Факултет за Електротехника и Информациски Технологии

Сончево зрачење и негово мерење Предмет: Искористување на сончевата енергија

Студент: Александра Попоска Бр. Индекс м251/09

Наставник: проф.д-р Верка Георгиева

Користена литература: .................................................................................................................................... 3

Вовед ................................................................................................................................................................. 4

1.Сонцето како извор на енергија .................................................................................................................. 5

1.1Сонце ....................................................................................................................................................... 5

1.2 Соларно зрачење .................................................................................................................................... 6

1.3 Геометриски однос помеѓу Сонцето и Земјата ................................................................................... 9

1.4 Сончево зрачење на површината на земјата ..................................................................................... 11

1.5 Сончев дијаграм ................................................................................................................................... 13

1.6 Мерење на сончевото зрачење ........................................................................................................... 15

1.6.1 Директно сончево зрачење .......................................................................................................... 16

1.6.2 Дифузно сончево зрачење ............................................................................................................ 16

1.6.3 Рефлектирано Сончево зрачење .................................................................................................. 18

1.7 Траење на сончевото зрачење ............................................................................................................ 19

2. Конверзија на сончевото зрачење ............................................................................................................ 20

2.1 Топлинска конверзија на сончевото зрачење.................................................................................... 20

2.1.1 Селективни прекривки ................................................................................................................. 21

2.1.2 Рамни колектори ........................................................................................................................... 21

2.1.2.1 Колектори без концентрирање на сончевото зрачење ....................................................... 21

2.1.3 Колектори со концентрирање на сончевото зрачење ................................................................ 27

2.1.4 Видови на пренос на топлина ...................................................................................................... 27

2.1.5 Складирање на енеријата ............................................................................................................. 28

2.1.6 Активно и пасивно греење на вода ............................................................................................. 30

2.1.7 Пасивни системи на загревање .................................................................................................... 32

2.2 Фотонапонски системи ....................................................................................................................... 38

2.2.1 Соларна (фотонапонска) ќелија .................................................................................................. 38

2.2.2 Видови фотонапонски системи ................................................................................................... 42

2.2.2.1 Самостојни фотонапонски системи ..................................................................................... 42

2.2.2.2 Фотонапонски системи поврзани со електродистрибутивната мрежа ............................. 43

2.2.3 Примери за примена на сончеви ќелии ...................................................................................... 44

3.Видови сончеви централи .......................................................................................................................... 47

4. Економски анализи .................................................................................................................................... 49

Користена литература: 1. Solar Engineering of Thermal Processes, John A. Duffie, William A. Beckman – Second edition;

John Wiley & Sons, INC 2. Fotonaponsko pretvaranje energije (solarne celije) - Diplmski rad, Uroš Jeremić; Univerzitet u

Pristini, Prirodno-Matematički fakultet,odsek Fizika 3. KNAUF-Story-br4 4. http:// www.door.hr5.

DOOR - Društvo za oblikovanje održivog razvoja http://astro.fdst.hr

6. http://wapedia.mob/en/Heat-flow 7. http://www.efunda.com/formulae/heat_transfer/radiation/overview_rad.cfm 8. http://www.energetika.com.mk 9. http://www.knauf.com.mk 10. http://www.mcsolar.hr 11. http://www.nival.hr 12. http://www.solarexpert.com/Heat-theory.html 13. http://www.tfb.edu.mk 14. http://www.eihp.hr15.

- Energetski Institut - Hrvoe Pozar http://www.kaieteur.uk.com

16. http://www.lagumica.org.rs/site/

Вовед

Енергијата на сончевото зрачење е најобилен, неисцрпен, бесплатен и обновлив извор на енергија, која не ја загадува околината. Но поради малата густина на енергетскиот флукс и непостојаноста, кои се главните недостатоци на овој извор на ел.енергија, постојано се работи на иновација на решенија за концентрација на протокот на сончевото зрачење и негова акумулација на површината на земјата.

1.Сонцето како извор на енергија

1.1Сонце Сонцето како небеско тело е формирано пред околу 4.6 милијарди години. Во

вселената е обично небеско тело – ѕвезда која по маса е неколку пати помала од ѕвезда со средна величина. Она што го чини сонцето единствено е фактот што тоа е скоро 300000 пати поблиску до Земјата отколку наредната поблиска ѕвезда. Средното растојание (r0) помеѓу Земјата и Сонцето изнесува 1,5.108км. Според ова, практично скоро целата енергија, која Земјата ја добива од надвор и која е причина за атмосферските движења, доаѓа од сонцето.

Сонцето е гасовита сфера со полупречник од 6,96.105км и маса од приближно 1,99.1030кг. Неговата градба ја чинат два елементи – водород и хелиум (присутни се и некои други но во мали количини). Водородот е присутен околу 75%, 23% припаѓаат на хелиумот, додека останатите 2% припаѓаат на останатите гасови. До хемискиот состав на сонцето се доаѓа со анализа на неговите спектрални линии. Табела 1: Основни податоци

Полупречник 6,96.105км Маса 1,989.1030кг Просечна густина 1,411км/м3 Моќност на зрачењето 3,86.1026W Површинска температура 57800K Период на обиколка околу средиштето на галаксијата 2,2.108години

Табела 2: Хемиски состав на сонцето

Елемент Процент од вкупниот број на атоми

Процент од вкупната маса на Сонцето

Водород - H 92 73,46 Хелиум - He 7,8 24,58 Кислород - O 0,06 0,77 Јаглерод - C 0,03 0,29 Железо - Fe 0,004 0,16 Неон - Ne 0,008 0,12 Азот -N 0,008 0,09 Силициум - Si 0,002 0,07 Магнезиум - Mg 0,002 0,05 Сулфур - S 0,002 0,04

Извор на огромната количина на енергија со која Сонцето располага е

термонуклеарана фузија која се одвива во длабоките слоеви на Сонцето при температура од десетици милиони Целзијусови степени. Во секој момент четири атоми водород се спојуваат со еден атом на хелиум при што се ослободува голема количина на енергија. Ослободувањето на енергија Es при термонуклеарна фузија, согласно Ајнштановата равенка Es = msc2

доведува до смалување на масата на Сонцето. Меѓутоа тоа смалување е незначително. Според некои истражувања, Сонцето од настанокот до денес има потрошено 5% од својата почетна маса.

Како последица на термонуклеарни реакции во структурата на Сонцето, надворешните слоеви (околу јадрото) се состојат од поладен гас. Надворечните ладни слоеви се загреваат од вжареното јадро, се шират и стигнуваат до површината каде што се оладуваат

и повторно се спуштаат во пониските слоеви. Областа на Сонцето во која огромна количина загреан гас се подига кон површината а ладниот гас се спушта кон пониските слоеви се нарекува зона на конвекција.

Најголем дел од енергијата која во вид на електромагнетно зрачење стигнува на Земјата, се генерира во видливиот слој на Сонцето – фотосфера. Фотосферата, во споредба со димензиите на Сонцето, е релативно тенок слој со дебелина од 500км во кој температурата се менува од 4000оК во повисоките до 8000оК во пониските слоеви.

Областа над фотосферата се нарекува сончева атмосфера и се состои од хромосфера и корона. Сл.1 Структра на Сонцето

1.2 Соларно зрачење Земјата, ко ја о д Со нцето е о ддалечена о ко лу 1 5 0 милио ни кило метр и, од

вкупнатa моќност на сончевото зрачење (3,8⋅1026 W) прима само еден незнатен дел, 4,5.10-

10W. Но, и таа моќност за наши поими е огромна и изнесува околу 1,78⋅1017 W. Тоа значи дека секоја година Земјата прима количество на енергија кое се проценува на околу 58⋅1016 kWh, што е десет илјади пати повеќе од сегашните годишни енергетски потреби на човештвото.

