Некоторые физические основы эффективного аккумулирования

Некоторые физические основы эффективного
аккумулирования солнечной энергии
солнечным соляным прудом
Осадчий Г.Б., инженер
Для определения основных и второстепенных факторов, влияющих на
эффективность аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным
прудом, базовым модулем ряда систем и установок энергетики
возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [1], обратимся к рисунку 1 — где
приведено параллельное и последовательное продвижение теплоты Солнца
к горячему рассолу солнечного соляного пруда. А также происходящие
изменения значений различных видов солнечного излучения и их
суммарного значения на этом пути.
Рисунок 1 – Гистограмма изменения интенсивности солнечного излучения
(энергии) на пути к горячему рассолу солнечного соляного пруда.
Для оценки эффективности активного использования различных
видов солнечного излучения определимся с тем, какие из природных,
техногенных и эксплуатационных факторов оказывают позитивное, а какие
негативное влияние на концентрацию (увеличение поступления) солнечного
излучения в пруд и аккумулирование его горячим рассолом.
Земля и атмосфера получают от Солнца в год 1,3∙1024 кал тепла. Оно
измеряется интенсивностью, т.е. количеством лучистой энергии (в калориях),
которое поступает от Солнца за единицу времени на площадь поверхности,
перпендикулярную солнечным лучам.
Лучистая энергия Солнца доходит до Земли в виде прямой и
рассеянной радиации, т.е. суммарной. Она поглощается земной
поверхностью и превращается в тепло не полностью, часть её теряется в виде
отраженной радиации.
Прямая и рассеянная (суммарная), отраженная и поглощенная
радиация относятся к коротковолновой части спектра. Наряду с
коротковолновой
радиацией
к
земной
поверхности
поступает
длинноволновое излучение атмосферы (встречное излучение), в свою
очередь земная поверхность излучает длинноволновую радиацию
(собственное излучение).
Прямое солнечное излучение относится к основному природному
фактору поступления энергии к водной поверхности солнечного соляного
пруда.
Солнечная радиация, поступающая на деятельную поверхность в виде
пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от диска Солнца,
называется прямой солнечной радиацией.
Прямая солнечная радиация относится к коротковолновой части
спектра (с длинами волн от 0,17 до 4 мкм, фактически земной поверхности
достигают лучи с длиной волны от 0,29 мкм)
Солнечный спектр можно разделить на три основных области:
• ультрафиолетовое излучение ( < 0,4 мкм) — 9 % интенсивности.
Коротковолновая ультрафиолетовая области (
< 0,29 мкм)
практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения
О2, О3, О, N2 и их ионами.
Ближний ультрафиолет диапазон (0,29 мкм < < 0,4 мкм) достигает
Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;
• видимое излучение (0,4 мкм < < 0,7 мкм) — 45 % интенсивности.
Видимое излучение чистая атмосфера пропускает практически
полностью, и она становится «окном», открытым для прохода на Землю этого
вида солнечной энергии. Наличие аэрозолей и загрязнений атмосферы могут
быть причинами значительного поглощения излучения этого спектра;
• инфракрасное излучение ( > 0,7 мкм) — 46 % интенсивности.
Ближняя инфракрасная область (0,7 мкм < < 2,5 мкм). На этот диапазон
спектра приходится почти половина интенсивности солнечного излучения.
Более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами
воды и СО2 (диоксидом углерода). Концентрация СО2 в атмосфере
относительно постоянна и составляет 0,03 %, а концентрация паров воды
меняется очень сильно — почти до 4 %.
При длинах волн более 2,5 мкм слабое внеземное излучение
интенсивно поглощается СО2 и водой, так что только небольшая часть этого
диапазона солнечной энергии достигает поверхности Земли.
Дальний инфракрасный диапазон ( > 12 мкм) солнечного излучения
практически не поступает на Землю [2].
С точки зрения применения солнечной энергии на Земле следует
учитывать только излучение в интервале длин волн 0,29 – 2,5 мкм
Большая часть солнечной энергии за пределами атмосферы
приходится на диапазон длин волн 0,2 – 4 мкм, а на поверхности Земли — на
диапазон 0,29 – 2,5 мкм [3].
Проследим, как перераспределяются, в общем виде, потоки энергии,
которую дает Земле Солнце. Возьмем 100 условных единиц солнечной
мощности (1,36 кВт/м2), попадающей на Землю, и проследим за их путями в
атмосфере. Один процент (13,6 Вт/м2), короткий ультрафиолет солнечного
спектра, поглощается молекулами в экзосфере и термосфере, разогревая их.
