Caracteristicile Energetice ale Radiatiei Solare

Soarele, o stea de mărime medie, reprezintă un corp incandescent cu temperatura în interior de 10… 15 mil. K și la suprafață – 5762 K. Temperatura este menținută de reacțiile de fuziune, în cea mai mare măsură, a hidrogenului în heliu.

Radiația solară se datorează emisiei termice (sub formă de unde electromagnetice) a suprafeței astrului și, cum se vede din fig. 1.1, repartiția ei spectrală este foarte apropiată de cea a corpului negru la temperatura respectivă.

Spectrul solar poate fi împărțit în trei regiuni de bază:

• radiație ultravioletă ( 0,38 m)- 7%;

• radiație vizibilă (0,38m 0,78 m) – 47,3%;

• radiație infraroșie ( 0,78 m) – 45,7%.

Radiația cu lungimea de unda mai mare de 2,5 m este neglijabil de mică și de aceea energia solară este considerată ca radiație de unde scurte.

Puterea de emisie a soarelui este apredată la 38,31025W, din care Pământului îi revin 2107W, ceea ce corespunde unei cantități anuale de 61024 J.

Densitatea fluxului de radiație la suprafața atmosferei Pământului constituie 1,353 kW/m2. Această mărime mai este numită și constantă solară.

1.2. Radiația solară pe suprafața Pământului

La trecerea prin atmosfera terestră radiația solară este supusă unui șir de alterări în intensitate, distribuție spectrală și direcțională:

absorbție selectivă de către ozon, gaze triatomice, oxigen, vapori de apă și alte lichide, praf;

reflecție de către nori;

difuzie de către molecule și particule în suspensie;

difracție de către praf, suspensii.

La suprafața Pământului ajunge mai puțin de jumătate din radiația inițială (fig. 1.2), cca 29% din ea fiind absorbită și 25% reflectată de atmosferă. Se schimbă și compozitia ei spectrală, razele ultraviolete fiind aproape complect absorbite de stratul de ozon.

De suprafața Pământului sunt absorbite în medie circa de 40% din radiația solară de unde scurte, din care peste jumătate – radiație directă și cealaltă parte – indirectă, supusă difuzării, difracției sau reflecției de către componentele atmosferei.

Un schimb de căldură mult mai intens are loc între suprafața Pământului si atmosferă în diapazonul de unde lungi, la care se adaugă transferul convectiv de căldură, precum si energia purtată de apă la circulația ei în natură. Fluxul termic de unde lungi, emis aproape în întregime de nori spre suprafața Pământului, este de mai bine de două ori mai mare decât radiația de unde scurte.

Schimbul total de energie între suprafața terestră și atmosferă constituie 140% în raport cu radiația solară la suprafața atmosferei. De menționat, că radiația difuză de unde scurte și cea de unde lungi, emisă mai ales de nori, permite funcționarea parțială a instalațiilor solare și pe timp noros.

Suma fluxurilor de energie între atmosferă și Pământ, pe de o parte, atmosferă și cosmos, pe de altă parte, constituie cca 170% în raport cu radiația solară inițială.

Fluxul global de radiație solară care nimerește pe suprafața terestră, Ig, reprezintă suma a două componente:

Ig = Is + Id (1.1)

Aici Ig, este fluxul de radiație difuză – rezultatul difuziei, difracției și reflecției atmosferice a razelor solare; Jd – radiația directă (care a păstrat direcția razei solare).

Valoarea lui Is, pe o suprafață plană, după cum se vede din fig. 1.3, se va determina cu relația:

Is=Iocos, (1.2)

unde Io este fluxul de radiație incidentă, iar – unghiul de incidență (între direcția razei solare și normala la suprafață – n). Unghiul depinde de poziția suprafeței și de cea a soarelui, care variază atât în timpul zilei, cât și în timpul anului.

1.3. Unghiul de incidență pentru o suprafață plană înclinată și orientată arbitrar

Pentru o suprafață amplasată arbitrar cos se va calcula cu formula:

cos = sinsincosi – sincos sinicos +

coscoscosicosH + cossin sini cosH cossinisinsinH, (1.3)

în care este latitudinea locului; – declinația soarelui; H – unghiul orar al soarelui; i – înclinarea planului (unghiul dintre plan și orizontul locului –fig.1.4); – unghiul azimutal al planului (deviația normalei la plan față de direcția sud a meridianului locului, pozitivă către vest și negativă către est).