Сончевото зрачење се состои од директна и дифузна компонента. Директно Сончево зрачење е она кое допира до Земјата во директна насока од Сонцето. Дифузното зрачење настанува со распрснување на Сончевите зраци во атмосферата и на земјата доаѓа од сите страни на небото.

Вкупното соларно зрачење е дефинирано како проток на енергија од Сонцето до врвот на Земјината атмосфера, собрано по сите фреквенции на електромагнетниот спектар, за целиот видлив диск на Сонцето. (total solar irradiation-вкупна интегрирана вредност по бранови должини). Инсолација (INcident SOLar radiATION) се мери на некоја одредена површина на Земјата во текот на одреден период и се претставува во единицата W/m2 или kW.h/(m2.ден)

Спектарот на Сонцето приближно одговара на спектарот на црно тело загреано на температура од 57600K. Според тоа, температурата од 57600K може да се земе како ефективна температура на Сончевата површина и со примена на Стефан-Болцмановиот, Виеновиот и Планковиот зако н мо же да се пресмета енергискиот спектар на Сончевото зрачење. Сл.2 Спектрална дистрибуција (спектар на сончевото зрачење)

Спектарот на сончевото зрачење може да се подели на три области: ултравиолетова (0,01µm<λ<0,39 µm), видлива (0,40 µm < λ <0,76 µm) и инфрацрвена (0,76 µm < λ <4,0 µm). Од вкупната енергија која се генерира на Сонцето, 49,5% припаѓа на инфрацрвената, 41,5% на видливата и 9% на ултравиолетовата област. Скоро 99% од вкупното Сончево зрачење отпаѓа на спектарот од 0,275-4,6мм, а максимумот на Сончевото зрачење е на бранова должина од 0,48 µm.

На патот кон Земјината атмосфера Сончевото зрачење слабее бидејќи се распрснува на молекули на гас, на честици прашина и чад (аеросоли), апсорбирано е при реакција со молекули ( H2O,CO2 ,O3 и.т.н.) и апсорбирано и распрснувано на облаците. Апсорпцијата на зрачењето во атмосферата е квантно-механичка појава. Постојат премини помеѓу квантните нивоа во атомите или молекулите кои одговараат на енергијата на фотоните од применото зрачење, и кои овозможуваат зрачењето да се апсорбира. Во зависност од брановата должина, апсорпција вршат различни видови на гасови: азот, кислород, водена пареа, јаглен-диоксид, потоа чадот и честиците прашина. Зрачењето од поедини бранови должини повеќе се апсорбира од останатите, па и спектралниот состав (обликот на спектарот) се менува. Тоа се гледа на сликата каде е дадено екстратеристичкото зрачење на површината на Земјата за директно Сончево зрачење при потполно ведар ден. При поминувањето низ атмосферата, се губат од 25% до 50% од енергијата поради распрснување и апсорбирање. Озонот потполно ги апсорбира кратковиолетовите зрачења со бранова должина помала од 0,3μm, а ултравиолетовото зрачење помеѓу 0,3μm i 0,4 μm скоро во потполност се дифузира, па учеството на на тој вид зрачење во приземниот спектар е доста помал во споредба со екстратерестичкиот спектар. Водената пареа апсорбира дел од инфрацрвеносто зрачење со мали бранови должини до 2,5μm, а јаглеродниот диоксид апсорбира зрачења со бранови должини поголеми од 2,5μm. Вкупниот Сончев спектар која доаѓа до Земјината побршина се протега од 0,3μm до 2,5μm.

Слабеење на сочевото зрачење низ атмосферата Сончево зрачење на влез во Земјината атмосфера се нарекува екстратеристичко

зрачење. Се дефинира како флукс енергија на врвот од атмосферата по единица површина на која нормално паѓаат зраците на Сонцето на 1 AU растојание (Astronomical Unit = 149, 598х106км) од Земјата до Сонцето.

Како што со текот на годините се менува оддалеченоста помеѓу Земјата и Сонцето, така и екстратерестичкото озрачување се менува од најмала вредност од 1321W/m2 до 1412W/m2. Неговата средна вредност се нарекува соларна константа. Соларната константа се дефинира како флукс на Сончевото зрачење на единица површина, нормална на насоката на сончевите зраци на средна оддалеченост на Земјата од Сонцето, но надвор од Земјината атмосфера како би немало слабеење заради апсорпција или дифузија во атмосферата. Договорената стандардна вредност за соларната константа е Ео = 1367 W/m2. Сл.3 Инсолациска карта на светот

1.3 Геометриски однос помеѓу Сонцето и Земјата За проучување на можностите за енергетско искористување на Сончевото зрачење,

треба да сме запознаени со положбата на Сонцето во текот на целата година, односно под кој агол сончевите зраци паѓаат на Земјата.

Ротација на Земјата околу сопствената неподвижна оска која се простира од јужниот до северниот пол предизвикува промена на ден и ноќ, но должината на траењето на едно деноноќие го одредува движењето на Земјата околу Сонцето (Земјата прави 366, 26 кругови околу сопствената оска - 365,25 дена.). Сл.4 Ротација на Земјата околу неподвижна оска

Земјината екваторијална рамнина е наведната во однос на рамнината на својата патека околу Сонцето под агол од 23°5', а аголот под кој паѓаат сончевите зраци на Земјата е зависен од годишното време. Заради тој агол северната полутопка е летно време насочена кон Сонцето, а зимно време спротивно од него, што е причина за појава на годишните времиња. Сл.5 Земјина екваторијална рамнина во однос на рамнината на Сонцето

Земјата се движи околу Сонцето по елиптична патека (еклиптика) со многу мал ексцентрицитет (е=0,01673), така што оддалеченоста помеѓу Земјата и Сонцето се менува многу малку во текот на целата година. (Ексцентрицитетот се користи за опишување на патувањето на небеските тела, и во буквален превод значи отстапување од центарот – фокусот). Во перихел (точка од елиптичното патување на Земјата најблиска до фокусот), на почетокот на Јануари (3.Јануари) Земјата е за 1,67% поблиска до Сонцето, а во афел (точка од елиптичното патување најоддалечено од фокусот), на почетокот на Јуни (4.Јуни), Земјата е за 1,67% поодалечена од Сонцето.

Сл.6 Промена на должината на едно деноноќие во зависност од растојанието помеѓу Земјата и Сонцето

Рамнодневница или еквиниција во астрономијата е појава кога Земјината оска стои под прав агол во однос на рамнината во која Земјата се движи околу сонцето.

Заради ротацијата на Земјата, секојдневно сме сведоци на движењето на Сонцето по небото по патека која достигнува највисока точка околу средината на денот. Во многу ситуации е корисно да се знае да се предвиди позицијата на сонцето на небото во било кое време од денот, било ко ј ден од годината и на било ко ја локација. На пр имер , о д аспект на искористувањето на сончевата енергија, заради зафаќање на најголем дел од сончевото зрачење, за одредување на најдобра позиција и агол на поставување на сончевите колектори или фотонапонски модули и сл.

Деклинација (δ) е агол помеѓу линијата која оди о д средиштето на Земјата до средиштето на Сонцето и екваторијалната рамнина. Деклинацијата на Сонцето зависи од денот во годината и се менува од -23,5 О (21 Декември) до +23,5О (21 јуни). Сл.7 Промена на сезони на Северната хемисфера

Сл.8 Промена на сончевата деклинација δ во текот на годината

Од сликата може да се оцени која би била добра позиција за поставување на сончеви колектори. По правило, добри просечни годишни перформанси овозможува колектор насочен кон екваторот (за жителите на северната хемисфера тоа значи кон југ) и поставен под агол еднаков на локалната географска ширина. Се разбира, ако се бара поголема ефикасност во зимскиот период тој агол треба да се зголеми и обратно за летниот период.