Ещё три процента (40,8 Вт/м2) ближнего ультрафиолета поглощаются озоном
стратосферы. Инфракрасный хвост солнечного спектра (4 % или 54,4 Вт/м2)
остается в верхних слоях тропосферы, содержащей пары воды (выше
водяного пара практически нет).
Оставшиеся 92 доли солнечной энергии (1,25 кВт/м2) приходятся на
«окно прозрачности» атмосферы 0,29 мкм < < 2,5 мкм. Они проникают в
плотные приземные слои воздуха. Значительная часть их (45 единиц или 612
Вт/м2), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются
воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи —
оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м2) начального светового потока —
достигают поверхности. Она отражает примерно 7 процентов (95,2 Вт/м2) из
этих 47 % (639,2 Вт/м2) и этот свет по пути в космос отдает ещё 3 единицы
(40,8 Вт/м2) диффузному рассеянному свету неба. Сорок же долей энергии
солнечных лучей, и ещё 8 от атмосферы (всего 48 или 652,8 Вт/м2)
поглощаются поверхностью Земли, нагревая сушу и океан.
Рассеянная в атмосфере световая мощность (всего 48 долей или 652,8
2
Вт/м ) частично поглощается ею (10 долей или 136 Вт/м2), а остальное
распределяется между поверхностью Земли и космосом. В космическое
пространство уходит больше, чем попадает на поверхность, 30 долей (408
Вт/м2) наверх, 8 долей (108,8 Вт/м2) вниз.
Это была описана общая, осредненная, картина перераспределения
солнечной энергии в атмосфере Земли. Однако, она не позволяет решать
частные задачи использования солнечной энергии для удовлетворения
потребностей человека в конкретной зоне его проживания и трудовой
деятельности и вот почему.
Атмосфера Земли лучше отражает косые солнечные лучи, поэтому
часовая инсоляция на экваторе и в средних широтах намного больше чем в
высоких.
Значениям высоты Солнца (возвышениям над горизонтом) 90, 30, 20,
и 12 ⁰ (воздушная (оптическая) масса (m) атмосферы соответствует 1, 2, 3, и 5)
при безоблачной атмосфере соответствует интенсивность около 900, 750, 600
и 400 Вт/м2 (при 42 ⁰ — m = 1,5, а при 15 ⁰ — m = 4). В действительности
полная энергия падающего излучения превышает указанные значения,
поскольку она включает не только прямую составляющую, но и рассеянную
при воздушных массах 1, 2, 3 и 5 величина рассеянной составляющей
интенсивности излучения на горизонтальную поверхность при этих условиях
соответственно равна 110, 90, 70 и 50 Вт/м2 (с коэффициентом 0,3 – 0,7 для
вертикальной плоскости, т. к. видна только половина неба). Кроме того, на
участках небосклона близких к Солнцу, присутствует «околосолнечный
ореол» в радиусе ≈ 5⁰.
В таблице 1 приведены данные по инсоляции для различных
регионов Земли.
Таблица 1 – Инсоляция прямой составляющей по регионам для чистой
атмосферы
Инсоляция, кВт∙ч/м2
Регион, широта
За день
Годовая
Наибольшая
Экватор, 0 ⁰
6,5 (7,5)*
Тропики, 23,5 ⁰
7,1 (8,3)
Средние широты, 40 ⁰
7,2 (8,5)
Англия, 52 ⁰
7,0 (8,4)
Полярный круг, 66,5 ⁰
6,5 (7,9)
*с учетом вклада рассеянной составляющей
Наименьшая
5,8 (6,8)*
3,4 (4,2)
1,2 (1,7)
0,5 (0,8)
0
2200 (2300)*
1900 (2300)
1500 (1900)
1400 (1700)
1200 (1400)
Из таблицы 1 видно, что дневное количество солнечного излучения
максимально не на экваторе, а вблизи 40 ⁰. Подобный факт также является
следствием наклона земной оси к плоскости её орбиты. В период летнего
солнцестояния Солнце в тропиках почти весь день находится над головой и
продолжительность светового дня — 13,5 часов, больше чем на экваторе в
день
равноденствия.
С
повышением
географической
широты
продолжительность дня возрастает, и хотя интенсивность солнечного
излучения при этом уменьшается, максимальное значение дневной
инсоляции приходится на широту около 40 ⁰ и остается почти постоянным
(для условий безоблачного неба) вплоть до полярного круга.