Declinația soarelui reprezintă unghiul dintre raza solară și planul ecuatorial al Pământului. Ea se consideră pozitivă de la ecuator spre nord și negativă – spre sud. Metoda mai simplă de determinare a valorii declinației într-o zi oarecare n a anului este utilizând formula lui Cooper:

=23,45sin(360) (1.4)

Unghiul orar H, sau azimutul reprezintă unghiul în plan ecuatorial între direcția locală sud și poziția soarelui la ora dată. Valoarea lui este determinată deci de ora măsurată față de amiaza solară locală, fiind pozitivă după amiază și fiecare ora fiind egală cu 15 grade (3600/24h). Figura 1.4 Radiația incidentă pe plan înclinat.De notat că timpul solar nu coincide cu timpul legal a1 locului și la ultimul trebuie introduse corecții legate de:

– diferența dintre longitudinea locului și meridianul față de care se consideră timpul legal;

– perturbațiile orbitei Pământului și ale vitezei de rotație, care afectează momentul trecerii soarelui pe la meridian, se ia din ecuația timpului.

Timpul solar se va calcua cu formula:

s=+e-4(1-) (1.5)

în care e este corecția dată de ecuația timpului (fig. 1.5); 1- meridianul legal pentru fusul orar al zonei respective, măsurat în grade pozitiv în emisfera estică;

– longitudinea locului în discuție.

1.4. Condiții standard de încercare a instalațiilor solare

În afară de valoarea unghiului de incidență, asupra densității fluxului de radiație ajuns la suprafața Pământului influențează esențial și distanța parcursă de aceasta prin stratul de aer atmosferic, cota energiei razei absorbită și dispersată de componentele și impuritățile acestuia fiind proporțională cu masa lui. Astfel, din constanta solară I= 1,353 kW/m2 la nivelul mării în zona ecuatorială la ora 12 densitatea fluxului de radiație rămâne I= 1 ‚06 kW/m2. În acest caz, după cum se vede din fig. 1.6, raza solară traversează cea mai mică masă de aer, unghiul de incidență fiind de 0 (unghiul azimutal – 900). Cu micșorarea unghiului azimutal razele soarelui străpung o cantitate mai mare de aer (comparați lungimile segmentelor A1P, A2P, A3P etc. din fig. 1.6) și deci absorbția și dispersia radiației este mai pronunțată. În consecință, valoarea lui I scade și pentru zona menționată mai sus în situația în care soarele se află la 200 deasupra orizontului densitatea fluxu1ui de radiație scade până la 0,75kW/m2 [3].

Pentru a caracteriza acest fenomen, a fost introdusă noțiunea de “masa de aer” (în engleză Air-Mass – A.M.), care, evident, nu are dimensiunea de masă, dar indică cu cât se lungește drumul străbătut de radiație în atmosferă. Parcurgerea atmosferei de către radiația solară are drept efect nu numai atenuarea ei, dar și modificarea compoziției spectrale. Se spune că radiația solară are spectrul AMO – masa de aer egală cu 0 – ceea ce corespunde condițiilor din afara atmosferei terestre. La nivelul mării, când soarele se află în zenit, masa de aer se consideră egală cu 1 – spectrul radiației este AM1. Pentru unghiul azimutal de 60 (unghiul de incidență 300) masa de aer se consideră egală cu 2, iar spectrul radiației – AM2.

Comisia Internațională de Electrotehnică (IEC) recomandă de a efectua încercările instalațiilor solare, inclusiv a celulelor și modulelor fotovoltaice, în condiții standarde ale spectrului radiației solare. În laborator spectrul radiației solare este creat de lămpi speciale. Condițiile de încercare a instalațiilor solare, recomandate de IEC, în dependență de locul utilizării, sunt prezentate în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1

Condițiile standard de încercare a celulelor și modu1e1or fotovo1taiice

(temperatura 250C)

Majoritatea țărilor producătoare de celule și module fotovoltaice au acceptat condiția AM1,5; I=1000 W/m2 t=25 0C.