1.4 Сончево зрачење на површината на земјата

Патот на Сончевите зраци низ атмосферата се опишува со помош на оптичка воздушна маса на зракот m и содржина на водена пареа. Сл.9 Дефиниција на оптичка воздушна маса

m=

должината на зрачењето низ атмосферата

должината на зрачењетокога Сонцето се наоѓа во зенитот=

1sin( )e

Сл.9а Дефиниција на оптичка воздушна маса

Оптичката воздушна маса претставува однос помеѓу должината на зрачењето низ атмосферата во одреден период во денот и должината на зрачењето кога Сонцето се наоѓа во зенитот (сл.9 и 9а): За Сончевото зрачење над Земјината атмосфера се зема дека оптичката воздушна маса е еднаква на нула, при што спектралната дистрибуција на тоа зрачење се означува со АМ 0. Доколку на надморска висина нула Сончевото зрачење паѓа вертикално на Земјата (α=0), оптичката воздушна маса се означува со m=1 а спектралната дистрибуција на енергијата на сончевото зрачење се означува со АМ 1. Кога сончевото зрачење зафаќа агол α=60 ,1о со нормалата на површината на Земјата, оптичката воздушна маса се означува со m=2 а спектралната дистрибуција на енергијата на сончевото зрачење се означува со АМ 2 и.т.н. Сл.10 Различни спектрални дистрибуции на зрачењето во зависност од упадниот агол

Во зависност од географската положба на даденото место и положбата на Сонцето, односно оптичката воздушна маса, можат да се најдат различни податоци за спектралната дистрибуција на енергијата на сончевото зрачење.Како нормирано приземно Сончево зрачење при фотонапонските мерења е АМ 1,5 дистрибуција на зрачењето по препорака на Европската Комисија (Comission of the European Communities). Тоа е зрачење кое доаѓа до површината на морето ако е аголот на висината на сонцето 41.8°, односно зенитниот агол е 48.2°. Сл.11 Моќност на сончевото зрачење во одреден период од денот во пролет, лето и зима

Сончевото зрачење кое стасува на површината на Земјата при различни временски периоди е прикажано на сликата.

1.5 Сончев дијаграм Најважен фактор кој треба да се зема во предвид при проектирање на пасивни сончеви

системи е движењето на Сонцето по небото во текот на денот преку целата година. Положбата на Сонцето на небото во секој момент може да се опише со два податоци,

висината на сонцето на небото (altitude) и сончев азимут (агол помеѓу проекцијата на Сончевиот зрак на хоризонтална плоча и насоката север-југ во хоризонтална рамнина; овој агол се зема за 0 кога Сонцето е на југ, позитивен према исток, а негативен према запад) Сл.12 Оптимален агол на фотонапонски модул, 1 Март на пладне

Сл.13 Одредување на позицијата на Сонцето со помош на аголот на висина (𝛃𝛃) и аголот на азимут (Φs)

Многу едноставен начин на прикажување на движењето на Сонцето по небото е

Сончевиот дијаграм, прикажан во цилиндричен или поларен координатен систем. Цилиндричниот Сончев дијаграм се прикажува во правоаголен координатен систем и

на него е претставено како би изгледало движењето на Сонцето на набљудувач кој е свртен точно кон југ. На овој дијаграм можат да се исвртаат контурите на околните предмети како би се предвидело како тие објекти ќе бидат изложени на Сонце во текот на годината - да се оцени ефектот на сенка кои тие објекти. Ова е по себно значајно кај фо тонапо нските системи ко и се по себно о сетливи на засенување. При одредување на позицијата на околните објекти може да се користи и едноставен прибор: агломер и висок за одредување на висината на објектот и компас за одредување на азимутот на објектот. При тоа треба да се земе предвид магнетната деклинација т.е. фактот дека магнетниот север се разликува од географскиот север. Тоа отстапување е различно, зависно од локацијата и годината.

1.6 Мерење на сончевото зрачење Вкупното (глобално) Сончево зрачење на рамна плоча од просторен агол 2π

стерадијани се состои од зрачење кое плоча рамно го прима од површината на Сончевиот диск и дифузното зрачење кое доаѓа од небото.

Со мерење на сончевото зрачење се занимава посебна гранка на метеорологијата позната под името актинометрија. За практично користење на сончевата енергија важни се податоците кои се однесуваат на траењето на зрачењето (инсолација) и енергијата на вкупното (глобално) и дифузно зрачење врз хоризонтална површина.

Инструмент кој го мери зрачењето од просторен агол од 2π стерадијани на плоча во браново подрачје од 0,3μm до 3,0μm е пиранометар. На идеално одбрана локација, инструментот не би требало да го регистрира зрачењето одбиено од тлото и околните предмети, нити да има препреки повеќе од 5° во подрачјето на излез и залез на Сонцето. Вкупните препреки не би смееле да го смалуваат видливото поле на инструментот повеќе од 0,5 стерадијани. Пирометрите можат да имаат термолектрични, фотоелектрични, пироелектрични или биметални елементи како сензори. Бидејќи се трајно изложени на атмосферските влијанија мора да бидат од цврста изведба и отпорни на корозивните влијанија на водата и влажните зраци. Применикот на зрачењето мора да биде херметички затворен или да има систем за одведување на кондензираната влага во куќиштето. Влагата обично се отстранува со помош на силиконски (силициум диоксид) гел кој е потребно редовно да се заменува. Силика гелот е многу хигроскопен материјал на кој обично се додава многу мала количина на кобалтен хлорид (0,5-1%) кој ја променува бојата од сина во розева кога ја упива влагата. Бојата на силика гелот може да се види преку проѕирен пластичен сад на инструментот и кога премине во розевкаст гел треба да се промени. Во последно време се јавува сомнеж дека кобалтот е канцероген, па се препорачува замена на синиот силика гел со алтернативен кобалт, пр. жолт или портокалов. Во употреба најчесто се користат термоелектричните пиранометри кои користат топлински детектори кои произведуваат напон на принципот на термоелектричен ефект во функција од упадното зрачење. Топлинскиот детектор е сместен под двослојна стаклена купола која го штити од продорот на влага и го смалува долгобраново зрачење од самиот инструмент, топлински го изолира и спречува негово ладење. Светската метеоролошка организација и Меѓународната организација за стандарди (ISO 9060:1990) дефинираат три класи на пиранометар. Најдобрата класа (секундарен стандард) се користи за прецизни метеоролошки мерења, инструментите од првата класа за редовни метеоролошки мерења, а втората класа за погонски мерења и пратење на фотонапонските и топлински сончеви системи.

1.6.1 Директно сончево зрачење Заради големата оддалеченост помеѓу Земјата и Сонцето може да се земе дека

Сончевото зрачење при влез во атмосферата се состои од сноп на паралелни електромагнетни бранови.

Најчесто се мери траењето на сјаењето на Сонцето од кое во недостаток на мерење на Сончевото зрачење може да се процени озраченоста.