Следует подчеркнуть, что данные таблицы 1 справедливы лишь для
чистой атмосферы. С учетом облачности и загрязнений атмосферы
промышленными отходами, характерных для многих стран мира,
приведенные в таблице величины следует уменьшать, по крайней мере,
вдвое. Например, для Англии 70 г. XX века, до начала борьбы за охрану
окружающей среды, годовое количество солнечной радиации составляло
лишь 900 кВт∙ч/м2 вместо 1700 кВт∙ч/м2.
Первые данные, о прозрачности атмосферы на Байкале были
получены В.В. Буфалом в 1964г. Он показал, что значения прямой солнечной
радиации над Байкалом в среднем на 13 % выше, чем в Иркутске. Средний
спектральный коэффициент прозрачности атмосферы на Северном Байкале в
летний период составляет для красного, зеленого и синего фильтров
соответственно 0,949, 0,906, 0,883. В летний период атмосфера более
неустойчива в оптическом отношении, чем зимой, и эта неустойчивость
значительно меняется от дополуденных к послеполуденным часам. В
зависимости от годового хода ослабления водяным паром и аэрозолями
меняется и их вклад в общее ослабление солнечной радиации. В холодную
часть года основную роль играют аэрозоли, в теплую — водяной пар.
Байкальская котловина и озеро Байкал отличаются сравнительно высокой
интегральной прозрачностью атмосферы. При оптической массе m = 2
средние значения коэффициента прозрачности колеблются от 0,73 (летом)
до 0,83 (зимой) При этом межсуточные изменения интегральной
прозрачности атмосферы велики, особенно в полуденные часы — от 0,67 до
0,77 [4].
Аэрозоли существенно снижают поступление в акваторию пруда
прямого солнечного излучения, причем они поглощают в основном
излучение видимого спектра [1], с той длиной волны, которая
беспрепятственно проходит пресный слой пруда, и это для аккумулирования
прудом солнечной энергии имеет большое значения. (Слой воды толщиной 1
см практически непрозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны
более 1 мкм). Поэтому вода толщиной в несколько сантиметров
используется как теплозащитный фильтр. Для стекла длинноволновая
граница пропускания инфракрасного излучения составляет — 2,7 мкм.
Большое количество частиц пыли, беспрепятственно переносимое по
степи также снижает прозрачность атмосферы.
Электромагнитное излучение испускают все нагретые тела, причем,
чем холоднее тело, тем меньше интенсивность излучения и тем дальше в
длинноволновую область смещен максимум его спектра. Существует очень
простое соотношение
[ = 0,2898 см∙град. (закон Вина)], с
помощью которого легко установить, где находится максимум излучения
тела с температурой
(⁰К). Например, человеческое тело, имеющее
температуру 37 + 273 = 310 ⁰К, испускает инфракрасные лучи с максимумом
вблизи значения
= 9,3 мкм [5]. А стенки, например, гелиосушилки, с
температурой 90 ⁰С будут испускать инфракрасные лучи с максимумом
вблизи значения
= 8 мкм.
Видимое солнечное излучение (0,4 мкм < < 0,7 мкм) имеет 45 %
интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.
В свое время большим прогрессом явился переход от электрической
лампы накаливания с угольной нитью к современной лампе с вольфрамовой
нитью. Все дело в том, что угольную нить можно довести до температуры
2100 ⁰К, а вольфрамовую — до 2500 ⁰К. Почему эти 400 ⁰К так важны? Все
дело в том, что цель лампы накаливания — не греть, а давать свет.
Следовательно, надо добиться такого положения, чтобы максимум кривой
приходился на видимое изучение. Идеалом было бы располагать такой
нитью, которая выдерживала бы температуру поверхности Солнца. Но даже
переход с 2100 до 2500 ⁰К повышает долю энергии, приходящейся на
видимое излучение, от 0,5 до 1,6 % [6].
Инфракрасные лучи, исходящие от тела, нагретого всего до 60 – 70
⁰С, каждый может почувствовать, поднося ладонь снизу (для устранения
тепловой конвекции).
Приход прямого солнечного излучения в акваторию пруда
соответствует его приходу на горизонтальную поверхность облучения. При
этом, изложенное выше показывает, неопределенность количественной
характеристики прихода в конкретный момент времени, как сезонного, так и
суточного. Постоянной характеристикой является только высота Солнца
(оптическая масса атмосферы).
Аккумулирование же солнечного излучения земной поверхностью и
прудом существенно различаются.
