиосушилки, з температурою 90 ⁰С будуть випускати інфрачервоні промені з максимумом поблизу значення = 8 мкм. Видиме сонячне випромінювання (0,4 мкм < < 0,7 мкм) має 45 % інтенсивності тому, що температура поверхні Сонця 5780 ⁰К.

Свого часу великим прогресом з’явився перехід від електричної лампи розжарювання з вугільною ниткою до сучасної лампі з вольфрамовою ниткою. Вся справа в тому, що вугільну нитку можна довести до температури 2100 ⁰К, а вольфрамову — до 2500 ⁰К. Чому ці 400 ⁰К так важливі? Вся справа в тому, що мета лампи розжарювання — не гріти, а давати світло. Отже, треба домогтися такого положення, щоб максимум кривої припадав на видиме вивчення. Ідеалом було б мати такий ниткою, яка витримувала б температуру поверхні Сонця. Але навіть перехід з 2100 до 2500 ⁰К підвищує частку енергії, що припадає на видиме випромінювання, від 0,5 до 1,6 % [6].

Інфрачервоні промені, які виходять від тіла, нагрітого до 60 – 70 ⁰ С, кожен може відчути, підносячи долоню знизу (для усунення теплової конвекції). Прихід прямого сонячного випромінювання в акваторію ставка відповідає його приходу на горизонтальну поверхню опромінення. При цьому, викладене вище показує, невизначеність кількісної характеристики приходу в конкретний момент часу, як сезонного, так і добового. Постійною характеристикою є тільки висота Сонця (оптична маса атмосфери).

Акумулювання ж сонячного випромінювання земної поверхнею і ставком істотно розрізняються.

Природні поверхні Землі мають різної відбивної (поглинальною) здатністю. Так, темні поверхні (чорнозем, торф’яні болота) мають низьке значення альбедо близько 10 %. (Альбедо поверхні — це відношення потоку випромінювання, відбитого цією поверхнею в навколишній простір, до потоку, що впала на неї).

Світлі поверхні (білий пісок) володіють великим альбедо, 35 – 40 %. Альбедо поверхонь з трав’яним покривом коливаються у межах 15 – 25 %. Альбедо крон листяного лісу влітку дорівнює 14 – 17 %, хвойного лісу — 12 – 15 %. Альбедо поверхні зменшується із збільшенням висоти Сонця.

Альбедо ж водних поверхонь полягає в радіусі 3 – 45 %, в залежності від висоти Сонця і ступеня хвилювання.

 

Вступ сонячного випромінювання і проходження його через шар води має свої особливості.

 

На плоскій межі двох середовищ повітря — вода спостерігаються явища відбиття і заломлення світла.

При відображенні світла промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні, що відбиває, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині, і кут відбивання дорівнює куту падіння. У разі заломлення падаючий промінь, перпендикуляр, відновлений в точці падіння променя до межі розділу двох середовищ, і переломлений промінь лежать в одній площині. Кут падіння і кут заломлення (малюнок 4) не пов’язані /, де — абсолютний показник заломлення другою середовища — першою. Оскільки для повітря , то формула прийме вигляд

 

Коли промені йдуть з повітря у воду, то вони наближаються до «перпендикуляру падіння»; наприклад, промінь, що падає на воду під кутом до перпендикуляру до поверхні води, вступає в неї вже під кутом , який менше, ніж (рис. 4,а). Але коли падаючий промінь, ковзаючи по поверхні води, падає на водну поверхню майже під прямим кутом до перпендикуляру, наприклад, під кутом 89 ⁰ і менше, то він вступає в воду під кутом, меншому ніж прямий, а саме під кутом всього 48,5⁰. Під великим кутом до перпендикуляру, ніж 48,5⁰, промінь вступити в воду не може: це для води «граничний» кут (малюнок 4,б).

Отже, промені, що падають на воду під всілякими кутами, стискаються під водою досить тісний конус з кутом розчину 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (рис 4,в). Крім того заломлення води залежить від її температури, однак ці зміни не настільки значні що не можуть представляти інтересу для інженерної практики, по розглянутій темі.

Простежимо тепер за ходом променів, що йдуть назад (з точки Р) — з води в повітря (малюнок 5). За законами оптики, шляхи будуть ті ж самі, і всі промені, укладені в згаданому 97-градусному конусі, вийдуть у повітря під різними кутами, розподіляючись по всьому 180-градусний простору над водою. Підводні промені, що знаходяться поза згаданого кута (97-градусного) не вийдуть з-під води, а позначаться цілком від його поверхні, як від дзеркала.

 

Якщо < (друга середовище оптично менш щільна), то існує тільки відбитий промінь, переломлений промінь відсутній (явище повного внутрішнього відбиття).