При меѓудејството со плиновите и честиците во атмосферата, Сончевото зрачење може да се впие (апсорпција), одбие (рефлексија) или може помалку или повеќе да помине низ атмосферата (трансмисија). Вообичаен и наједноставен модел кој се користи за да се одреди директното зрачење на површина нормална на зраците, при чисто небо, е дадено со релацијата:

-kmIdir=A e⋅

Idir – директно сончево зрачење [W/m2]; k, A [W/m2] – коефициенти зависни од периодот во годината (добиени врз основа на емпириски податоци и мерења); m – оптичка воздушна маса

Мерењето на директното Сончево зрачење е едно од најсложените мерења во одредување на потенцијалот на енергијата од Сонцето. Директното Сончево зрачење се мери со пирхелиометар, инструмент кој се состои од термоелемент на дното од тесен цилиндар така што видливиот агол на инструментот изнесува само 5°, односно 0,005 стерадијани. Со таквата геометри се овозможува регистрација само на зрачењето кое доаѓа од тесниот??? Појас околу Сончевиот диск. Приемната површина на инструментите во секој момент мора да биде нормална на Сончевите зраци така да пирхелиометрите мора да го пратат Сонцето по небото со многу мала аголна грешка помала од 0,75° (Kipp & Zonnen) или 1,5° (Epply), што побарува сложен и прецизен механички состав за пратење на движењето на Сонцето. Таквите системи за двоосно пратење на Сонцето се за ред величина поскапи од самиот мерен инструмент. Измерените податоци е потребно да се нормализираат на средна оддалеченост на Земјата од Сонцето, а инструментот се калибрира према инструменти од висока класа, според стандардот ISO 9060:1990 Е.

1.6.2 Дифузно сончево зрачење Распрснувањето на зрачењето го предизвикуваат гасовите и честиците кои се

суспендирани во атмосферата. Кога Сончевата енергија на својот пат допре до молекули на гасовите и честиците, тоа ја побудува на вибрации и зрачење со што станува извоз на електромагнетно зрачење со специфична бранова должина. Примената енергија ја предава нееднакво во сите насоки, во зависност од својствата на гасот или честиците. Енергијата

повеќе не се шири во еден правец како пред да навлезе во атмосферата, туку на сите страни. Влијанието од распрснувањето е двојно. Од една страна се смалува јачината на директното зрачење од Сонцето, а од друга страна предизвикува дифузно зрачење на небото. Еден дел од Сончевото зрачење се враќа во меѓупланетарниот простор и тој е изгубен што се однесува на процесите во атмосферата. Побудената молекула или честица не емитира електромагнетна енергија со иста спектрална распределба на енергијата каква што е примила, туку се менува релативниот процент на поединечните бранови должини. При мали оптички растојанија на зрачењето, средина на ден, дифузното зрачење содржи најмногу краткобраново зрачење, давајќи му на небото сина боја. Со спуштањето на Сонцето, распрснувањето на краткобрановото зрачење се зголемува, тоа се повеќе слабее и неговиот процент во вкупното дифузно зрачење се смалува.При ниски агли на набљудување на Сонцето (при изгрејсонце и зајдисонце), синиот дел од спектарот потполно се апсорбира, па преостануваат само жолтото и црвеното зрачење. Апсорпцијата го ослабнува интензитетот само на поединечни бранови должини. љНаједноставен модел на дифузно зрачење претпоставува дека тоа доаѓа со еднаков интензитет од сите правци и се одредува како дел од директното зрачење:

dif , H dirI C I= ⋅

Idif,H – дифузно зрачење на хоризонтална површина [W/m2] C – фактор на дифузија чија вредност може да се одреди од релацијата:

360C 0,095 0,04sin[ (n 100)]365

= + −

n – ден во годината

Дифузното Сончево зрачење може да се мери со пиранометар, ако се засени Сончевиот диск така што до инструментот не може да дојде директното Сончево зрачење. Тоа може да се постигне на неколку начини. Најчесто за засенување се користи полукружна или кружна метална трака, ориентирана во насоката исток-запад така што го засенува Сончевиот диск од излезот до залезот на Сонцето со видлив агол на засенување, доволен да во потполност го блокира Сончевиот диск (на пр. 10,6° за Kip&Zonen CM 121B).

Траката е прекриена со слој црна боја со многу мала рефлективност како би се спречило одбивањето од неа. Со изведба на траката во U профил, може да се постигне константен виден агол во граници од ±2%. Како што се менува сончевата деклинација во

текот на годината, траката мора да се поместува на неколку дена (најчесто на два), што значи дека е потребно постојано присуство од квалификуван персонал.

Траката го засенува пиранометарот многу повеќе од што е потребно за блокирање на директното Сончево зрачење. Заради анизотропност на дифузното зрачење со максимална близина до Сончевиот диск, губитокот заради засенување на делот од небото може да биде значителен. Заради тоа е потребно да се пресмета корекционен фактор кој ги зема во предвид површината на небото која е засенета и износот на дифузниот зрак кој потекнува од тој дел на небото. 1.6.3 Рефлектирано Сончево зрачење

После поминувањето низ атмосферата, Сончевото зрачење се наоѓа на тлото или на водена површина (море, езера, реки). Зависно од својствата на подлогата поголем или помал дел од зрачењето ќе се одбие (рефлектира). Можни се три процеси на рефлексија: - Спекуларна рефлексија на рамни површини (во природа на мирни води) кога нерамноста на

површината е помала од брановата должина на Сончевото зрачење (0,4 до 2мм). - Ако е нерамноста на површината е споредлива со брановата должина на зрачењето, можна

е распрскувачка рефлексија која се состои од повеќе спекуларни рефлексии во сите елементарни рамнини од кои се состои површината.

- Волумна рефлексија се случува кога зрачењето продира низ површината и се одбива од различни слоеви под површината.

Вкупната рефлексија е збир од сите три наведени. Својството на подлогата да го одбива зрачењето може да се изрази со коефициентот

на рефлексија – албедо (рефлективност или релативна сјајност на Земјата). Албедото е однос на јачината на рефлектираното зрачење и вкупното упадно зрачење на набљудуваното тело, односно искажува колкав дел од вкупното примено зрачење се одбива од површината. Потполно бело тело би имало албедо 1, бидејќи потполно го одбива зрачењето, а потполно црно би имало албедо 0. Телата во природата имаат многу различен албедо. Вегетацијата има релативно низок албедо, бидејќи добар дел од зрачењето го апсорбираат билните пигменти (хлорофил, каротен, ксантофил). Влажните површини имаат помал албедо од сувите, заради помалиот индекс на рефракција на водата и самата апсорпција на вода на црвениот дел на спектарот. Заради тоа влажното тло е потемно од сувото. Заради својата структура која се состои од ретко распоредени мали кристали од мраз, која предизвикува многубројни рефлексии на контактот помеѓу мразот и зракот, свежиот снег е една од природните површини со најмал албедо. Се проценува Земјата вкупно има албедо 0,367. Одбиеното (рефлектираното) Сончево зрачење според препораките на WMO се мери на висини од 1-2м, по можност над покосени тревнести површини. За подрачјата каде зимно време се задржува снег, потребно е на инструментот да се вгради механизам кој регулира еднаква оддалеченост од површината без одглед на висината на снегот. Самиот носач на инструментот не смее да влијае на мерењето и треба да биде поставен на северната страна на инструментот. Пиранометарот за мерење на одбиеното зрачење треба да има посебно конструирана заштитна маска која спречува куполата на пиранометарот да ја зафаќа Сонце на излезот и залезот. Исто така е потребно да се вгради заштитна маска над целиот инструмент за да се спречи негово претераното загревање. Точните мерења на одбиеното зрачење се многу важни за проценка на ожареноста на закосена плоча. Често, наместо мерење на одбиеното зрачење, се мери албедото, однос на вкупното зрачење кое паѓа на плоча и зрачењето кое таа плоча го одбива. Инструмент кој го мери абедото, албедометар, се состои од два пиранометри. Горниот пиранометар го мери вкупното Сончево зрачење а долниот го мери Сончевото зрачење одбиено од тлото. Иако е во литературата нагласена важноста на употребата на измереното албедо за секоја локација, сепак тоа ретко

се мери. Вредноста 0,2 на албедото е во најширока употреба кога не се располага со неговата измерена вредност

Рефлектирано зрачење врз колектор поставен под агол α се одредува (како и кај дифузното зрачење) од релацијата:

ref , C dir1 cosI I (sin C)( )

2αρ β −= +

1.7 Траење на сончевото зрачење

Поимот “сјаење на Сонцето” дефинира ситуација кога Сончевиот диск ги осветлува предметите поснажно од дифузното зрачење од небото, односно се појавуваат сенки позади осветлените објекти. Поимот е повеќе поврзан со видливо светло тело одошто со фреквенции од Сончевото зрачење. WMO дефинира сјаење на Сонцето како период во кој интензитетот на Сончевото зрачење е поголемо од 120 W/m2. Траењето на сјаењето на Сонцето или осветленост се мери во саати.