Естественные поверхности Земли обладают различной отражательной
(поглощательной) способностью. Так, темные поверхности (чернозем, болота
торфяные) имеют низкое значение альбедо около 10 %. (Альбедо
поверхности — это отношение потока излучения, отраженного этой
поверхностью в окружающее пространство, к потоку, упавшему на неё).
Светлые поверхности (белый песок) обладают большим альбедо, 35 –
40 %. Альбедо поверхностей с травяным покровом колеблются в пределах 15
– 25 %. Альбедо крон лиственного леса летом равно 14 – 17 %, хвойного леса
— 12 – 15 %. Альбедо поверхности уменьшается с увеличением высоты
Солнца.
Альбедо же водных поверхностей заключается в пределах 3 – 45 %,
в зависимости от высоты Солнца и степени волнения.
При спокойной водной поверхности альбедо зависит только от
высоты Солнца (рисунок 2).
Рисунок 2 – Зависимость коэффициента отражения солнечного излучения для
спокойной водной поверхности от высоты Солнца.
Вступление солнечного излучения и прохождение его через слой
воды имеет свои особенности.
В общем виде оптические свойства воды (её растворов) в видимой
области солнечного излучения представлены на рисунке 3.
— поток (мощность) падающего излучения,
— поток отраженного водной поверхностью излучения,
— поток поглощенного водной массой излучения,
— поток прошедшего водную массу излучения.
Коэффициент отражения тела
/
Коэффициент поглощения
/
Коэффициент пропускания
/ .
Рисунок 3 – Оптические свойства воды (её растворов) в видимой области
солнечного излучения [7]
На плоской границе двух сред воздух — вода наблюдаются явления
отражения и преломления света.
При отражении света луч падающий, луч отраженный и
перпендикуляр к отражающей поверхности, восстановленный в точке
падения луча, лежат в одной плоскости, и угол отражения равен углу
падения. В случае преломления падающий луч, перпендикуляр,
восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, и
преломленный луч лежат в одной плоскости. Угол падения
и угол
преломления
(рисунок 4) связаны
/ , где
—
абсолютный показатель преломления второй среды,
— первой.
Поскольку для воздуха
, то формула примет вид
Рисунок 4 – Преломление лучей при переходе из воздуха в воду
Когда лучи идут из воздуха в воду, то они приближаются к
«перпендикуляру падения»; например, луч, падающий на воду под углом к
перпендикуляру к поверхности воды, вступает в неё уже под углом ,
который меньше, чем
(рис 4,а). Но когда падающий луч, скользя по
поверхности воды, падает на водную поверхность почти под прямым углом к
перпендикуляру, например, под углом 89 ⁰ и менее, то он вступает в воду
под углом, меньшем чем прямой, а именно под углом всего 48,5 ⁰. Под
большим углом к перпендикуляру, чем 48,5 ⁰, луч вступить в воду не может:
это для воды «предельный» угол (рисунок 4,б).
Следовательно, лучи, падающие на воду под всевозможными углами,
сжимаются под водой в довольно тесный конус с углом раствора 48,5 ⁰ + 48,5
⁰ = 97 ⁰ (рис 4,в).
Кроме того преломление воды зависит от её температуры (таблица 2),
однако изменения эти столь не значительны что не могут представлять
интереса для инженерной практики, по рассматриваемой теме.
Таблица 2 – Показатель преломления
t,
t, оС
0
1,3339
40
10
1,3337
50
20
1,3330
60
30
1,3319
70
оС
воды при различной температуре t [8]
t, оС
1,3306
80
1,3229
1,3289
90
1,3205
1,3272
100
1,3178
1,3251
Проследим теперь за ходом лучей, идущих обратно (из точки Р) — из
воды в воздух (рисунок 5). По законам оптики, пути будут те же самые, и все
лучи, заключенные в упомянутом 97-градусном конусе, выйдут в воздух под
различными углами, распределяясь по всему 180-градусному пространству
над водой. Подводные лучи, находящиеся вне упомянутого угла (97градусного) не выйдут из-под воды, а отразятся целиком от её поверхности,
как от зеркала.
Рисунок 5 – Преломление лучей при переходе из воды в воздух
Если
<
(вторая среда оптически менее плотная), то
< .
Наибольшему значению
= 90 ⁰ соответствует угол падения
,
определяемый равенством
/ . При угле падения
>
существует только отраженный луч, преломленный луч отсутствует (явление
полного внутреннего отражения).
