Probleme Legate de Soare

Capitolul 1. Probleme legate de soare

Soarele este cea mai importanta resursa inepuizabila disponibila omenirii. Acesta poate oferi in aproximativ 20 de zile mai multa energie decat toate resursele traditionale epuizabile ramase pana in acest moment omenirii.

Din acest motiv, exploatarea acestuia si perfectionarea sistemelor solare este mai mult decat necesara.

Constanta solara

Soarele este o stea formată din gaz a carui temperatură interna atinge 20 de milioane K datorită fuziunilor nucleare de transformare a hidrogenului in heliu, ce au loc in miezul acestuia. Această radiație nu este vizibilă deoarece este absorbită de un strat de atomi de hidrogen aflați la suprafața soarelui. Suprafața soarelui, numita fotosferă are o temperatură de aproximativ 6000K.

Puterea totală emisa de soare este compusă din mai multe unde electromagnetice. Aceste unde au un spectru larg de frecventa de la 106 Hz pana la 1019 Hz. Radiatia solara necesită aproximativ 8.3 minute sa ajungă la pământ, plecand de pe suprafața acestuia.

Cantitatea totala de energie primita la nivelul solului depinde de distanta pământului fata de soare. Ea variază in timpul anului si este cu 3.3℅ mai ridicata in ianuarie respectiv cu 3.3℅ mai scăzută in iulie fata de valoarea medie normala.

Constanta solara reprezintă cantitatea de energie recepționată de la Soare pe o suprafață cu aria de 1 cm2 așezată perpendicular pe direcția razelor solare la o distanta de o unitate astronomică (1 ua ≈ 150 milioane km) fata de Soare. Constanta solară se calculează în funcție de poziția medie a Soarelui față de Pământ si conform măsurătorilor prin satelit, ea este de 1,367 kw/m2. [1]

Legea care sta la baza calculelor prin satelit ale constantei solare se numeste legea inversului patratului distantei si face referire ca orice cantitate fizica sau intensitate este invers proportionala pe patratul distantei sursei respective.

In acest caz, distanta calculata fiind de 1 ua.

1.2 Spectrul radiației solare și spectrele standard.

Spectrul culorilor

Descompunerea spectrală a luminii constă în izolarea radiațiilor de diferite lungimi de undă.

Ea poate fi realizata prin doua metode:

Utilizand dispersia luminii, prin filtrarea luminii printr-o prisma

Utilizand difractia luminii printr-o retea de difractie

Culorile vizibile reprezentate prin intervalul lungimii de unda si intervalul de frecvente.

Tabelul 1 – Tabelul culorile in functie de intervalul lungimii de unda si intervalul de frecvente [2]

Figura 1 – Spectrul culorilor [3]

Pe langa spectrul radiatiei solare exista si spectre standard, fiind folosite pentru a oferi o baza evaluarilor teoretice ale efectelor radiației solare si ca o baza pentru simulările necesare de a înțelege mai bine radiația solară.

Cele mai utilizate spectre standard sunt cele publicate de The committee internationale d'Eclairage cunoscut si ca The International Commission on Illumination (CIE), autoritate mondiala in domeniul radiometric si fotometric.

Aceste spectre standard contin informatii acumulate de comitetul international cu privire la lumina, iluminare, culoare si organizari de culori.

Un astfel de spectru este CIE 1931 si reprezinta primul spectru care a facut legatura intre culorile teoretice matematice si interpretarea lor de catre ochiul uman.

Lungimea de unda a acestui spectru este masurata in nm si este reprezentat in urmatoarea figura:

Figura 2 – Spectrul CIE 1931 [4]

Traiectoria aparenta a soarelui

Mișcarea aparentă a Soarelui este cauzată de rotația Pământului in jurul axelor soarelui, acest lucru duce la modificare unghiului radiației solare directe care atinge solul. Privind dintr-o locație fixa de pe pământ, soarele pare a se roti in jurul pământului, insa poziția soarelui văzut pe bolta cerească depinde de poziția pământului la o ora si o perioada specifică din an.