Во пракса поимот првично е дефиниран со регистрирање на Campbell-Stokesovom хелиограф, инструмент кој сјаењето на Сонцето го регистрира преку посебна трака сместана позади стаклена леќа која зракот го концентрира на трака која мора да се менува секој ден. Campbell-Stokesovom хелиограф е можеби најстариот инструмент кој до денешни денови сеуште е задржан во редевните метеоролошки мерења (воведен во метеоролошката служба е од 1880 година), а според некои, претставува најубавиот инструмент.

Штоксовиот инструмент користи стаклена топка од висококвалитетно стакло сместено во средината на метално лежиште кое може да се прилагодува според географската ширина. Хартиена трака се става позади куглата во насока исток-запад така што Сончевото зрачење се концентрира преку куглата и ја подгорува траката преку топлинско делување. На траката се означени саатите па е можно да се востанови кога и колку Сонцето сјаело. Траката треба да се менува секој ден и обично е различна за лето, зима и пролет (есен). За да траката почне да регистрира потребен е одреден интензитет на Сончевото зрачење, зависно од инструментот помеѓу 80 и 280 W/m2. Ако е траката влажна (што е честа ситуација во зима) мора претходно да се исуши, за што е потребно одредена количина топлина, што значи, влажна трака почнува покасно да регистрира. Краевите на металната школка ја затскриваат спротивната трака на одредено време (при излез и залез на сонце). Најважна предност на овој инструмент - можноста за работа без потреба од електрична енергија, не е пресудна поради достапноста на електричното напојување. За точно отчитување на мерењата е потребна визуелна проценка на искусна личност. Самата конструкција не овозможува автоматизирано прибирање на податоци па Светската Метеоролошка Организација препорачува напуштање на мерењето на траењето на сјаењето на сонцето со Campbell-Stokesovim хелиограмот.

2. Конверзија на сончевото зрачење Сончевата енергија која доспева на Земјата претставува електромагнетно зрачење

кое може да се претвори во други форми на енергија: топлинска, хемиска, механичка, електрична.

Основни принципи на директно искористување на енергијата на Сонцето се: - Соларни колектори (претварање на сончевата енергија во топлина) - Фотонапонски ќелии (директно претварање на сончевата енергија во електрична

енергија) - Фокусирање на сончевата енергија (за употреба во големи енергетски постројки)

2.1 Топлинска конверзија на сончевото зрачење За сега, најуспешно е претварањето на сончевата енергија во топлинска енергија.

При тоа, можат да се постигнат температури и до 3500 0С. Меѓутоа, за секојдневна употреба и во многу индустриски процеси, најголема примена наоѓаат уредите кои работаат на температури под 100 0С.

Претварањето на сончевата енергија во топлина е едноставен физички процес: зрачењето директно се апсорбира во разни материјали, при што апсорбираната енергија во најголем дел се претвора во кинетичка енергија на електроните и во вибрации на атомите на материјалот од кој е направен апсорберот, а тоа се манифестира како негово загревање. Уредите во кои се врши апсорбирање и трансформирање на сончевото зрачење во топлина, се нарекуваат сончеви колектори на сончева енергија. Според конструкцијата и начинот на функционирање, се разликуваат рамни и фокусирачки сончеви колектори. Рамните сончеви колектори го собираат глобалното (директното и дифузното) сончево зрачење и го трансформираат во топлина со температура до 100 0С, додека фокусирачките, со помош на оптички систем, го концентрираат само директното сончево зрачење. Кај нив можат да се постигнат температури и до 3000 0С.

Кога сончевото зрачење ќе падне на некој апсорбер, еден дел ќе се апсорбира, а друг ќе се рефлектира како што е прикажано на сл. 2.15:

Сл. Апсорпција и рефлекција на сончевото зрачење: 1-сончево зрачење, 2-апсорбирано зрачење, 3-рефлектирано зрачење, 4-апсорбер

Коефициент на апсорпција α претставува однос помеѓу апсорбираната енергија ( Ia ) и енергијата на сончевото зрачење кое паѓа на апсорберот ( I ):

IaI

α =

Коефициент на рефлексија е однос помеѓу енергија рефлектирана од апсорберот ( Ir ) и енергијата на сончевото зрачење кое паѓа на апсорберот ( I ):

IrI

ρ =

2.1.1 Селективни прекривки Како што е кажано погоре, сончевиот спектар се наоѓа претежно во видливата

о бласт, со бр ано ви до лжини по мали о д еден микр о метар . Ко лекто р ите на со нчева енергија работаат на температури помали од 200 0С што значи дека спектар о т на нивното зрачење е во инфрацрвената област и не се совпаѓа со сончевото. Врз таа околност базира идејата за изработка на апсорбери чија површина има селективни својства во поглед на апсорпцијата и емисијата. Имено, со погодна постапка може да се формира површина која во областите на сончевиот спектар има висок (α > 0,90), а во инфрацрвената област има низок коефициент на апсорпција. На тој начин може да се подобри ефикасноста на колекторот и до 30%. Спектрална селективност може да се постигне со различни технолошки постапки. Тука се наведени неколку: 1. Структурни апсорбери

Структурни апсорбери се образуваат со правилна обработка на површината на металот во облик на V вдлабнатини чии димензии се помали од брановата должина на упадното зрачење. Едноставен начин за формирање на вакви апсорбери е обработка на полирани алуминиумски или бакарни лимови со помош на погодни абразивни средства. Сличен ефект може да се постигне со хемиско нагризување на површината на металот. Структурно селективни апсорбери ретко се користат самостојно, а најчесто служат како основа врз која се нанесува некоја друга спектрално селективна преслека. 2. Селективни бои

Спектрално селективни бои се состојат од органски врзивен материјал (смоли) и спектрално селективни пигменти. Недостатоци на ваквите бои се нивната мала механичка отпорност, нестабилност на атмосферски влијанија и апсорпцијата на инфрацрвеното зрачење од страна на врзивниот материјал. Предности се едноставно производство и можност за нанесување на големи површини. 3. Оксиди на метал

Во о ваа група спаѓаа т цр ни о ксиди на метали ко и до бр о го апсо р бир аат со нчево то зр ачење и имаат мал ко ефициент на емисија. Цр ни о ксиди со до бри селективни својства можат да се добијат со термичка оксидација на металот, хемиско нагризување на површината, електрохемиска обработка на површината на металот и т.н. 4. Елек

Тука спаѓаат преслеки кои по електрохеми трохемиски пат се нанесуваат на метална основа. Галвански нанесени преслеки од црн никел, хром и бакар спаѓаат во групата на најстабилни и најшироко користени спектрално селективни наноси за топлинска конверзија на сончевото зрачење. Коефициентот на апсорпција им е α = 0,85 - 0,95 , а коефициентот на емисија ε = 0,1 - 0,15. 2.1.2 Рамни колектори

За нискотемпературна конверзија на сончево зрачење (t < 100 C) се користат рамни ко лекто р и ко и го ко р истат и дир ектно то и дифузно то со нчево зр ачење. Рамните сончеви колектори се наједноставни, неподвижни уреди со помош на кои глобалното зрачење може да се апсорбира и претвори во топлина. Во зависност од работниот флуид, рамните колектори се делат на колектори со течност и колектори со воздух.