1.5. Caracteristicile energiei solare. Particularitățile radiației solare în zona Moldovei

În comparație cu sursele convenționale de energie radiația solară posedă următoarele avantaje:

este o sursă practic inepuizabilă;

are un potențial uriaș: pentru a satisface necesitatea zonei în energie ar fi destulă radiația care revine pe suprafața municipiului Bacău;

este echitabil disponibilă;

fiind dispersată în teritoriu, poate asigura conversia în alte forme de

energie la locul de utilizare, eliminându-se transportul la distanță,

este o sursă de energie practic nepoluantă.

Cu toate aceste caracteristici favorabile, neegalate de nici o altă sursă primară de energie, radiația solară are un șir de particularități care complică utilizarea ei:

• densitatea slabă a fluxului energetic;

• intermitența datorită alternanței zilelor cu nopțile;

• variația valorii fluxului în timpul zilei și în timpul anului;

• dependența de starea timpului și a atmosferei (nori, ceață, praf etc.).

Moldova este situată între latitudinile 45025’ și 48030’ nord și longitudinile 26048’ și 30007’ est, fusul orar 2, corespunzător meridianului legal 300.

Durata posibilă a insolației este de 4445…4452 ore pe an. Durata reală constituie 50…55% din cea posibilă. Ultima este prezentată în tabelul 1.2 pentru nordul Moldovei (Suceava), centru (Bacău) și sud (Galați), conform [4], care conține rezultatele observațiilor, inclusiv și actinometrice, asupra radiației solare pe anii 1954…1980.

Valorile fluxurilor de radiație directă și difuză pe un plan perpendicular razei solare în condiții de cer senin pentru centrul Moldovei (orașul Bacău) sunt prezentate în tabelul 1.3, iar în tabelul 1.4 valorile acestor mărimi sunt prezentate în condițiile nebulozității medii. După cum se vede din aceste tabele, valorile maxime ale intensității globale sunt: în condiții de cer senin – 0,99 kW/m2, la nebulozitate medie – 0,76 kW/m2. Nebulozitatea micșorează radiația directă de peste 2 ori, mărind-o, totodată, pe cea difuză cu 20. . .45%, dar peste 70% din zilele fără soare revin lunilor noiembrie-februarie. Radiației difuze îi revin 35% din radiația globală anuală.

Tabelul 1.2

Durata reală a insolației pe teritoriul Romaniei, zona Moldovei

Deși cantitatea maximă de energie revine lunilor de vară, radiația solară se poate folosi cu o eficiență satisfăcătoare și în timpul toamnei și chiar al iernii. În nordul Moldovei numărul zilelor de lucru efectiv al instalațiilor solare ajunge la 260, iar la sud – 320 pe an. Valorile radiației globale lunare și anuale în condițiile zonei sunt prezentate în tabelul 1.5

Tabelul1.3

Fluxul de radiație, în k W/m2, pe o suprafață perpendiculară pe rază

în conditii de cer senin pentru orașul Bacău

(primul rând – radiație directă, al doilea rând – radiație difuză)

Tabelul 1.4

Fluxul de radiație, în k W/m2, pe o suprafață perpendiculară pe raza

în condiții de nebulozitate medie pentru orașul Bacău

(primul rând – radiație directă, al doilea rând – radiație difuză)

Pentru ca iradierea pe suprafața în cauză să fie maximă, aceasta trebuie să

fie amplasată perpendicular pe raza incidentă. În practică se utilizează atât captatoare mobile, care urmăresc mișcarea soarelui, cât și fixe. Ultimele trebuie amplasate pe direcția meridianului local, orientate spre sud, și sub un unghi optim de înclinație față de orizont. Variația acestui unghi în timpul anului pentru Moldova (coordonatele: latitudine 470 și longitudine 280) este dată în fig. 1.7. Valoarea lui medie în functie de perioada de functionare a instalației respective va fi:

• pentru instalații cu funcționare numai în lunile de vară – 270;

• pentru sezonul aprilie – octombrie – 360;

• pentru lunile reci ale anului (noiembrie-februarie) – 660

• pentru tot anul – 470.

Tabelul 1.5

Valorile globale ale radiației solare, în MJ/m2 pe o suprafață orizontală