Aplicação de radiação solar e energia solar

Atividades humanas e energia radiante solar

Tudo cresce pelo sol. A energia necessária para a produção humana e a vida, como petróleo, carvão, energia eólica, energia das marés oceânicas, energia hídrica, energia geotérmica, energia de biomassa e gelo combustível, são todas formas de transformação de energia de radiação solar na Terra. Com o aumento da população, devido ao uso excessivo de combustíveis fósseis, o dióxido de carbono emitido pelos seres humanos ultrapassou a capacidade de absorção do ecossistema terrestre. A sobrecarga ecológica também leva ao encolhimento da floresta, ao declínio dos recursos pesqueiros, à degradação da terra, à redução dos recursos de água doce, ao aumento da perda de biodiversidade e à grave poluição do ar. De acordo com as estatísticas do WWF, em 1961, a humanidade consumia apenas cerca de 2/3 dos recursos renováveis anuais da Terra. De acordo com o relatório de vitalidade da Terra de 2012, a humanidade atualmente consome 1,5 recursos ecológicos da Terra a cada ano e chegará a 2 em 2050. A situação ecológica da China também não é otimista. Embora a China per capita seja inferior à média global e muito inferior à dos países europeus e americanos, já é 2,5 vezes sua própria capacidade biológica, o que significa que precisamos de 2,5 recursos naturais da China para atender à demanda; Ao mesmo tempo, devido à grande base populacional, A pegada ecológica total da China é a maior do mundo. O frágil ecossistema da China está sob a dupla pressão do desenvolvimento econômico e de uma população crescente.

Ao mudar para recursos renováveis limpos e suficientes (como energia solar e eólica), podemos reduzir gradualmente as emissões de poluição do ar para mitigar o impacto das mudanças climáticas na Terra. O uso de energia atômica também amadureceu, mas os perigos do vazamento da usina nuclear de Chernobyl e do vazamento nuclear de Fukushima no Japão são assustadores. Terremotos, erupções vulcânicas, inundações e outras energias geradas pelo movimento da crosta terrestre também estão sendo reconhecidos pelas pessoas.

A geração de energia solar fotovoltaica é a maneira mais flexível e conveniente de desenvolver e utilizar a energia solar, que se desenvolveu rapidamente nos últimos anos.

Energia solar radiante

A energia solar radiante refere-se à energia solar radiante que atinge o limite superior da atmosfera terrestre, também conhecida como radiação solar astronômica, ou energia solar, para abreviar. A energia da radiação solar recebida pela Terra é de apenas 2,2 bilhões de vezes a energia total da radiação irradiada pelo sol para o espaço.

O sol é um corpo celeste auto-luminoso mais próximo da terra. Traz luz e calor para a terra. A atividade do sol vem de sua parte central, e a temperatura central é tão alta quanto 1500 ×A 106 °C, a fusão nuclear ocorre aqui. A energia solar é a energia gerada pela contínua reação de fusão nuclear dentro do sol. A fusão produz energia e é liberada para a superfície do sol, emitindo luz e calor por convecção. Leva milhões de anos para que a energia do núcleo do Sol alcance sua superfície para que o sol possa brilhar. Até agora, a idade do sol é de cerca de 4,6 bilhões de anos e pode continuar a queimar por cerca de 5 bilhões de anos. De acordo com a atual teoria cosmológica, no estágio final da existência do sol, o nitrogênio do sol será transformado em elementos pesados, e o volume do sol continuará a se expandir até que engula a terra. Após 100 milhões de anos de fase gigante vermelha, o sol entrará em colapso repentino em uma anã branca-o último estágio de todas as estrelas. Depois de trilhões de anos, acabará esfriando completamente. Portanto, para os seres humanos, a energia solar é energia inesgotável e inesgotável.

Geralmente, acredita-se que o sol é uma enorme massa de gás sob alta temperatura e alta pressão, que pode ser dividida em seis regiões de dentro para fora.

Core Solar: o diâmetro do núcleo solar é de cerca de 0,23 vezes o diâmetro do sol, a massa é de cerca de 0,4 vezes do sol, o volume é de cerca de 0,15 vezes do sol, a pressão é de até 10 °ATM (1atm = 101325pa), e a temperatura é de cerca de 107k. Há uma reação termonuclear feroz e 90% da energia gerada é irradiada para fora na forma de convecção e radiação.