Un alt factor important al radiației solare il reprezintă momentul la care soarele răsare si apune, el depinzând de longitudinea locației.

Unghiul de răsărit

Unghiul de răsărit se refera la înălțimea soarelui pe cer, măsurat dintr-un punct orizontal.

Pentru a calcula acest unghi trebuiesc cunoscute altitudinea si elevația dintr-un punct pentru a măsură poziția in metrii a soarelui deasupra marii.

Un factor important la construirea unui sistem fotovoltaic il reprezintă unghiul maxim de elevație, el fiind înălțimea maxima a soarelui pe cer la un timp specific din an.

Unghiul maxim de elevație este la amiază si depinde atat de latitudine cat si de unghiul de declinare sau apus al soarelui.

Formula de calcul a unghiului de rasarit:

[5], unde si reprezinta latitudinea locatiei de interes si respectiv unghiul de declinare, care depinde de ziua curenta din an, iar TC reprezinta factorul de corectie al timpului.

[6], LSTM reprezentand timpul standard meridian, el avand ecuatia matematica:

[7], unde este diferenta dintre timpul local [LT] si Meridianul Greenwich (GMT) masurat in ore.

[8]

EoT reprezinta ecuatia timpului in minute si are rolul de a corecta excentricitatea orbitei pamantului si inclinarea axei acesteia.

[9], unde

[10], unde d este numarul de zile trecute de la incepului anului.

Unghiul de elevatie

Unghiul de elevatie este reprezentat de inaltimea unghiulara a soarelui pe bolta cereasca masurat dintr-o pozitie orizontala.

Elevația are o valoare de 0 grade la răsărit si apus si o valoare 90 de grade când soarele este la punctul de zenit.

Ea variaza pe parcursul unui zile si depinde de latitudinea locației din care este măsurat si de ziua curenta din an.

Elevatia este calculata cu formula:

[11], unde HRA reprezinta unghiul orei la care este masurata elevatia. El transforma ora locala (LST) intr-un numar de grade pe care Soarele le parcurge pe bolta cereasca.

HRA are valoarea de 0 grade la pranz si luand in calcul unghiul de rotatie al Pamantul de 15 grade pe ora, obtinem negative ale HRA dimineata si pozitive dupa-amiaza. [6]

[12]

[13], unde LT reprezinta timpul local

Unghiul de apus

Unghiul de apus variază sezonier datorita înclinării suprafeței pământului pe axele sale de rotatie si datorita rotației pământului in jurul soarelui. Daca soarele nu avea suprafața înclinată, unghiul de apus era 0. Totuși, suprafața pământului este înclinată la un unghi de 23.45 de grade si unghiul de declinare sau de apus variază pozitiv sau negativ în jurul acestei valori.

Această valoare este de 0 grade de doua ori pe an, in perioadă echinocțiului. Ea va avea valoarea maxima de 23.45 grade in luna iunie(solstițiu de vara in emisfera nordică) si valoarea minima de -23.45 grade in luna decembrie (solstițiul de iarna in emisfera nordica).

Formula de calcul a unghiului de apus:

[14]

Unghiul azimuthal

Unghiul azimuthal este dat de directia din care soarele vine. La amiază, soarele este întotdeauna in sud in emisfera nordică si in nord in emisfera sudică. Unghiul azimuthal variază pe parcursul unui zile. La echinocțiu, soarele rasare direct de la est si apune direct la vest, netinand cont de latitudine. Astfel, unghiul azimuthal este de 90 de grade la răsărit si de 270 de grade la apus.

Unghiul azimuthal variază odata cu latitudinea si perioada specifică din an. El are proprietățile unui compas, la directia nord avand 90 grade, respectiv 180 de grade in directia sud.

Aceasta mișcare aparenta are un impact major asupra puterii primita de un sistem fotovoltaic.

Când razele soarelui sunt perpendiculare pe suprafața de absorbție, densitatea de putere este egala cu densitatea de putere incidenta. Insa, odata cu schimbarea unghiului dintre soare si suprafata care absoarbe radiația solara, intensitatea pe acea suprafața este redusă. Când modulul este paralel cu razele soarelui, panoul fiind așezat la 90 de grade, intensitatea de lumina esenți

[15], unde reprezinta elevatia.

