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Rayonnement solaire et application d'énergie solaire

2021-07-30 18:14:22

Activités humaines et énergie solaire radiante

Tout pousse par le soleil. L'énergie nécessaire à la production et à la vie humaines, telles que le pétrole, le charbon, l'énergie éolienne, l'énergie marémotrice des océans, l'énergie hydrique, l'énergie géothermique, l'énergie de la biomasse et la glace combustible, sont toutes des formes de transformation de l'énergie du rayonnement solaire sur la terre. Avec l'augmentation de la population, en raison de l'utilisation excessive de combustibles fossiles, le dioxyde de carbone émis par les êtres humains a dépassé la capacité d'absorption de l'écosystème terrestre. La surcharge écologique entraîne également un rétrécissement des forêts, un déclin des ressources halieutiques, la dégradation des terres, la réduction des ressources en eau douce, une perte croissante de biodiversité et une grave pollution atmosphérique. Selon les statistiques du WWF, en 1961, l'humanité ne consommait qu'environ 2/3 des ressources renouvelables annuelles de la terre. Selon le rapport sur la vitalité de la Terre 2012, l'humanité consomme actuellement 1,5 ressources écologiques de la Terre chaque année et atteindra 2 d'ici 2050. La situation écologique de la Chine n'est pas non plus optimiste. Bien que la Chine par habitant soit inférieure à la moyenne mondiale et bien inférieure à celle des pays européens et américains, elle est déjà 2,5 fois sa propre capacité de charge biologique, ce qui signifie que nous avons besoin de 2,5 ressources naturelles de la Chine pour répondre à la demande; Dans le même temps, en raison de la large population, L'empreinte écologique totale de la Chine est la plus importante au monde. L'écosystème fragile de la Chine est soumis à la double pression du développement économique et d'une population croissante.

En passant à des ressources renouvelables propres et suffisantes (comme l'énergie solaire et l'énergie éolienne), nous pouvons réduire progressivement les émissions de pollution atmosphérique pour atténuer l'impact du changement climatique sur la terre. L'utilisation de l'énergie atomique a également mûri, mais les dangers de la fuite de la centrale nucléaire de Tchernobyl et de la fuite nucléaire de Fukushima au Japon sont effrayants. Les tremblements de terre, les éruptions volcaniques, les inondations et d'autres énergies générées par le mouvement crustal sont également reconnus par les gens.

La production d'énergie solaire photovoltaïque est le moyen le plus flexible et le plus pratique de développer et d'utiliser l'énergie solaire, qui s'est développée rapidement ces dernières années.

Énergie radiante solaire

L'énergie solaire radiante fait référence à l'énergie solaire radiante atteignant la limite supérieure de l'atmosphère terrestre, également connue sous le nom de rayonnement solaire astronomique, ou énergie solaire en abrégé. L'énergie du rayonnement solaire reçue par la terre ne représente que 2,2 milliards de fois l'énergie totale du rayonnement rayonnée par le soleil dans l'espace.

Le soleil est un corps céleste auto-lumineux le plus proche de la terre. Il apporte de la lumière et de la chaleur à la terre. L'activité du soleil provient de sa partie centrale, et la température centrale est aussi élevée que 1500 ×À 106 ℃, la fusion nucléaire a lieu ici. L'énergie solaire est l'énergie générée par la réaction de fusion nucléaire continue à l'intérieur du soleil. La fusion produit de l'énergie et est libérée à la surface du soleil, émettant de la lumière et de la chaleur par convection. Il faut des millions d'années pour que l'énergie du noyau du soleil atteigne sa surface afin que le soleil puisse briller. Jusqu'à présent, l'âge du soleil est d'environ 4,6 milliards d'années et il peut continuer à brûler pendant environ 5 milliards d'années. Selon la théorie cosmologique actuelle, au stade final de l'existence du soleil, l'azote du soleil sera transformé en éléments lourds, et le volume du soleil continuera à s'étendre jusqu'à ce qu'il engloutisse la terre. Après 100 millions d'années de phase de géante rouge, le soleil s'effondrera soudainement en une naine blanche-le dernier stade de toutes les étoiles. Après des milliards d'années, il finira par refroidir complètement. Par conséquent, pour les êtres humains, l'énergie solaire est une énergie inépuisable et inépuisable.