2.1.2.1 Колектори без концентрирање на сончевото зрачење

Трансформацијата на сончевото зрачење во топлинската енергија (загреана течност, или загреан воздух) без концентрација на сончевото зрачење, се врши во рамни сончеви колектори..

Течности кои, како флуиди за трансфер на енергијата, најмногу се користат кај рамните колектори се: вода, смеса на антифриз, или на различни јагледоводородни и силиконски термички масла.

Рамните колектори се најпогодни за примена онаму каде што се работи со ниски температури, како што е подготовка на топла вода за санитарни потреби и греење. Тие го апсорбираат како директното, така и дифузното зрачење. Во текот на сончев ден дифузното зрачење учествува со околу 10%, а во облачен ден 100% од вкупно апсорбираната топлина во колекторот. Бидејќи нема потреба да го пратат Сонцето, цената на чинење и трошоците за одржување се минимални. Правилно конструиран и прописно изработен рамен сончев колектор има работен век од 10 до 25 години, па дури и повеќе. Колекторите изработени од бакар и стакло имаат нешто подолг работен век. Со користење на омекната вода, работниот век се продолжува.

Рамниот сончев колектор се состои од следниве делови: - Тело на колекторот - Провидна покривка (ги пропушта сончевите зраци), - Апсорбер (апсорпциона плоча која ја впива топлината), - Изолација (за заштита од губење на топлината), - Цевки, или канали за транспорт на флуидот (течност или воздух)

Тело на колектор. Телото на колекторот служи за: - Сместување на елементите од колекторот, - Заштита на апсорберот и изолацијата од атмосферските влијанија, - Намалување на загубите на топлина од апсорберот со конвекција и кондукција.

Телото на сончевиот колектор може да се изработи од метал, или од пластични материјали. Покрај металите, како што се челик, алуминиум, манган и др. за изработка на телото од колекторот може да се користи и поцинкувана ламарина, фибер-стакло, високотемпературни термопластични материјали и дрво. Бидејќи дрвото е запаливо и брзо се распаѓа, се препорачува да не се користи за изработка на телото од колекторот. Телото на колекторот може да се вгради во кровната инструкција или на ѕидот, со што ќе се намалува нивната цена. Телото од сончевиот колектор мора да обезбеди добро затнување (за да се заштити колекторот од влага и други загадувачи), правилно сместување на сите делови, посебно на: апсорберот, провидната покривка и изолацијата. Делот под апсорберот (дното) и бочните страни на колекторот, топлински се изолираат. Провидна покривка. Провидната покривка има две основни задачи: во сончевиот колектор да создаде ефект на стаклена градина и да го заштити апсорберот од непосреден контакт со атмосферскиот воздух. Покрај овие две основни задачи, провидната покривка на сончевиот колектор треба да го штити апсорберот од: прашина, атмосферски падавини и други атмосферски влијанија. Тоа значи дека таа треба да биде издржлива на механички и топлински оптоварувања, но треба да биде и хемиски постојана. За провидна покривка на колекторите можат да се користат повеќе видови материјали. Горе наведените услови најдобро ги задоволуваат стаклените плочи и пластичните фолии изработени од смеса на стаклени влакна и разни видови полимери. Повеќето пластични материјали го спроведуваат сончевото зрачење исто како и стаклото. Затоа од пластичните фолии треба да се бираат оние кои треба да ги задоволуваат условите за трансмисија на светлоста и да имаат постојана боја во текот на подолг период на користење. (Пластичните материјали иако се отпорни на механички оштетувања, под дејство на ултравиолетотвото сончево зрачење се деградираат. Затоа нивната примена е ограничена до температури, кои нема да предизвикуваат сериозни деформации. Најчеста деформација на пластичната фолија е рамната површина да постане брановидна.) Иако стаклото овозможува низ него да помине најголемиот дел од сончевите зраци, треба да се има во предвид дека истото рефлектира околу 10-15% од пристигнатите сончеви зраци. Покривката може да биде изработена и со двослојно застаклување, но со тоа се зголемува рефлексијата, односно низ ваква покривка минува помало сончево зрачење. На количината на сончевото зрачење што минува низ стаклената покривка, влијание има и дебелината на стаклото (низ стаклена плоча од 3мм минува 85%, а од 6мм само 81% од пристигнатото сончево зрачење). Се препорачува дебелината на стаклото да изнесува (3,2-6,4)мм. Бројот на

покривките се бира во зависност од: типот на апсорпционата плоча, цената и микроклимата на местото во кое треба да се постави колекторот. Одлучувачки фактор за изборот на бројот на прекривки (од 1-3 па и повеќе) има температурната разлика помеѓу апсорберот и околината. Поголемиот број на покривки ги намалува загубите на топлина и овозможува апсорберот да работи со повисока температура, но со тоа се смалува и вкупната пропустливост на сончевото зрачење. Најчесто колекторите се изработуваат со една, или со две прекривки. Ако се користат во посеверни региони, каде надворешни температури во текот на зимата се релативно ниски, се препорачува да се користат колектори со две, па и со три прекривки. Апсорбер. Тоа е најважниот и најосетлив дел од сончевиот колектор, бидејќи од него главно зависи ефикасноста на колекторот. Треба да апсорбира што е можно поголема енергија од сончевото зрачење, да губи што е можно помала енергија кон околината и да ја предава топлината на флуидот за трансфер на енергијата ( треба да бидат спектрално селективни т.е да имаат α > 0,9 , ε < 0,2), ако се има во предвид дека апсорберот во исто време е и изменувач на топплина (топлинска енергија примена од Сонцето се предава на флуидот за транспорт, кој ја носи до потрошувачот, или акумулаторот на топлина со цел истата подоцна да се користи) Основни карактеристики кои еден апсорбер треба да ги поседува се:

- Висока способност за апсорпција на краткобраново зрачење и лоши карактеристики за емитирање на долгобраново зрачење,

- Структурата на материјалот да е способна да поднесе температурни промени над 100oC,

- Да се изработи од материјал (најчесто метал) со висока термичка спроводливост кон флуидот за трансфер на топлината,

- Материјалот да е отпорен на корозија кон флуидот за трансфер на топлина. - Конструкцијата на каналите за струење на флуидот за транспорт на топлината, како

што е обликот, бројот и начинот на кој истите се споени со апсорберот, - Конструкцијата на приклучните цевки за довод и одвод на флуидот за трансфер на

топлина и др. Најчесто се изработуваат од бакар, алуминиум, челик, манган и специјални видови на пластични материјали. Постојат можности за разни комбинации на овие материјали, на пример: плоча од бакар со алуминиумски цевки, и обратно. Апсорберите со бакарни цевки имаат добра спроводливост на топлина и се долготрајни во експлоатацијата, но се поскапи. Кај алуминиумските апсорбери постои опасност од корозија, посебно во проморските места, каде во воздухот има пристуство на сол. Челичниот апсорбер е поевтин, но има помала спроводливост на топлина од Барот и Алуминиумот и може лесно да кородира. Површината на апсорберот изложена на Сонце, се премачкува со специјален т.н. селективен слој. Најчесто се користи црна боја, која добро го апсорбира високофреквентното сончево зрачење (скоро 95%), а лошо го емитува ниско фреквентното инфрацрвено зрачење. Со тоа се смалува загубата на топлина поради рефлексија и дифузија на светлината и се зголемува способноста за апсорпција на површината. Способноста за апсорпција на сончевото зрачење треба да биде >0,9 а способноста за емитирање <0,1. Слојот на боја треба да биде што потенок, бидејќи бојата е изолатор и лош спроводник на топлина. Со цел да се зголеми векот на експлоатација на колекторот, црната боја мора да биде отпорна на температури до 160Ц. Апсорберите премачкани со црна боја се нарекуваат и апсорбери со неселективен слој. Постојат апсорбери и со селективен слој. Кај таквите апсорбери површината изложена на сончево зрачење се покрива со специјален слој од: галванизиран црн никел, црн хром, бакарен оксид или анодизиран алуминиум. Селективниот слој на апсорберот се нанесува со електролиза. Апсорбер со селективен слој добро го апсорбира краткобрановото зрачење од видливиот дел на сончевиот спектар, а лошо го емитира долгобрановото инфрацрвено зрачење. Сончевиот колектор со ваков апсорбер има мали загуби на топлина од зрачење на апсорберот, бидејќи тој повеќе апсорбира отколку што емитира топлинска енергија. Од 100% сончево зрачење што ќе го прими, селективниот слој од црн никел (никел-цинков сулфид)