Всякий подводный луч, встречающий поверхность воды под углом,
большим «предельного» (т.е. большим 48,5 ⁰), не преломляется, а
отражается: он претерпевает «полное внутреннее отражение». Отражение
называется в данном случае полным потому, что здесь отражаются все
падающие лучи, между тем как даже самое лучшее зеркало из
полированного серебра отражает только часть падающих на него лучей,
остальную же поглощает. Вода при указанных условиях является идеальным
зеркалом. В данном случае речь идет о видимом свете. Вообще говоря,
показатель преломления воды, как и других веществ, зависит от длины
волны (это явление называется дисперсией). Как следствие этого
предельный угол, при котором наступает полное внутреннее отражение, не
один и тот же для разных длин волн, но для видимого света при отражении
на границе вода — воздух этот угол изменяется меньше чем на 1⁰ [9].
Благодаря тому, что под большим углом к перпендикуляру, чем 48,5⁰,
солнечный луч вступить в воду не может: это для воды «предельный» угол
(рисунок 4,б), то водная масса, во всем диапазоне значений высоты Солнца
изменяется не столь незначительно, чем воздушная — она всегда меньше
.
Однако, поскольку, плотность воды в 800 раз больше плотности
воздуха, то поглощение солнечного излучения водой будет меняться
существенно.
Кроме того, если световое излучение проходит сквозь прозрачную
среду, то спектр такого света обладает некоторыми особенностями.
Определенные линии в нем сильно ослаблены, т. е. волны соответствующей
длины сильно поглощаются рассматриваемой средой. Такие спектры
называются спектрами поглощения. Вид спектра поглощения зависит от
рассматриваемого вещества.
Поскольку раствор солей солнечного соляного пруда может
содержать различные концентрации хлористых натрия и магния и их
отношения, то однозначно говорить о спектрах поглощения нет смысла. Хотя
исследований и данных по этому вопросу предостаточно.
Так, например, исследованиями, проведенными в СССР (Ю.
Усмановым) по выявлению коэффициента пропускания излучения различных
длин волн для воды и раствора хлористого магния различной концентрации
получены следующие результаты (рисунок 6). А Б. Дж. Бринквортом показана
графическая
зависимость
поглощения
солнечной
радиации
и
монохроматическая плотность потока солнечной радиации (излучения) в
зависимости от длин волн (рисунок 7).
Рисунок 6 – Зависимость пропускной
способности раствора хлористого
магния от концентрации
Рисунок 7 – Поглощение солнечной
радиации в воде
Следовательно, количественное поступление прямого солнечного
излучения к горячему рассолу пруда, после вступления в воду, будет
зависеть: от монохроматической плотности потока солнечной радиации
(излучения); от высоты Солнца. А также от альбедо поверхности пруда, от
чистоты верхнего слоя солнечного соляного пруда, состоящего из пресной
воды, с толщиной обычно 0,1 – 0,3 м, где подавить перемешивание не
удается, состава, концентрации и толщины раствора в градиентном слое
(изолирующем слое с увеличивающейся книзу концентрацией рассола), от
чистоты воды и рассола.
Из рисунков 6 и 7 следует, что вода обладает наибольшей пропускной
способностью в видимой области солнечного спектра. Это является очень
благоприятным фактором для прохождения солнечной радиации через
верхний пресный слой солнечного соляного пруда.
Список Литературы
1 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их
использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК
Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.
2 Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии / Дж. Твайделл, А.
Уэйр. М.: Энергоатомиздат, 1990. 392 с.
3 Даффи Дж. А. Тепловые процессы с использованием солнечной
энергии / Дж. А. Даффи, У. А. Бекман. М.: Мир, 1977. 420 с.
4 Климатические ресурсы Байкала и его бассейна /Н. П. Ладейщиков,
Новосибирск, Наука, 1976, 318с.
5 Пикин С. А. Жидкие кристаллы/ С. А. Пикин, Л. М. Блинов. М.: Наука,
1982. 208 с.
6 Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра/ А. И.
Китайгородский. М.: Наука, 1984. 208 с.
7 Кухлинг Х. Справочник по физике. / Х. Кухлинг. М.: Мир, 1982. 520 с.
8 Енохович А. С. Справочник по физике и технике/ А. С. Енохович. М.:
Просвещение, 1989. 223 с.
9 Перельман Я. И. Занимательная физика. Книга 2 / Я. И. Перельман.
М.: Наука, 1986. 272 с.
Автор: Осадчий Геннадий Борисович, инженер, автор 140 изобретений
СССР.
Тел дом. (3812) 60-50-84, моб. 8(962)0434819,
E-mail: [email protected]
Для писем: 644053, Омск-53, ул. Магистральная, 60, кв.17.