On croit généralement que le soleil est une énorme masse de gaz sous haute température et haute pression, qui peut être divisée en six régions de l'intérieur vers l'extérieur.

① Noyau solaire: le diamètre du noyau solaire est d'environ 0,23 fois le diamètre du soleil, la masse est d'environ 0,4 fois du soleil, le volume est d'environ 0,15 fois du soleil, la pression est jusqu'à 10 °ATM (1atm = 101325pa), et la température est d'environ 107k. Il y a une réaction thermonucléaire féroce, et 90% de l'énergie générée est rayonnée vers l'extérieur sous forme de convection et de rayonnement.

② Couche d'absorption: il est appelé la couche d'absorption de l'extérieur du noyau solaire à environ 0,8 fois le diamètre du soleil,

Aussi connu sous le nom de couche de rayonnement. Lorsque la pression de cette couche chute à 10 heures, un grand nombre d'ions hydrogène produits par la réaction thermonucléaire sont ici absorbés.

③ Troposphère: on l'appelle la troposphère de l'extérieur de la couche d'absorption à une fois du diamètre solaire, pendant laquelle la température est d'environ 5103k, et une grande quantité de transfert de chaleur par convection est effectuée dans cette zone.

④ Photosphère: à moins de 50km de la troposphère, il existe un grand nombre d'atomes d'hydrogène à faible ionisé, qui est la surface solaire visible, et sa luminosité équivaut à 600k de rayonnement du corps noir. La photosphère est une couche très importante. La majeure partie du rayonnement solaire est émise par la photosphère. Dans le même temps, certaines taches solaires et fusées éclairantes ont un grand impact sur la terre.

⑤ Chromosphère: l'épaisseur de la chromosphère est d'environ 2500km, dont la plupart est composée d'hélium faiblement stratifié, d'hydrogène et d'un petit nombre d'ions, également connus sous le nom d'atmosphère du soleil.

⑥ Corona: au-delà de la chromosphère se trouve une couronne blanc argenté s'étendant dans l'espace. La couronne est composée de diverses particules, y compris des particules de poussière solaire, des particules ionisées et des électrons, avec une température de plus de 10k. Parfois, la couronne peut s'étendre sur des dizaines de milliers de kilomètres dans l'espace, formant un vent solaire, impactant l'atmosphère terrestre, produisant des tempêtes magnétiques ou des aurores, affectant ainsi le champ magnétique terrestre et la communication.

Rayonnement solaire et application d'énergie solaire 1

La consommation annuelle totale d'énergie du monde n'est qu'équivalente à l'énergie projetée par le soleil sur la surface de la terre en 40 minutes. L'énergie radiante solaire provient de sa réaction thermonucléaire interne, et l'énergie convertie par seconde est d'environ 4 ×1026j est essentiellement émis sous forme de rayonnement électromagnétique. Le soleil est généralement considéré comme un radiateur avec une température de 6000K et une longueur d'onde de 0,3 à 3,0g. La distribution de la longueur d'onde de rayonnement va de la région ultraviolette à la région infrarouge. Bien que l'énergie du rayonnement solaire reçue par la terre ne représente que 2,2 milliards de fois l'énergie totale du rayonnement rayonnée par le soleil vers l'espace, l'énergie du rayonnement solaire en dehors du L'atmosphère terrestre est de 132,8 ~ 141,8 mw/cm2, et environ 70% est projeté au sol après avoir été réfléchi, dispersé et absorbé par l'atmosphère, il a atteint aussi haut que 1.73 ×C'est-à-dire que la consommation énergétique de 10,15 millions de tonnes de charbon par seconde équivaut à celle de la terre. Le rayonnement solaire reçu au sol comprend un rayonnement direct et un rayonnement diffusé. Le rayonnement direct est appelé rayonnement direct lorsqu'il reçoit directement un rayonnement solaire qui ne change pas de direction; Le rayonnement solaire dont la direction est modifiée après avoir été réfléchi et diffusé par l'atmosphère est appelé rayonnement diffusé.

