Сонце – доминантен обновлив извор на енергија

Во наредните броеви на „Порта 3“ ќе објавиме серија написи посветени на пасивното користење на сончевата енергија во архитектурата. Станува збор за текстови-извадоци од книгата на д-р Петар Николовски, посветени токму на таа тема.

Слика 1: Глобален карбон циклус

Борбата со климатските промени, како глобален светски тренд, од ден на ден станува сè поинтензивна, бидејќи часовникот предупредува дека многу бргу се приближуваме кон границата по која не ќе е можно да се стори нешто за спас на планетата Земја. Растежот на потрошувачката на енергија на светско ниво, од една страна, и дефицитот на енергетски ресурси, од друга страна, истовремено со загрижувачките климатски промени, налагаат неминовна рестрикција на потрошувачката на енергија. (Слика 1)

Кјото протокол

Индустријата, транспортот и градежниот сектор имаат суштинска улога во овој постулат. Градежниот сектор е одговорен за околу 40% од емисијата на штетните гасови. Употребената енергија за греење и климатизација на воздухот изнесува околу 70% од ова количество.

Недостигот од енергија, ограничените и исцрпливите фосилни енергетски ресурси, генерално кажано енергетската криза, налагаат преориентација кон оптимално користење на обновливи извори на енергија.(Слика 3)

Слика 2: Топење на мразот на Арктик

Слика 3: Глобален енергетски потенцијал

Во многу земји, а особено во Република Македонија, сонцето потенцијално претставува главен обновлив извор на енергија.(Слика 4)

Слика 4: Сончев енергетски потенцијал во Република Македонија

Енергијата од сончевото зрачење може да се користи во активна и во пасивна форма. За активното користење потребнa е техничкa инсталациja и опрема (соларни панели за добивање санитарна топла вода и фотонапонски панели за добивање електрична енергија).

Сонце – гратис светлина и топлина

Од астрономска гледна точка, нашето Сонце е една просечна ѕвезда меѓу многуте милијарди други ѕвезди во нашата галаксија Млечен пат, којашто од своја страна е просечна галаксија меѓу многуте милијарди други галаксии во бескрајната вселена, којашто, итн. итн… (Слика 5)

Слика 5: Сонце, галаксија Млечен пат и дел од оптички видливата вселена

Земјата се движи по елиптична патека (еклиптика) околу Сонцето кое се наоѓа во еден од  фокусите на елипсата, па Земјата е поблиску до Сонцето (перихел) кога таа е на крајот на малата оска (зимски солстициј или краткоденица) и подалеку (афел), кога е на крајот на другата оска (летен солстициј или долгоденица).(Слика 6)

Слика 6: Движење на Земјата околу Сонцето по елиптична патека

Просечното растојание на Земјата од Сонцето е 149.600.000 km. Интензитетот на сончевото зрачење врз Земјата е обратно пропорционален со квадратот на растојанието од фокусот и тој варира од 3,5% во однос на просечната вредност од 1.353 W/m² што доаѓа до Земјата.

Поради наклонот на оската на Земјата за 23,5 степени во однос на нормалата на рамнината во која се движи Земјата на својот пат околу Сонцето, бројот на часови на сончевата светлина секој ден варира во зависност од местоположбата на Земјата на овој пат.

Зимската краткоденица на северната хемисфера се јавува околу 21 декември, кога сонцето на пладне е под прав агол на географска ширина 23,5 степени.

Летната долгоденица се случува околу 21 јуни, кога сонцето на пладне е под прав агол на северна географска ширина 23,5 степени.

Пролетната и есенската рамноденица (еквиноциј) се случуваат околу 21 март, односно 21 септември.

При соларно проектирање и пристап и продор на сончевите зраци во внатрешни простори, неопходно е познавање на аглите на сонцето. Различните фасади на згради добиваат различни количини светлина во зависност од својата ориентација, време од годината и време во денот. За правилно користење на сонцето, конструкциите на зградата мора да се простудираат.

Аголот под кој сончевите зраци навлегуваат во атмосферата влијае врз количината на добиената сончева радијација. Должината на нивната патека во атмосферата се зголемува кога сончевите зраци се коси. Ова варира во текот на целата година, од 23,5 степени во летната долгоденица, рамнодениците 0 степени, до 23,5 степени во зимската краткоденица.(Слика 7)

Слика 7: Соларни интервали на северна хемисфера

Планетата Земја и целиот жив свет на неа постојат благодарение на Сонцето, но истовремено тоа претставува неисцрпен извор на енергија. Сонцето е џиновски реактор во кој перманентно се одвива нуклеарна фузија на водород во хелиум. Овој процес ќе трае сè додека постои самото Сонце, во наредните пет милијарди години.

При процесот нуклеарна фузија, на сончевата површина се ослободува енергија од 66 милиони W/m², во форма на светлина и топлина. Но, само мал дел од оваа енергија доаѓа до нашата атмосфера. Оваа фракција е т.н. „соларна константа“, чијашто вредност изнесува 1.353 W/m². Меѓутоа, сончевата енергија пристигната до површината на Земјата е уште помала од соларната константа поради фактот што атмосферата апсорбира околу 15% и рефлектира назад во вселената уште 6% од сончевото зрачење. Затоа, вкупното сончево зрачење претставува само сума од директното и дифузното зрачење.(Слика 9)

Слика 8: Влијание на атмосферата врз сончевото зрачење

Но, и покрај тоа, за време од еден час на Земјата пристигнува поголемо количество сончева енергија отколку што целата популација на Земјата троши енергија за една година.

