SOAREA ȘI PĂMÂNTUL

soarele

Unele surse foarte puternice de energie radiantă sunt stelele. Cu toate acestea, având în vedere distanța lor enormă și, din moment ce radiația pe care o degajă este atenuată pe măsură ce se răspândește progresiv pe o suprafață sferică din ce în ce mai mare pe măsură ce se răspândește prin spațiu, efectele pe care le produc pe Pământ sunt foarte mici.

Cu toate acestea, unul dintre ei, Soarele, datorită apropierii sale, este capabil să ne livreze o cantitate atât de mare de energie radiantă încât a stabilit condițiile fizice care au predominat pe planetă de la formarea sa, inclusiv cele care definesc ceea ce știm. ca viata.

Ne interesează aspectele cantitative ale energiei Soarelui, fără a intra într-o descriere profundă a transformărilor fizico-chimice pe care le suferă odată ce afectează suprafața pământului.

1.- Date numerice

Soarele este o stea destul de obișnuită, cu singura particularitate că se găsește doar la o distanță de aproximativ 150 de milioane de kilometri de Pământ. Radiația pe care o emite durează puțin peste 8 minute pentru a ajunge la planeta noastră, cu o rată de aproximativ 300.000 km/s. Diametrul său este de aproximativ 1.400.000 km și masa sa este echivalentă cu cea a aproximativ 300.000 de planete egale cu Pământul.

La fel ca toate stelele, Soarele este un gigantic cuptor nuclear în care masa este transformată continuu în energie radiantă, calculând în mai mult de 5.000 de milioane de ani timpul care va trece până când va fi complet stins.

Din această cantitate enormă de energie radiantă, doar o mică parte ajunge pe planeta noastră, deși reprezintă o cantitate foarte mare în comparație cu energia de care avem nevoie pentru a ne menține civilizația tehnologică. Problema nu este cantitatea totală de energie disponibilă, ci dificultățile de utilizare a acesteia, deoarece este dispersată, răspândindu-se pe întreaga suprafață a pământului și a oceanelor. În medie, cantitatea de energie care ajunge în atmosfera noastră exterioară este echivalentă cu o putere de 1,4 kW pe mІ, o cantitate care se reduce la aproximativ 1 kW atunci când trece prin atmosferă și ajunge la sol.

Temperatura efectivă a suprafeței Soarelui este de aproximativ 5.600 єC. Aceste date sunt importante deoarece caracteristicile radiației emise de un corp sunt în funcție de temperatura suprafeței sale. Temperatura de 5.600 єC este mai mare decât temperatura realizabilă în mod normal în procesele industriale normale pe care omul le poate produce artificial. Prin urmare, caracteristicile radiației solare sunt semnificativ diferite de cele ale altor surse de radiații artificiale.

Radiația solară este formată dintr-un amestec de unde electromagnetice de diferite frecvențe, unele dintre ele (cele a căror „lungime de undă” este cuprinsă între 0,4 și 0,7 µm) pot fi detectate de ochiul uman, constituind ceea ce noi cunoaștem ca lumină vizibilă. Alții, deși nu sunt vizibili, își fac și efectele vizibile, transferând energia pe care o transportă către corpuri.

2.- Poziția Pământului față de Soare

Chiar mai important decât cantitatea absolută de energie primită este înclinația cu care undele de radiație (adică razele soarelui) lovesc o suprafață, deoarece acest lucru va face ca energia să se răspândească pe o zonă mai mult sau mai puțin extinsă, scăzând sau crescând intensitatea acesteia.

Datorită înclinației axei de rotație a Pământului față de planul orbitei sale în jurul Soarelui și a formei sale sferice, același punct de pe suprafața Pământului primește raze cu o înclinație diferită, în funcție de perioada anului și, prin urmare, energia efectivă care afectează un metru pătrat de suprafață orizontală variază considerabil.

Iarna, razele soarelui cad cu un unghi mic față de orizontală, opusul celei din vară, când unghiul este mult mai mare, ajungând la perpendiculară în zonele din apropierea Ecuatorului și în momentele centrale ale zilei. Din acest motiv, energia incidentă totală este mult mai mare vara decât iarna și, dacă luăm în considerare energia incidentă într-o anumită perioadă de timp - de exemplu, o oră - este, de asemenea, mult mai mare în orele centrale ale zilei ( în jurul prânzului) care în orele din jurul răsăritului sau al apusului.