Pour décrire quantitativement l'énergie solaire, certains concepts doivent être introduits. Lorsque la terre est située à la distance moyenne entre le soleil et la terre, l'énergie totale du spectre complet du rayonnement solaire est reçue par l'unité de surface de la limite supérieure de l'atmosphère terrestre perpendiculaire à la Lumière solaire Dans le temps de l'unité est appelé la constante solaire. La valeur de la constante solaire est de 1353w / m2, et l'unité commune est w / m2. Le degré d'influence de l'atmosphère sur la lumière du soleil reçue par la surface de la terre est défini comme la qualité atmosphérique (AM). La qualité atmosphérique est une quantité sans dimension, qui est le rapport entre le trajet de la lumière du soleil passant à travers l'atmosphère terrestre et le trajet de la lumière du soleil traversant l'atmosphère dans la direction de l'angle zénithal. On suppose que la trajectoire de l'incidence verticale du soleil au niveau de la mer est de 1 à la pression atmosphérique standard (101325pa) et à la température de l'air de 0 ℃. Le spectre solaire changera avec des valeurs am différentes. Lorsque l'intensité du rayonnement solaire est la constante solaire, la masse atmosphérique est enregistrée en AM0. Le spectre AM0 convient à la situation des satellites artificiels et des vaisseaux spatiaux Zizhou. Le spectre de la masse atmosphérique AM1 correspond au spectre solaire directement sur la surface de la Terre (sa puissance lumineuse incidente est de 925w / cm2). La figure 1-2 montre les spectres solaires dans les conditions AM0 et AM1. La différence entre eux est causée par l'atténuation causée par l'absorption de la lumière du soleil par l'atmosphère, principalement par l'absorption des rayons ultraviolets par la couche d'ozone, l'absorption des rayons infrarouges par la vapeur d'eau et la diffusion de la poussière et des solides en suspension dans le air. Sur la figure, l'irradiance spectrale solaire EA = de / D, où e est le rayonnement solaire par intervalle de longueur d'onde unitaire. Ces caractéristiques du spectre solaire à une longueur d'onde donnée sont un facteur très important pour la sélection des matériaux des cellules solaires.

Le rayonnement solaire est une sorte de rayonnement électromagnétique, qui a à la fois des fluctuations et des particules. La gamme de rayonnement de longueur d'onde du soleil est représentée sur la figure 1-3. La plage de longueurs d'onde principale de son spectre est de 0,15 à 4m, tandis que la plage de longueurs d'onde principale du rayonnement terrestre et atmosphérique est de 3 à 120m. En météorologie, le rayonnement solaire est généralement appelé rayonnement à ondes courtes, et le rayonnement terrestre et atmosphérique est appelé rayonnement à ondes longues. La distribution de longueur d'onde de l'énergie solaire peut être simulée par un rayonnement du corps noir avec une température de 6000. La longueur d'onde solaire est distribuée dans l'ultraviolet ( <0,4 m), visible (0,40,75 m) et infrarouge ( >0,75 m). Ces bandes sont affectées par l'atténuation atmosphérique à des degrés divers. La plupart des rayonnements visibles atteignent le sol, mais l'ozone dans la haute atmosphère absorbe la majeure partie du rayonnement ultraviolet. En raison de l'amincissement de la couche d'ozone, en particulier dans les régions de l'Antarctique et de l'Arctique, de plus en plus de rayons ultraviolets atteignent le sol. Une partie du rayonnement infrarouge incident est absorbée par le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau et d'autres gaz, tandis que la majeure partie du rayonnement infrarouge de plus longue longueur d'onde provenant de la surface de la Terre la nuit est transmise à l'espace. L'accumulation de ces gaz à effet de serre dans la haute atmosphère peut augmenter la capacité d'absorption atmosphérique, entraînant un réchauffement climatique et un temps nuageux. Bien que la réduction de l'ozone ait peu d'impact sur l'absorption d'énergie solaire, l'effet de serre peut augmenter le rayonnement diffusé et affecter gravement l'absorption d'énergie solaire.