апсорбира околу 95% од инфрацрвеното зрачење, а одбива само околку 5%. Затоа, во последно време кај сончевите колектори с, а лошо го емитира долгобрановото инфрацрвено зрачење. Сончевиот колектор со ваков апсорбер има мали загуби на топлина од зрачење на апсорберот, бидејќи тој повеќе апсорбира отколку што емитира топлинска енергија. Од 100% сончево зрачење што ќе го прими, селективниот слој од црн никел (никел-цинков сулфид) апсорбира околу 95% од инфрацрвеното зрачење, а одбива само околку 5%. Затоа, во последно време кај сончевите колектори се повеќе се користи селективен слој. Недостаток е и тоа што се уште е доста скап и недоволно испитан на издржливост на топлински и механички оптоварувања и на влага.

Изолација. Топлината секогаш се пренесува од потопло на поладно тело (закон за темодинамика). Изолацијата има задача да го спречи, или намали пренесувањето на топлината. Бидејќи изолацијата го спречува пренесувањето на топлината од внатрешноста на колекторот кон надворешноста, каде температурата е пониска, таа претставува многу важен елемент од секој сончев колектор. Како материлај за топлинска изолација кај колекторот најчесто се користи стаклена волна. На задната и бочните страни од колекторот доволен е слој од стаклена волна со дебелина од 5-10 цм. Како изолација често се користат и стиропорот, полиуретанот и други синтетички полиуретани кои се отпорни на влажност, лесно се сечат, но недостаток е што на 100Ц се топат. Во практиката најдобри резултати се постигнале со комбинација на слој од стаклена волна и слој од полиуретан. Слојот од стаклена волна се става над слојот од полиуретанот, бидејќи стаклената волна го штити полиуретанот од топлина, а полиуретанот стаклената волна од влажност. Во секој случај материјалот за топлинска изолација кај колекторите треба да биде: незапалив на температури и до 300Ц, да има низок коефициент на термичка спроводливост, да не се топи или испушта токсични гасови и при температури од 150-205Ц да е еколошки подобен и да содржи рефлективна површина која ќе ја рефлектира загубата на енергијата со зрачењето назад кон апсорберот. Канали и цевки. Со цел што поефикасно предавање на примената топлина на флуидот за трансфер (топлина) на енергијата, апсорберот треба да има што подобра спроводливост на топлина и да биде во непосреден контакт со флуидот. Постојат разни профили на метални цевки вградени во рамната плоча на апсорберот со заварување, или вметнати во профилираните лежишта на плочата, профили на црни цевки во вид на заварена плоча и

профилирани плочи од пластичен материјал. Целта е површината со која се допираат цевките кои го транспортираат флуидот и плочата на апсорберот да биде што поголема. Кај колекторите со вода како флуид за транспорт на топлина, особено е важна спроводливоста на топлина на материјалот од кој се изработени каналите, или цевките и апсорберот. Од тие причини многу важна е врската меѓу цевката, или каналот со апсорберот. Со цел да се намали падот на притисокот, а со тоа да се зголеми и работниот век, цевките треба да бидат со дијаметар минимум NO15, или нешто поголем. За да се зголеми трансферот на топлина подобро е цевките да се прилепат за апсорберот, но тоа ја зголемува цената на производство. Постојат разни конструкции на рамни сончеви колектори наменети за загревање на вода и воздух. Кај сите нив основно е да се апсорбира што поголема топлинска енергија, што помалку топлина да се загуби кон околината, односно што повеќе енергија да се предаде на флуидот за трансфер на топлина. Флуид за трансфер на топлина. Изборот на видот на флуидот е многу значаен бидејќи од него зависи векот на траење на колекторот. Изборот на флудиот е тесно поврзан со типот на сончевиот систем, изборот на компонентите, одржувањето и повеќе други фактори. Во принцип мора да биде: безбоен, високо диелектричен, нереактивен, некорозивен, незапалив, нетоксичен, отпорен на високи температури и да има подолг век на користење. Флуидот за трансфер за топлина кај колекторите може да биде во течна или гасна агрегатна состојба. Флуидите во течна агрегатна состојба можат да се поделат во две групи и тоа: без вода и со вода. Силиконските и јаглероводородните масла се карактеристични претставвници на групата на работни флуиди без вода, додека групата на флуиди за трансфер на топлината со вода ја сочинуваат: водата за пиење, дестилираната вода, и смеса на вода и гликол. Од флуидите во гасна агрегатна состојба најчесто се користи воздухот. Најефтин, многу често применувам и термички ефикасен течен работен флуид е водата и покрај тоа што таа смрзнува и предизвикува корозија. Дестилираната вода се препорачува да се користи во колекторите со затворен цирклулационен круг, бидејќи со тоа се избегнуваат некои од проблемите кои ги создава необработената вода за пиење, но проблемот со смрзнување и вриење на водата останува да се решава. Ако постои опасност од смрзнување, поради што водата не може да се примени, како флуид за трансфер на топлината се користат: термичкото масло, разни видови на антифризи и др., но треба да се нагласи дека тогаш треба да се вгради изменувач на топлина. Ефикасноста на ваков систем, во споредба со систем со вода како работен флуид, се намалува за 10-25%. Силиконските флуиди за трансфер на топлина имаат повеќе позитивни карактеристики, кои ги прават најпогодни како работни флуиди. Тие не мрзнат, не вријат и не се деградираат, не вршат корозија на металите, па дури ни на Al. Имаат добра термичка стабилност и до 205Ц, не се токсични и имаат висока температура на запалување. Иако точката на палење им е околу 233Ц, тие најчесто се користат за температури до 177Ц. Бидејќи силиконските флуиди не формираат талог, перформансите на системот не се менуваат со текот на времето. Голем недостаток кај нив е цената, која се движи околу 4-7 € / l. Кога како флуид за транспорт на топлината од сончевиот колектор кон корисникот на топлина се користи воздух, движењето на воздухот може да биде по природен пат (под дејство на гравитација) или по принуден пат (со помош на вентилатор). Ако работниот флуид е течност, движењето на течноста се остварува исто така по природен или вештачки пат со помош на циркулациона пумпа. Кога се користат пумпи за движење на течноста, или вентилатори за движење на воздухот, колекторите се нарекуваат активни загревачи. Ако загреаниот воздух или вода од колекторот кон корисникот се движи по природен пат, без пумпи и вентилатори, таквите загревачи се нарекуваат пасивни. Колекторите со рамна површина наоѓаат најголема примена за загревање на вода за санитарни потреби и базени за пливање и вода или воздух за греење на домовите за живеење. Во зависност од тоа дали рамната површина свртена кон Сонцето е покриена со провидна покривка или е без покривка, истите се делат на колектори:

- Со провидна покривка - Без провидна покривка.