Deși știm cu toții că Pământul se învârte în jurul Soarelui și nu invers, în scopuri practice este încă util și conduce la aceleași rezultate, să presupunem că Soarele este cel care se învârte în jurul planetei noastre, descriind un orbită aproximativ circulară (descrie de fapt o elipsă foarte superficială).

Cu acest model fictiv, Soarele se comportă ca un luminar care se ridică în fiecare zi dinspre Est și spre Vest, descriind un arc mai mult sau mai puțin larg pe cer, în funcție de perioada anului.

Primăvara și vara arcul căii solare este mai mare, Soarele răsare mai sus deasupra orizontului și rămâne strălucind pe cer mai mult timp. Dimpotrivă, iarna, punctele de la orizont în care se ridică și se așază sunt mai apropiate unele de altele, calea este mai scurtă și mai puțin înălțată, iar timpul (durata zilei solare) care trece între răsărit și apus este mult mai mic.

În mod logic, cu cât durata zilei solare este mai mare, cu atât mai multă energie poate fi colectată pe tot parcursul zilei. În plus, un alt factor chiar mai important decât lungimea zilei este faptul că, cu cât traseul solar este mai mic, cu atât razele vor atinge un unghi mai mic față de solul orizontal și, așa cum s-a spus, intensitatea va fi mai mică., prin nevoia de a distribui energia într-o zonă mai mare.

Un alt factor care determină cantitatea mai mică sau mai mare de energie care ajunge la suprafață este gradul de tulbure din zonă. Norii absorb cea mai mare parte a energiei solare, reflectând-o de sus și readucând-o în spațiu. Într-o zi înnorată tipică, energia care reușește să treacă prin stratul de nori este doar o mică parte din cea care ar ajunge la suprafață dacă cerul ar fi senin, fiind în general insuficient pentru sistemele de utilizare a energiei solare (cu posibilul cu excepția celor bazate pe asupra efectului fotovoltaic) poate fi operațional.

Condițiile climatice ale unei regiuni date sunt, prin urmare, cel mai important factor atunci când se evaluează posibilitățile practice ale unei instalații solare. Dacă clima este abundent tulbure, șansele de a face sistemul profitabil vor fi slabe.

Temperatura medie a aerului și viteza vântului influențează și ele, deși într-o măsură mai mică decât acoperirea norilor, în special în colectoarele plate destinate încălzirii apei, deoarece dacă temperatura menționată este prea scăzută sau vântul predominant este puternic, colectorul va tinde să piardă rapid căldură produsă de radiația solară, ceea ce face dificilă transmiterea către apa pe care dorim să o încălzim.

Regiunile cu puțini nori și nu prea reci constituie zona ideală în care, cu tehnologia actuală, este posibil să se profite din plin de sistemele obișnuite de utilizare termică a energiei solare. Cu toate acestea, este de asemenea posibil să se utilizeze în mod rezonabil energia redusă care poate fi colectată în regiuni cu latitudini mari și temperaturi foarte scăzute.

4.- Fotoni

Teoria cuantică aplicată radiației electromagnetice și, în special, radiației electromagnetice solare, explică faptul că radiația respectivă este configurată într-un mod aparte, putând fi tratată într-o primă viziune foarte simplificată, ca un set format dintr-un număr foarte mare de „clustere energetice”. „discreti numiți fotoni, care sunt unitățile naturale de transport al energiei.

Astfel, razele de lumină ar fi un fel de „duș” de fotoni, fiecare dintre ei transportând o cantitate minusculă de energie, dar având în vedere numărul enorm de fotoni care trec printr-o anumită secțiune sau zonă în fiecare secundă, rezultatul net este un transport considerabil de energie.

Fotonii diferă unii de alții prin valoarea lungimii lor de undă (sau a frecvenței lor, definită ca coeficientul dintre viteza lor - viteza luminii - și acea lungime de undă).

Intensitatea mai mare sau mai mică a fluxului de fotoni, adică numărul de fotoni care trec prin zona unității perpendiculară pe direcția deplasării sale în unitatea de timp, va defini intensitatea radiației solare.