Планетата Земја и целиот жив свет на неа секојдневно се изложени на електромагнетни зрачења од различни видови, вклучувајќи го и Сонцето. Типовите на електромагнетното  зрачење се дефинирани со својата бранова должина Л, изразена во микрометри (mm) или нанометри (nm). За бранова должина на електромагнетното зрачење, во стандардите МКС EN е усвоена единицата нанометар. За потсетување, 1 mm = 10^-6 m, односно 1 nm = 10^-9 m. Во Табела 1 е прикажано електромагнетното зрачење класифицирано според брановата должина, а на (Слика 9), различни типови електромагнетно  зрачење.

Табела 1: Класификација на електромагнетното зрачење според брановата должина

 

Слика 9: Различни типови електромагнетно зрачење

Од Слика 9 е очигледно дека сончевото зрачење претставува само еден мал дел од спектарот на електромагнетното зрачење, во интервал од 280 до 2.500 nm (Слика 10), при што ова зрачење се манифестира како ултравиолетово (UV), во форма на видлива светлина и како краткобраново инфрацрвено (IR) зрачење.

Слика 10:  Спектар на сончевото зрачење

Во енергетски поглед, во сончевиот спектар најсилно е видливото зрачење, а најслабо е ултравиолетовото (Табела 2).

Табела 2: Енергетски потенцијали на сончевиот спектар

Добиената енергија зависи од годишното време (нападниот агол на сончевите зраци во однос на Земјата), географската широчина, временските услови (облачност, магла, дожд), конфигурацијата на теренот, загаденоста на атмосферата, ориентацијата на зградите и др.

Човечкото око е во состојба да детектира само еден мал дел од сончевиот спектар, во интервалот помеѓу 380 и 780 nm, т.е. видливата светлина. Спектарот на бои од кои се состои видливата светлина е прикажан на Слика 11.

Слика 11:  Спектар на видливата светлина

Покрај визуелната перцепција, сончевата светлина можеме да ја чувствуваме и во форма на топлина, во количество што одговара на половина од вкупната топлина добиена од Сонцето.

Инаку, во секојдневниот живот топлината ја добиваме од два извора:

– од сончевиот спектар (генерирана од ултравиолетовите зраци), од светлината и од кратките инфрацрвени бранови;

– топлина емитирана од предмети (светилки, радијатори и др.), која се зрачи во форма на долги инфрацрвени бранови.

Фактори на сончевото зрачење

Во рамките на вкупниот спектар на електромагнетните зрачења од 0 nm до неколку километри (Слика 9), сончевото зрачење е лоцирано во релативно мала област од спектарот, во интервал од 300 до 2.500 nm. Преку спектрометриските сончеви фактори, познати како енергетски и светлински фактори, се одредуваат својствата на застаклените површини во зградите во однос на трансмисија, апсорпција и рефлексија на енергијата и светлината.

Слика 12:  Енергетски фактори при обично монолитно стакло

Енергетски фактори

При упадот на сончевите зраци низ стаклото, вкупната енергија на сончевото зрачење (f_e) се дели на неколку фракции (Слика 12). Соларниот фактор g ја дефинира вкупната енергија пренесена низ застаклувањето, односно тој претставува сума од директно пренесеното зрачење и апсорбираното зрачење во стаклото, дополнително рефлектирано кон внатрешноста.

За разлика од шематскиот приказ на енергетските фактори при обичното монолитно застаклување, при двослојно застаклување патиштата на сончевата енергија се многу посложени, но, всушност, ги следат веќе опишаните основни принципи на рефлексија, апсорпција и трансмисија на енергијата, во зависност од нападниот агол на сончевите зраци (Слика 13).

Слика 13:  Енергетски фактори при двослојно застаклување

Светлински фактори

На сличен начин како кај енергетските фактори, светлинските фактори се дефинираат единствено врз основа на видливиот дел од сончевиот спектар, помеѓу 380 и 780 nm.

Светлинските фактори од трансмисија (t_v) и од рефлексија (r_v) се дефинираат соодветно, но како фракции од видливата светлина, односно фракција пренесена низ стаклото и фракција рефлектирана од него (Слика 14). Апсорбираната светлина во стаклото е невидлива и обично таа се занемарува.

Слика 14:  Светлински фактори

За илустрација, во Табела 4 се дадени вредностите g и t_v за монолитно бело стакло и двослојно застаклување со обично стакло без премаз.

Табела 4: Вредности g и t_v за монолитно стакло и двослојно застаклување

Селективност во пропуштањето на сончевата енергија низ стаклата

Со минување на сончевото зрачење низ застаклувањето, во внатрешноста на просториите се генерира топлина од ултравиолетовите зраци, од видливата светлина и од краткобрановото инфрацрвено зрачење. Количеството на оваа топлина може да се редуцира со употреба на стакла со премаз со високи перформанси, без да се намали интензитетот на видливата светлина (Слика 15). Ваквиот премаз го попречува минувањето на ултравиолетово и краткобрановото инфрацрвено зрачење, но ја пропушта светлината. Овој тип стакла се нарекуваат селективни.

Слика 15:  Ефект на селектирање на сончевата енергија низ проѕирни стакла

Факторот селективност на стаклата претставува однос помеѓу факторот на пренесена светлина t_vи соларниот фактор g.

Селективноста се движи во интервал од 0 до 2, при што

– 0 е тотално непроѕирно стакло со степен на пренесување на светлината 0;

– 2 е најдобра можна селективност, бидејќи енергетското учество на светлината претставува 50% од сончевиот спектар. На пример, за застаклување со t_v од 50%, најнизок можен соларен фактор е 25.

Колку е поблиску вредноста до 2, толку е поголема селективноста на застаклувањето.

д-р Петар Николовски, дипл. инж. арх.