Rayonnement solaire et application d'énergie solaire 2

L'angle inclus entre la direction incidente de la lumière du soleil et le plan du sol, c'est-à-dire l'angle inclus entre la lumière du soleil d'un certain endroit et la surface tangente perpendiculaire au centre de la Terre est appelé l'angle d'altitude solaire, qui est appelé le solaire altitude pour faire court. Il a des changements diurnes et annuels. Quand l'angle d'altitude solaire est 90 °, Dans le spectre solaire, l'infrarouge représente 50%, la lumière visible 46% et l'ultraviolet 4%. Quand l'angle d'altitude solaire est 5 °, L'infrarouge représente 72%, la lumière visible 28% et l'ultraviolet est presque 0. L'angle d'altitude du soleil change constamment tout au long de la journée; En même temps, il change également tout au long de l'année. Pour un certain plan du sol, lorsque l'angle d'altitude solaire est faible, la distance de lumière traversant l'atmosphère est plus longue et l'énergie radiante est beaucoup atténuée. En même temps, parce que la lumière est projetée sur le plan du sol à un petit angle, l'énergie atteignant le plan du sol est moindre, au contraire, c'est plus.

Dans le plan perpendiculaire à la limite supérieure de l'atmosphère et de la lumière, l'irradiance solaire est fondamentalement une constante, mais à la surface de la terre, l'irradiance solaire change fréquemment. Ceci est principalement causé par la transparence de l'atmosphère. Le degré de transparence atmosphérique est un paramètre représentant le degré de transmission atmosphérique à la lumière solaire. Par temps clair et sans nuages, la transparence atmosphérique est la meilleure, et il y a plus de rayonnement solaire atteignant le sol; Lorsqu'il y a beaucoup de nuages ou de tempêtes de sable dans le ciel, la transparence atmosphérique est faible et l'énergie du rayonnement solaire atteignant le sol est faible.

Le temps d'ensoleillement est également un facteur important affectant l'irradiance solaire au sol. S'il y a 14h par jour dans une certaine zone, si le temps nuageux du jour est ≥ 6h et que le temps du soleil est ≤ 8h, on peut dire que le temps d'ensoleillement de ce jour dans cette zone est de 8h. Plus l'ensoleillement est long, plus le rayonnement solaire total que le sol reçoit.

De plus, plus l'altitude est élevée, meilleure est la transparence atmosphérique et plus le rayonnement direct du soleil est élevé. Dans le plateau chinois du Qinghai, en raison de l'altitude moyenne de plus de 4000m, de l'atmosphère propre, de l'air sec et de la faible latitude, le rayonnement solaire total se situe principalement entre 6000 ~ 8000mj/m2, le rapport de rayonnement direct est significatif. De plus, la distance, la topographie et la topographie solaire-terrestre ont également un impact certain sur l'irradiance solaire. À la même latitude, la température dans le bassin est plus élevée que celle de Pingchuan, et la température sur la pente ensoleillée est plus élevée que celle sur la pente ombragée.

Loi du mouvement solaire-terrestre: l'orbite terrestre autour du soleil est elliptique et le soleil est dans l'un des deux points focaux de son orbite elliptique. Cette orbite elliptique est appelée l'écliptique en astronomie. Dans le plan écliptique, la distance entre le soleil et la terre n'est pas une valeur fixe. La distance la plus courte entre soleil et terre (1.47) ×108km), c'est-à-dire Périhélie; la distance la plus éloignée entre le soleil et la terre (1,52) ×108km), c'est-à-dire Aphélie. La différence est 5 ×106KM, représentant environ 1/30 de la distance moyenne entre le jour et la terre.