Transferul radiatie solare

Radiația solară este o radiație de tip electromagnetic fiind în special compusă din:

– radiație ultravioletă 3%

– radiație vizibilă 42%

– radiație inflarosie 55%

Acest tip de radiație este absorbit, împrăștiat si reflectat de componentele atmosferei. Prin urmare, cantitatea de radiație care ajunge pe Pamant este mai mica față de cantitatea ajunsa inițial la suprafața atmosferei.

Exista in acest sens o clasificare a radiației solare:

– radiația directa, cea care ajunge pe pământ fara a fi perturbata

– radiatia difuza, cea care este împrăștiata de atmosferă si de către nori înainte de a ajunge pe pământ.

Ca si masa a aerului radiația care a trecut prin atmosfera înainte de a ajunge pe pământ. Ea fiind egala cu 1.0 când soarele se afla la un punct fix fața de nivelul marii, la punctul de zenit.

Lumina solara are doua componente, raza directa, care contine in jur de 90% din energia solara si lumina solara dispersata care contine energia ramasa.

Cum majoritatea energiei se gaseste in raza directa, pentru o colectare maxima este necesar ca lumina solara sa fie reflectata pe panoul fotovoltaic cat mai mult posibil, iar pentru acest lucru apare necesitatea unui tracker.

1.5 Timp solar si timp civil

Solstițiul

Solstitiul reprezinta cele două momente din an cand planul determinat de centrul Soarelui si de axa de rotație a Pamantului perpendicular pe planul orbitei Pamantului. În cele două momente ale anului unghiul făcut de razele soarelui cu orizontul la amiaza este cel mai mare (vara) sau cel mai mic (iarna) din an. Variația acestui unghi în cursul anului se explică prin aceea că axa de rotație a Pămantului nu este perpendiculară pe orbita lui. [16]

Figura 3 – Influenta razelor Soarelui asupra Pamantului la solstițiul de vară [17]

Figura 4 – Influenta razelor Soarelui asupra Pamantului la solstițiul de iarnă [18]

Echinocțiul

Echinocțiul (numit și echinox) este momentul când ziua și noaptea sunt egale în orice loc de pe Pământ, datorită faptului că Soarele, în mișcarea sa aparentă pe cer, se află exact pe ecuatorul ceresc. Punctele de intersecție ale eclipticii (traiectoria mișcării aparente a Soarelui pe sfera cerească) cu ecuatorul ceresc se numesc puncte echinocțiale. Punctele echinocțiale își schimbă poziția pe ecliptică din cauza fenomenului de precesie.

Echinocțiul are loc de două ori pe an. Prima dată este momentul când Soarele traversează ecuatorul ceresc trecând din emisfera cerească sudică în cea nordică, în jurul datei de 21 martie, reprezentând echinocțiul de primăvară în emisfera nordică și echinocțiul de toamnă în cea sudică. Acest punct de intersecție a eclipticii cu ecuatorul ceresc se numește punctul vernal.

Al doilea echinocțiu al anului este momentul când soarele traversează ecuatorul ceresc trecând din emisfera cerească nordică în cea sudică, în jurul datei de 23 septembrie, reprezentând echinocțiul de primăvară în emisfera sudică și echinocțiul de toamnă în emisfera nordică. Punctul de intersecție din acest moment al eclipticii cu ecuatorul ceresc se numește punctul autumnal. [19]

Figura 5 – Influenta razelor Soarelui asupra Pamantului la echinoctiu [20]

Puncte de referinta pe bolta cereasca

ală scade subit la 0.

Formula de calcul a unghiului azimuthal:

[15], unde reprezinta elevatia.

Transferul radiatie solare

Radiația solară este o radiație de tip electromagnetic fiind în special compusă din:

– radiație ultravioletă 3%

– radiație vizibilă 42%

– radiație inflarosie 55%

Acest tip de radiație este absorbit, împrăștiat si reflectat de componentele atmosferei. Prin urmare, cantitatea de radiație care ajunge pe Pamant este mai mica față de cantitatea ajunsa inițial la suprafața atmosferei.