Кожен підводний промінь, що зустрічає поверхню води під кутом, великим граничного» (тобто великим 48,5⁰), не заломлюється, а відображається: він зазнає повне внутрішнє віддзеркалення». Відображення називається в даному випадку повним тому, що тут відображаються всі падаючі промені, між тим як навіть найкраще дзеркало з полірованого срібла відображає тільки частину падаючих на нього променів, решту поглинає. Вода при зазначених умовах є ідеальним дзеркалом. В даному випадку мова йде про видимому світлі. Взагалі кажучи, показник заломлення води, як і інших речовин, що залежить від довжини хвилі (це явище називається дисперсією). Як наслідок цього граничний кут, при якому настає повне внутрішнє віддзеркалення, не один і той же для різних довжин хвиль, але для видимого світла при відбиванні на межі вода — повітря цей кут змінюється менше ніж на 1⁰ [9].

Завдяки тому, що під великим кутом до перпендикуляру, ніж 48,5⁰, сонячний промінь вступити в воду не може: це для води «граничний» кут (малюнок 4,б), то водна маса, у всьому діапазоні значень висоти Сонця змінюється не настільки незначно, ніж повітряна — вона завжди менше.

Однак, оскільки щільність води в 800 разів більше щільності повітря, то поглинання сонячного випромінювання водою буде істотно змінюватися. Крім того, якщо світлове випромінювання проходить крізь прозору середу, то спектр такого світла володіє деякими особливостями. Певні лінії в ньому сильно ослаблені, тобто відповідної довжини хвилі сильно поглинаються розглянутої середовищем. Такі спектри називаються спектрами поглинання. Вигляд спектра поглинання залежить від аналізованого речовини.

Оскільки розчин солей сонячного соляного ставка може містити різні концентрації хлористих натрію і магнію та їх відносини, то однозначно говорити про спектрах поглинання немає сенсу. Хоча досліджень і даних з цього питання предостатньо.

Так, наприклад, дослідженнями, проведеними в СРСР (Ю. Усмановим) по виявленню коефіцієнта пропускання випромінювання різних довжин хвиль для води і розчину хлористого магнію різної концентрації отримані наступні результати (малюнок 6). А Б. Дж. Бринквортом показана графічна залежність поглинання сонячної радіації і монохроматична щільність потоку сонячної радіації (випромінювання) в залежності від довжин хвиль (малюнок 7).

 

Отже, кількісне надходження сонячного випромінювання до гарячого розсолу ставка, після вступу у воду, буде залежати: від монохроматичної щільності потоку сонячної радіації (випромінювання); від висоти Сонця. А також від альбедо поверхні ставка, від чистоти верхнього шару сонячного соляного ставка, що складається з прісної води, з товщиною зазвичай 0,1 – 0,3 м, де придушити перемішування не вдається, складу, концентрації і товщини розчину в градієнтному шарі (изолирующем шарі з збільшується донизу концентрацією ропи), від чистоти води і розсолу.

З цього випливає, що вода володіє найбільшою пропускною здатністю у видимій області сонячного спектра. Це є дуже сприятливим чинником для проходження сонячної радіації через верхній прісний шар сонячного соляного ставка.

Список Літератури

1 Осадчий Р. Б. Сонячна енергія, її похідні та технології їх використання (Впровадження в енергетику ВДЕ) / Р. Б. Осадчий. Омськ: ІПК Макшеевой Е. А., 2010. 572 с.
2 Твайделл Дж. Відновлювані джерела енергії / Дж. Твайделл, А. Вейр. М.: Вища Школа, 1990. 392 с.
3 Даффі Дж. А. Теплові процеси з використанням сонячної енергії / Дж. А. Даффі, У. А. Бекман. М.: Світ, 1977. 420 с.
4 Кліматичні ресурси Байкалу і його басейну /Н. П. Ладейщиков, Новосибірськ, Наука, 1976, 318с.
5 Пикин С. А. Рідкі кристали/ С. А. Пікіної, Л. М. Млинців. М.: Наука, 1982. 208 с.
6 Китайгородський А. В. Фізика для всіх: Фотони і ядра/ А. В. Китайгородський. М.: Наука, 1984. 208 с.
7 Кухлінг Х. Довідник з фізики. / Х. Кухлінг. М.: Світ, 1982. 520 з.
8 Енохович А. С. Довідник по фізиці і техніці/ А. С. Енохович. М.: Просвіта, 1989. 223 с.
9 Перельман Я. І. Цікава фізика. Книга 2 / Я. І. Перельман. М.: Наука, 1986. 272 с.

07.01.2017

Написати коментар