Camada de absorção: é chamada de camada de absorção de fora do núcleo solar até cerca de 0,8 vezes o diâmetro do sol,

Também conhecido como a camada de radiação. Quando a pressão dessa camada cai para as 10 h, um grande número de íons de hidrogênio produzidos pela reação termonuclear é absorvido aqui.

Roid Troposfera: é chamada de troposfera de fora da camada de absorção para uma vez do diâmetro solar, durante a qual a temperatura é de cerca de 5103k, e uma grande quantidade de transferência de calor convectivo é realizada nesta área.

Fotosfera: dentro de 50km fora da troposfera, há um grande número de átomos de hidrogênio ionizados baixos, que é a superfície solar visível, e seu brilho é equivalente a 600k radiação de corpo negro. A fotosfera é uma camada muito importante. A maior parte da radiação solar é emitida pela fotosfera. Ao mesmo tempo, algumas manchas solares e erupções têm um grande impacto na terra.

Vs. Cromosfera: a espessura da cromosfera é de cerca de 2500km, a maioria dos quais é composta de baixo hélio laminado, hidrogênio e um pequeno número de íons, também conhecido como atmosfera solar.

Corona: além da cromosfera está uma coroa branca prateada que se estende ao espaço. A corona é composta por várias partículas, incluindo algumas partículas de poeira solar, partículas ionizadas e elétrons, com uma temperatura de mais de 10k. Às vezes, a corona pode se estender dezenas de milhares de quilômetros ao espaço, formando um vento solar, impactando a atmosfera terrestre, produzindo tempestades magnéticas ou aurora, afetando assim o campo magnético e a comunicação da Terra.

O consumo total anual de energia do mundo é equivalente apenas à energia projetada pelo sol na superfície da Terra em 40 minutos. A energia radiante solar vem de sua reação termonuclear interna, e a energia convertida por segundo é de cerca de 4 ×1026j é basicamente emitido na forma de radiação eletromagnética. O sol é geralmente considerado um radiador com uma temperatura de 6000K e um comprimento de onda de 0,3 ~ 3,0 gm. A distribuição do comprimento de onda de radiação varia da região ultravioleta à região infravermelha. Embora a energia de radiação solar recebida pela Terra seja apenas 2,2 bilhões de vezes da energia de radiação total irradiada pelo sol para o espaço, a energia de radiação solar fora do A atmosfera terrestre é de 132,8 ~ 141,8 mw/cm2, e cerca de 70% é projetada para o solo após ser refletida, espalhada e absorvida pela atmosfera, atingiu até 1,73 ×Ou seja, o consumo de energia de 10,15 milhões de toneladas de carvão por segundo equivale ao da terra. A radiação solar recebida no solo inclui radiação direta e radiação dispersa. A radiação direta é chamada de radiação direta quando recebe diretamente radiação solar que não muda de direção; A radiação solar cuja direção é alterada após ser refletida e espalhada pela atmosfera é chamada de radiação dispersa.

Para descrever a energia solar quantitativamente, alguns conceitos precisam ser introduzidos. Quando a Terra está localizada à distância média entre o Sol e a Terra, a energia total de todo o espectro de radiação solar é recebida pela área unitária do limite superior da atmosfera terrestre perpendicular ao Luz solar Na unidade de tempo é chamado a constante solar. O valor da constante solar é 1353w / m2, e a unidade comum é w / m2. O grau de influência da atmosfera na luz solar recebida pela superfície da Terra é definido como qualidade atmosférica (AM). A qualidade atmosférica é uma quantidade adimensional, que é a razão entre o caminho da luz do sol que passa pela atmosfera terrestre e o caminho da luz do sol que passa pela atmosfera na direção do ângulo zênite. Presume-se que o caminho da incidência vertical do sol no nível do mar é 1 na pressão atmosférica padrão (101325pa) e na temperatura do ar de 0 °C. O espectro solar mudará com diferentes valores de am. Quando a intensidade da radiação solar é a constante solar, a massa atmosférica é registrada como AM0. O espectro AM0 é adequado para a situação em satélites artificiais e espaçonaves Zizhou. O espectro da massa atmosférica AM1 corresponde ao espectro solar diretamente na superfície da Terra (sua potência de luz incidente é 925w / cm2). A Figura 1-2 mostra os espectros solares sob as condições AM0 e AM1. A diferença entre eles é causada pela atenuação causada pela absorção de luz solar pela atmosfera, principalmente da absorção de raios ultravioleta pela camada de ozônio, a absorção de raios infravermelhos pelo vapor de água e a dispersão de poeira e sólidos suspensos no ar. Na figura, a irradiância espectral solar EA = de / D, onde e é a radiância solar por intervalo de comprimento de onda unitário. Essas características do espectro solar em um determinado comprimento de onda são um fator muito importante para a seleção de materiais de células solares.