Exista in acest sens o clasificare a radiației solare:

– radiația directa, cea care ajunge pe pământ fara a fi perturbata

– radiatia difuza, cea care este împrăștiata de atmosferă si de către nori înainte de a ajunge pe pământ.

Ca si masa a aerului radiația care a trecut prin atmosfera înainte de a ajunge pe pământ. Ea fiind egala cu 1.0 când soarele se afla la un punct fix fața de nivelul marii, la punctul de zenit.

Lumina solara are doua componente, raza directa, caolare

Radiația solară este o radiație de tip electromagnetic fiind în special compusă din:

– radiație ultravioletă 3%

– radiație vizibilă 42%

– radiație inflarosie 55%

Acest tip de radiație este absorbit, împrăștiat si reflectat de componentele atmosferei. Prin urmare, cantitatea de radiație care ajunge pe Pamant este mai mica față de cantitatea ajunsa inițial la suprafața atmosferei.

Exista in acest sens o clasificare a radiației solare:

– radiația directa, cea care ajunge pe pământ fara a fi perturbata

– radiatia difuza, cea care este împrăștiata de atmosferă si de către nori înainte de a ajunge pe pământ.

Ca si masa a aerului radiația care a trecut prin atmosfera înainte de a ajunge pe pământ. Ea fiind egala cu 1.0 când soarele se afla la un punct fix fața de nivelul marii, la punctul de zenit.

Lumina solara are doua componente, raza directa, care contine in jur de 90% din energia solara si lumina solara dispersata care contine energia ramasa.

Cum majoritatea energiei se gaseste in raza directa, pentru o colectare maxima este necesar ca lumina solara sa fie reflectata pe panoul fotovoltaic cat mai mult posibil, iar pentru acest lucru apare necesitatea unui tracker.

1.5 Timp solar si timp civil

Solstițiul

Solstitiul reprezinta cele două momente din an cand planul determinat de centrul Soarelui si de axa de rotație a Pamantului perpendicular pe planul orbitei Pamantului. În cele două momente ale anului unghiul făcut de razele soarelui cu orizontul la amiaza este cel mai mare (vara) sau cel mai mic (iarna) din an. Variația acestui unghi în cursul anului se explică prin aceea că axa de rotație a Pămantului nu este perpendiculară pe orbita lui. [16]

Figura 3 – Influenta razelor Soarelui asupra Pamantului la solstițiul de vară [17]

Figura 4 – Influenta razelor Soarelui asupra Pamantului la solstițiul de iarnă [18]

Echinocțiul

Echinocțiul (numit și echinox) este momentul când ziua și noaptea sunt egale în orice loc de pe Pământ, datorită faptului că Soarele, în mișcarea sa aparentă pe cer, se află exact pe ecuatorul ceresc. Punctele de intersecție ale eclipticii (traiectoria mișcării aparente a Soarelui pe sfera cerească) cu ecuatorul ceresc se numesc puncte echinocțiale. Punctele echinocțiale își schimbă poziția pe ecliptică din cauza fenomenului de precesie.

Echinocțiul are loc de două ori pe an. Prima dată este momentul când Soarele traversează ecuatorul ceresc trecând din emisfera cerească sudică în cea nordică, în jurul datei de 21 martie, reprezentând echinocțiul de primăvară în emisfera nordică și echinocțiul de toamnă în cea sudică. Acest punct de intersecție a eclipticii cu ecuatorul ceresc se numește punctul vernal.

Al doilea echinocțiu al anului este momentul când soarele traversează ecuatorul ceresc trecând din emisfera cerească nordică în cea sudică, în jurul datei de 23 septembrie, reprezentând echinocțiul de primăvară în emisfera sudică și echinocțiul de toamnă în emisfera nordică. Punctul de intersecție din acest moment al eclipticii cu ecuatorul ceresc se numește punctul autumnal. [19]

Figura 5 – Influenta razelor Soarelui asupra Pamantului la echinoctiu [20]

Puncte de referinta pe bolta cereasca