L'intensité lumineuse du soleil sur la terre dépend des quatre aspects suivants: la distance entre le soleil et la terre, la position relative du soleil sur la terre à un certain moment, l'atténuation du rayonnement solaire entrant dans l'atmosphère, et le orientation et inclinaison de la surface de réception solaire. En raison des différentes positions de la terre en orbite, la position du soleil est différente en fonction du plan de sol de l'observateur sur la terre. La situation spécifique est liée à la latitude géographique. Cependant, la position du soleil au zénith peut être vue à midi à différentes saisons.

Rayonnement solaire et application d'énergie solaire 3

L'activité solaire est étroitement liée à certains phénomènes sur la terre. Maintenant, les gens ont constaté que l'activité solaire a un impact significatif sur la terre dans les aspects suivants. Les fusées éclairantes et les taches solaires dans l'activité solaire ont des effets géophysiques significatifs sur l'ionosphère, le champ magnétique et la région polaire de la Terre, affectant la communication radio au sol à ondes courtes, et même l'interruption à court terme, appelée «perturbation ionosphérique soudaine». Ces réactions se produisent presque simultanément avec le déclenchement de grandes fusées éclairantes. Le champ magnétique descend le long de la ligne de force magnétique et entre en collision avec le gaz chromosphérique, faisant briller le talon de la ligne de force magnétique des deux côtés de la ligne neutre, devenant une fusée éclairante vue par les gens. La fusée éclairante elle-même est le résultat de l'instabilité du champ magnétique. À cause du magnétisme

L'état de non-équilibre du champ conduit à l'éruption de la fusée éclairante pour atteindre un nouvel équilibre du champ magnétique. Le processus d'éruption de la torche est également un processus de libération massive d'énergie. La plus grande explosion de torche n'est pas seulement due au mouvement thermique des atomes d'hydrogène, la température peut atteindre des dizaines de millions de degrés, voire des centaines de millions de degrés, mais a également de forts protons des rayons X, des ultraviolets et de haute énergie. Ces rayons de rayonnement intenses augmentent la pression des atomes d'hydrogène et font rejeter des atomes d'hydrogène, des ions et d'autres particules à une vitesse de plus de 100 m/s, devenant le rayonnement particulaire du soleil «Le phénomène de «tempête magnétique» montre que la terre entière est un grand champ magnétique, Et la terre est pleine de lignes de force magnétiques. Lorsque la fusée éclairante apparaît, des particules de haute énergie sont émises depuis son voisinage. Lorsque les particules chargées se déplacent, elles produisent un champ magnétique. Lorsqu'il atteindra la terre, il perturbera le champ magnétique d'origine et provoquera des changements géomagnétiques. Lorsqu'une tempête magnétique se produit, l'intensité du champ magnétique change considérablement, ce qui aura un grand impact sur les activités humaines, en particulier les travaux liés au géomagnétisme. Un autre phénomène que le soleil affecte la terre est le phénomène des aurores: dans les pôles nord et sud de la terre, des bandes lumineuses ou des arcs de vert clair, rouge et rose peuvent souvent être vus dans le ciel la nuit ou même pendant la journée,Qui s'appelle Aurora. En effet, lorsque le flux de particules à haute énergie chargées provenant de l'activité solaire atteint la terre, il court vers la région polaire sous l'action du champ magnétique, qui excite ou ionise les molécules atmosphériques supérieures ou les atomes de la région polaire pour produire de la lumière. L'ultraviolet lointain solaire et le vent solaire affecteront la densité atmosphérique. Le cycle de variation de la densité atmosphérique est de 11 ans, ce qui est évidemment lié à l'activité solaire. L'activité solaire peut également affecter la température atmosphérique et la couche d'ozone, puis affecter le rendement des cultures et l'équilibre des écosystèmes naturels. Parce que les activités solaires ont un impact significatif sur les êtres humains, en particulier sur l'aérospatiale, la communication radio et la météorologie, il est très utile d'étudier les activités solaires, en particulier la loi sur l'occurrence des éruptions solaires, et d'essayer de les prédire.

 

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