Dacă toți fotonii ar avea aceeași lungime de undă, energia totală ar putea fi ușor calculată pur și simplu prin înmulțirea energiei unitare a fiecărui foton (care, conform teoriei cuantice, este pur și simplu produsul unei mărimi constante, numită constanta lui Planck, cu frecvența foton) după numărul acestora. Realitatea este mai complexă, deoarece lumina emisă de Soare este alcătuită dintr-un amestec foarte neuniform de fotoni de diferite lungimi de undă.

În aceeași rază a Soarelui există fotoni a căror lungime de undă -pentru a numi câteva figuri- de jumătate de microni, un microni, 1,2 microni, 1,5 microni etc.

Din fericire, proporția relativă a fotonilor în funcție de lungimea lor de undă este întotdeauna aproximativ aceeași, cel puțin înainte de a pătrunde în atmosfera Pământului, în care o serie de fenomene pot modifica această proporție, deși păstrează încă un profil mai mult sau mai puțin definit.

Distribuția relativă a frecvențelor (sau lungimilor de undă) a setului de fotoni care alcătuiesc radiația solară este ceea ce este cunoscut sub numele de spectru solar.

Doar unii dintre fotoni - cei a căror lungime de undă este cuprinsă între 0,3 și 3 miimi de milimetru - sunt capabili să fie detectați de ochiul uman, formând ceea ce numim „lumină vizibilă”.

5.- Fluxul de energie

Fiecare foton individual are o cantitate foarte mică de energie, dar când luăm în considerare suma energiilor tuturor fotonilor care, de exemplu, într-un minut lovesc o anumită suprafață (de exemplu, acoperișul unei case), obținem o cantitate de energie de o anumită considerație, având în vedere numărul foarte mare de fotoni care, așa cum s-a spus, există într-un fascicul de radiație solară.

Energia solară ajunge în straturile cele mai exterioare ale atmosferei într-un mod aproximativ constant, deoarece la acea înălțime nu există nori sau obstacole care să o atenueze. Cu ușoare variații în funcție de perioada anului, datorită faptului că distanța dintre Pământ și Soare nu este întotdeauna aceeași, valoarea a ceea ce este cunoscută sub numele de Constantă Solar este de aproximativ 1,35 kW de putere pentru fiecare metru pătrat de suprafață perpendiculară pe raze. Aceasta înseamnă că într-o secundă aproximativ 1350 jouli/mІ de energie ajung în stratosferă.

Puterea radiantă care ajunge la sol, chiar și în zilele favorabile (cerul complet lipsit de nori și cu aer curat), nu depășește de obicei 1.000 W/mІ, măsurată întotdeauna pe o suprafață perpendiculară pe traseul razelor. Aceasta înseamnă că efectul atenuant al atmosferei, care absoarbe și deviază mulți dintre fotonii incidenți, este considerabil.

Cantitatea de energie pe care o aduce radiația solară nu este chiar atât de impresionantă în termeni relativi, în comparație cu cea generată cu alte dispozitive utilizate în mod obișnuit. De exemplu, o placă mică sau un încălzitor electric pentru încălzirea a 1 kW de putere produce aceeași energie, în aceeași perioadă de timp, ca radiația solară maximă care ar putea fi obținută într-o zi în care Soarele strălucește, pe o suprafață de 1 kW. Mai mult sau mai puțin perpendicular pe aceste raze. Ținând cont de faptul că razele soarelui lovesc la un anumit unghi, variabil pe parcursul zilei de la momentul în care se ridică până la apus, se poate calcula că energia incidentă totală într-o zi de vară completă nu depășește, de obicei, la latitudini medii, 8 kilowati-oră (iarna este mult mai puțin). Puterea electrică echivalentă ar reprezenta o valoare de câțiva dolari, la prețurile actuale.

Cu toate acestea, și în ciuda valorii sale moderate, energia solară poate fi foarte utilă dacă este utilizată corect, așa cum se va vedea mai târziu.

În plus, dacă razele trebuie să treacă prin stratul de aer atmosferic, cu cât o fac mai puțin perpendiculară, cu atât calea va fi mai lungă și cu atât este mai mare masa de aer pe care trebuie să o depășească pentru a ajunge la sol, intensitatea lor fiind atenuată de efectul absorbției.