A radiação solar é um tipo de radiação eletromagnética, que tem flutuação e partícula. A faixa de radiação de comprimento de onda do sol é mostrada na Figura 1-3. A faixa de comprimento de onda principal de seu espectro é de 0,15 ~ 4m, enquanto a faixa de comprimento de onda principal da radiação terrestre e atmosférica é de 3 ~ 120m. Em meteorologia, a radiação solar é geralmente chamada de radiação de ondas curtas, e a radiação terrestre e atmosférica são chamadas de radiação de ondas longas. A distribuição de comprimento de onda da energia solar pode ser simulada por radiação de corpo negro com uma temperatura de 6000. O comprimento de onda solar é distribuído em ultravioleta ( <0,4 m), visível (0,40,75 m) e infravermelho ( >0,75 m). Essas bandas são afetadas pela atenuação atmosférica em vários graus. A maior parte da radiação visível atinge o solo, mas o ozônio na alta atmosfera absorve a maior parte da radiação ultravioleta. Devido ao afinamento da camada de ozônio, especialmente nas regiões da Antártica e do Ártico, cada vez mais a radiação ultravioleta atinge o solo. Parte da radiação infravermelha incidente é absorvida pelo dióxido de carbono, vapor d'água e outros gases, enquanto a maior parte da radiação infravermelha de comprimento de onda mais longo da superfície da Terra à noite é transmitida ao espaço sideral. O acúmulo desses gases de efeito estufa na alta atmosfera pode aumentar a capacidade de absorção atmosférica, resultando em aquecimento global e tempo nublado. Embora a redução do ozônio tenha pouco impacto na absorção de energia solar, o efeito estufa pode aumentar a radiação dispersa e pode afetar seriamente a absorção de energia solar.

O ângulo incluído entre a direção incidente da luz solar e o plano do solo, ou seja, o ângulo incluído entre a luz do sol de um determinado lugar e a tangente da superfície perpendicular ao centro da Terra é chamado de ângulo de altitude solar, que é conhecido como o solar altitude para abreviar. Tem mudanças diurnas e anuais. Quando o ângulo de altitude solar é 90 °, No espectro solar, o infravermelho é responsável por 50%, a luz visível é responsável por 46% e o ultravioleta é responsável por 4%. Quando o ângulo de altitude solar é 5 °, O infravermelho é responsável por 72%, a luz visível é responsável por 28% e o ultravioleta é quase 0. O ângulo de altitude do sol está mudando constantemente ao longo do dia; Ao mesmo tempo, também está mudando ao longo do ano. Para um determinado plano terrestre, quando o ângulo de altitude solar é baixo, a distância da luz que passa pela atmosfera é mais longa e a energia radiante é muito atenuada. Ao mesmo tempo, porque a luz é projetada no plano do solo em um pequeno ângulo, a energia que atinge o plano do solo é menor, pelo contrário, é mais.

No plano perpendicular ao limite superior da atmosfera e da luz, a irradiância solar é basicamente uma constante, mas na superfície da Terra, a irradiância solar muda com frequência. Isso é causado principalmente pela transparência da atmosfera. O grau de transparência atmosférica é um parâmetro que representa o grau de transmissão atmosférica para a luz solar. Em clima claro e sem nuvens, a transparência atmosférica é a melhor, e há mais radiação solar chegando ao solo; Quando há muitas nuvens ou tempestades de areia no céu, a transparência atmosférica é baixa e a energia da radiação solar que atinge o solo é baixa.

O tempo do sol também é um fator importante que afeta a irradiância solar do solo. Se houver 14h em um dia em uma determinada área, se o tempo de dia nublado for ≥ 6h e o tempo de sol for ≤ 8h, pode-se dizer que o tempo de sol deste dia nesta área é 8h. Quanto mais tempo a luz do sol, mais radiação solar total o solo recebe.

Além disso, quanto maior a altitude, melhor a transparência atmosférica e maior a radiação direta do sol. No planalto Qinghai da China, devido à altitude média de mais de 4000m, atmosfera limpa, ar seco e baixa latitude, a radiação solar total é principalmente entre 6000 ~ 8000mj / m2 relação de radiação direta é significativa. Além disso, a distância solar-terrestre, a topografia e a topografia também têm um certo impacto na irradiância solar. Na mesma latitude, a temperatura na bacia é mais alta do que em Pingchuan, e a temperatura na encosta ensolarada é mais alta do que na encosta sombreada.