Toți acești factori sunt responsabili în principal de faptul că, de exemplu, energia solară colectată pe parcursul unei zile la sfârșitul toamnei sau la începutul iernii este mult mai mică decât într-o zi la sfârșitul primăverii sau la începutul verii, chiar și atunci când ambele cazuri nu au fost tulburi.

Dacă, în cele din urmă, la aceasta se adaugă faptul că înnorarea este mai mare în timpul iernii, este ușor de înțeles cantitatea redusă de energie utilă pe care, în medie, ne putem aștepta să o profităm în cele mai nefavorabile luni ale anului (în Emisfera nordică, noiembrie, decembrie și ianuarie).

6.- Radiații directe și difuze

O bună parte a fotonilor care ajung în cele din urmă la sol au suferit abateri de la traiectoria lor inițială (o linie dreaptă de la Soare) atunci când interacționează cu atomii prezenți în aer.

Efectul global al acestor dispersii suferite de raze este acela de a simula că radiația, pe lângă faptul că vine direct de pe discul solar, o face mai mult sau mai puțin omogen din toate punctele bolții cerești.

Radiația care vine direct de la Soare și care ajunge la noi fără a suferi abateri se numește directă, iar toate celelalte, difuze, din moment ce aceasta din urmă se răspândește în toată emisfera cerească, pretinzând că este cea care o radiază.

Dacă nu ar exista aer, în mod evident toată radiația ar fi directă și dacă ne-am uita la cer, spre un alt loc decât cel ocupat de Soare, ochiul nostru nu ar primi nicio radiație (cerul ar fi negru). Nici noi, de exemplu, nu am putea citi o carte în lumină naturală, decât dacă cartea însăși a fost expusă direct la lumina soarelui.

Norii răspândesc radiația solară mai puternic decât aerul uscat, astfel încât într-o zi înnorată toată radiația pe care o putem obține va fi radiație difuză. Într-o zi senină tipică, radiația directă este de câteva ori mai mare decât cea difuză.

Mai jos puteți vedea hărțile cu energia solară medie incidentă în diferite zone ale lumii. Liniile unesc punctele în care această energie este egală. Valorile numerice exprimă kW · h de energie pe zi pentru fiecare metru pătrat de suprafață orizontală. Pentru a vedea fiecare hartă în detaliu, faceți clic pe ea.

Pe de altă parte, două hărți de radiații ale Peninsulei Iberice pot fi văzute mai jos. Aceste hărți ne furnizează energia solară primită, în medie, într-o zi din iulie (hartă în stânga) și decembrie (hartă în dreapta), exprimată în calorii într-un centimetru orizontal de sol. Puteți vedea diferența mare între valorile corespunzătoare unei luni și altei luni.

7.- Energie incidentă și energie utilizabilă

Ambele radiații directe și difuze sunt utile pentru producerea de energie.

Cu toate acestea, nu toată energia radiantă care ajunge la noi este capabilă să fie utilizată, deoarece, la fel ca în cazul multor dispozitive care au nevoie de un stimul mai mare decât o anumită valoare pentru a începe să funcționeze, dispozitivele solare de colectare funcționează numai dintr-o valoare minimă a radiației. Orice energie care scade sub o anumită valoare minimă va fi inutilă în scopul utilizării practice, deoarece senzorii responsabili cu pornirea sistemului solar nu vor detecta o valoare suficientă pentru a face sistemul să funcționeze cu eficiența minimă necesară.

De exemplu, în timpul dimineții devreme sau după-amiaza târziu, energia incidentă este foarte scăzută, nu atinge valoarea pragului minim pentru a putea fi utilizată de un fluid termic, printr-un absorbant solar. La fel se întâmplă și în perioadele de nori înalți: o anumită energie ajunge întotdeauna la sol (de aceea, deși ziua este foarte tulbure, putem vedea pe străzi fără a recurge la iluminatul artificial), dar cu o intensitate insuficientă pentru, cu tehnologia actuală, pentru a putea furniza energie utilă. De exemplu, deși teoretic o intensitate a radiației de 100 W/mІ incidentă timp de 6 ore ar furniza aceeași cantitate de energie ca o intensitate de 600 W/mІ timp de o oră, în realitate, în primul caz, energia netă utilizabilă de un colector termic ar fi nul.