Lei do movimento solar-terrestre: a órbita da Terra ao redor do Sol é elíptica e o Sol está em um dos dois pontos focais de sua órbita elíptica. Essa órbita elíptica é chamada de eclíptica na astronomia. No plano eclíptico, a distância entre o sol e a terra não é um valor fixo. A distância mais curta entre o sol e a terra (1,47) ×108km), i.e. Periélio; a distância mais distante entre o sol e a terra (1,52) ×108km), i.e. Afélio. A diferença é 5 ×106KM, representando cerca de 1/30 da distância média entre o dia e a Terra.

A intensidade da luz do sol na terra depende dos seguintes quatro aspectos: a distância entre o sol e a terra, a posição relativa do sol na terra em um determinado momento, a atenuação da radiação solar entrando na atmosfera e a orientação e inclinação da superfície receptora solar. Devido às diferentes posições da Terra em órbita, a posição do Sol é diferente com base no plano terrestre do observador na Terra. A situação específica está relacionada à latitude geográfica. No entanto, a posição do sol no zênite pode ser vista ao meio-dia em diferentes estações.

A atividade solar está intimamente relacionada a alguns fenômenos na terra. Agora, as pessoas descobriram que a atividade solar impacta significativamente a Terra nos seguintes aspectos. Flares e manchas solares na atividade solar têm efeitos geofísicos significativos na ionosfera, campo magnético e região polar da Terra, afetando a comunicação de ondas curtas de rádio terrestre e até mesmo a interrupção de curto prazo, que é chamada de "perturbação ionosférica repentina". Essas reações ocorrem quase simultaneamente com o surto de grandes explosões. O campo magnético desce ao longo da linha de força magnética e colide com o gás cromosférico, fazendo com que o calcanhar da linha de força magnética em ambos os lados da linha neutra brilhe, tornando-se um flare visto pelas pessoas. O flare em si é o resultado da instabilidade do campo magnético. Por causa do magnetismo

O estado de não equilíbrio do campo leva à erupção do flare para alcançar um novo equilíbrio do campo magnético. O processo de erupção do flare também é um processo de liberação maciça de energia. A explosão de flare maior não se deve apenas ao movimento térmico dos átomos de hidrogênio, a temperatura pode atingir dezenas de milhões de graus ou mesmo centenas de milhões de graus, mas também tem fortes prótons de raios-X, ultravioleta e alta energia. Esses raios de radiação intensos aumentam a pressão dos átomos de hidrogênio e fazem com que os átomos de hidrogênio, íons e outras partículas sejam descartados a uma velocidade de mais de 100 m/s, tornando-se a radiação particulada do sol “O fenômeno da“ tempestade magnética ”mostra que a terra inteira é um grande campo magnético, E a Terra está cheia de linhas magnéticas de força. Quando o flare aparece, partículas de alta energia são emitidas de sua vizinhança. Quando as partículas carregadas se movem, elas produzem um campo magnético. Quando chegar à Terra, perturbará o campo magnético original e causará mudanças geomagnéticas. Quando ocorre uma tempestade magnética, a intensidade do campo magnético muda muito, o que terá um grande impacto nas atividades humanas, especialmente no trabalho relacionado ao geomagnetismo. Outro fenômeno que o sol afeta a terra é o fenômeno da aurora: nos pólos norte e sul da terra, faixas de luz ou arcos de verde claro, vermelho e rosa podem ser vistos no céu à noite ou mesmo durante o dia,Que é chamado de aurora. Isso ocorre porque, quando o fluxo de partículas carregadas de alta energia da atividade solar atinge a Terra, ele corre para a região polar sob a ação do campo magnético, que excita ou ioniza as moléculas ou átomos atmosféricos superiores da região polar para produzir luz. O ultravioleta solar distante e o vento solar afetarão a densidade atmosférica. O ciclo de variação da densidade atmosférica é de 11 anos, o que obviamente está relacionado à atividade solar. A atividade solar também pode afetar a temperatura atmosférica e a camada de ozônio e, em seguida, afetar o rendimento das safras e o equilíbrio dos ecossistemas naturais. Como as atividades solares têm um impacto significativo nos seres humanos, especialmente na indústria aeroespacial, comunicação de rádio e meteorologia, é de grande valor estudar as atividades solares, especialmente a lei de ocorrência das erupções solares, e tentar prevê-las.