Провидната покривка треба да биде изработена од материјал кој ја пропушта сончевата светлина, како што е стаклото или пластиката. Колектори со рамна провидна покривка Рамниот колектор со провидна покривка претставува обична изолирана метална кутија, кај која покривката е изработена од стакло, или пластика и во која е сместена една црно обоена апсорпциона плоча. Провидната покривка треба да биде транспарентна, или прозрачна. Со цел да се намалат загубите на топлина, страните и задниот дел на колекторот, изработени од метална ламарина, се изолираат. Апсорпционата плоча обично е црна, бидејќи црната боја апсорбира повеќе сончева енергија од останатите посветли бои. Сончевите зраци поминуваат низ провидната покривка и паѓаат на апсорпционата плоча, која се загрева, трансформирајќи го сончевото зрачење во топлинска енергија. Топлината се предава на течноста, или воздухот кој минува низ колекторот. Апсорпционите плочи обично се покриени со селективни прекривки, кои подобро го задржуваат апсорбираното сончево зрачење и се подолготрајни од обичната црна боја. Апсорпционите плочи се направени од метал, најчесто бакар или алуминиум, бидејќи тие добро ја спроведуваат топлината. Бакарот е многу поскап, но тој подобро ја спроведува топлината и помалку е подложен на корозија од алуминиумот. Колекторите со провидна рамна покривка

- Течност се делат во две основни групи и тоа со:

- Воздух. Разни изведби постојат, а во продолжени се наброени пооделните видови:

- Колектори со рамна провидна покривка и течност како флуид за трансфер на топлина Овие колектори се практични за загревање на санитарна топла вода, бидејќи обично потребната површина на колекторот е помала во однос на колекторите наменети за загревање на воздух.

o Колектори со рамна провидна покривка со цевки за течност o Колектори со рамна провидна покривка, со апсорпциона плоча со канали за

течност o Колектори со рамна провидна плоча со вакумирани цевки o Колектори со бакарни цевки како апсорбер и акумулатор o Колектори со рамна провидна покривка со резервоар за вода

- Колектори со рамна провидна покривка и воздух како флуид за трансфер на

топлина

- Течност

Колектори без привидна покривка Рамните колектори без провидна покривка најчесто се користат за загревање на вода за базени за пливање и предгревање на воздух за системите за вентилација и централно воздушно греење. Овие колектори обезбедуваат ниска температура на флуидот што се загрева. се делат во две основни групи и тоа со:

- Воздух. Во продолжени се наброени пооделните видови:

- Рамни колектори без провидна покривка со течност o Рамни колектори без провидна покривка со течност, изработени од полимерни

материјали o Колектори со вакуумирани цевки со директно струење на течноста во нив

o Колектори со вакуумирани топлински цевки - Рамни колектори без провидна покривка со воздух

Колектори со воздух Во здушните ко лекто р и се р азликуваат по својата конструкција од колекторите со течност: во просторот помеѓу задната страна на апсорберот и куќиштето струи воздух ко ј се загр ева во до пир со апсо р бер о т. Пр инудна цир кулација на во здухо т во колекторскиот систем се одржува со помош на вентилатор. Кај во здушните ко лекто р и не по сто и мо жно ст за мр знење на р або тнио т флуид, поедноставни се и поевтини од оние со течност. Се користат за загревање на простории со топол воздух, кај сушари за сушење на лековити билки, тутун и др. Коефициентот на корисно дејство на рамен колектор изнесува:

Fr - фактор кој ја зема предвид ефикасноста при пренесувањето на топлината од апсорберот на работниот флуид. α коефициентот на апсорпција на апсорберот τ коефициентот на трансмисија на предниот покривач на колекторот kL заеднички коефициент за сите топлинските загуби кои настануваат заради кондукција, конвекција и зрачење. Тi температурата на флуидот Т0 температурата на околината

2.1.3 Колектори со концентрирање на сончевото зрачење Со зголемување на густината на сончевото зрачење, што се постигнува со негово концентрирање, на местото на користење може да се добие топлинска енергија со температури до 2000Ц и повисоки. Сончевото зрачење може да се концентрира на повеќе начини со различни оптички уреди. Оптичките средства можат да се поделат во две групи, и тоа: огледала и леќи. Огледалата можат да бидат рамни (плоча), или да имаат закривени површини. Закривената површина може да биде во облик на: сфера, елипса, парабола и параболично корито. Со соодветно поставување на рамните огледала, сончевите зраци можат да се концентрираат на еден приемник-апсорбер и на тој начин да се добие топлинска енергија со висока температура.

2.1.4 Видови на пренос на топлина Начини на пренос на топлината, кои се важни при моделирањето и анализата на соларните колектори и системи.

ПРЕНОС НА ТОПЛИНА

ПРОВЕДУВАЊЕ (КОНДУКЦИЈА)

СТРУЕЊЕ (КОНВЕКЦИЈА)

ЗРАЧЕЊЕ (РАДИЈАЦИЈА)

ПРИРОДНО ПРИНУДНО

Кондукција (проведување) е начин на пренос на топлина преку тело, каде соседните атоми ја предаваат топлината (вибрираат) еден на друг. На тој начин топлината се пренесува преку цврсти тела кои се меѓусебно во контакт (допир), а температурата им е различна, односно, преку цврсто тело чии делови имаат различна температура (нема пренос на топлина во внатрешноста на тела со константна температура). Конвекција (струење) опишува пренос на топлина која се случува при пренос на група на молекули (кои имаат одредена температура) во внатрешноста на медиумот. Со загревање на флуидот (гасот) тој се искачува на горе, а постудениот флуид (гас) паѓа надолу. Тој начин на пренос на топлина е изразен кај флуидите и гасовите. Разликуваме природна и присилна конвекција ( и комбинација). Радијација (зрачење) опишува пренос на топлина која се случува со емитирање и впивање на електромагнетни бранови. Сите тела на температура поголема од апсолутна нула (0К) емитираат електромагнетно зрачење. За разлика од претходните два начини на пренос на топлина, кај овој не е потребен медиум (што значи дека се одвива и во вакуум)

2.1.5 Складирање на енеријата Соларната енергија е временски зависен енергетски ресурс. Складирањето на

енергијата , мора да биде разгледано имајќи го во предвид целокупниот процес на системот, во кој најважни компененти се: соларниот колектор, уредите за складирање на енергијата, уредите за конверзија, потрошувачката, дополнителните енергетски напојувања и контролните системи.

Резервоарите кај сончевите системи имаат улога на батерија, која го одвојува доведувањето на топлина од сончевото зрачење од потрошувачката на топлинска енергија. Временскиот период на складирање варира од неколку часови, денови или во случај на сезонско складирање и месеци, а многу зависи од начинот на користење на топлинската енергија и саканата сончева фракција, односно учество. Целта е да се складира расположливата сончева енергија колку што е можно повеќе,за да има за време на периодите кога има ниски топлински потреби или воопшто ги нема, а потоа складираната енергија треба колку што е можно поефикасно да се донесе до потрошувачот. Барањата кои треба да ги исполнува сончевиот резервоар за складирање на топлинска енергија се:

• Висок топлински капацитет на медиумот за складирање топлина; • Добра топлинска ефикасност (мала површина на резервоарот и добра

изолација); • Добро топлинско раслојување на медиумот во резервоарот; • Пожелен животен век од 25 години (или повеќе) на целиот систем; • Ниска цена и добра расположливост; • Резервоарот и медиумот за складирање мораат да бидат во согласност со

еколошката средина и хигиенски барања (за питката вода); • Системот треба добро да го поднесува очекуваниот опсег на притисоци и

температури; Системите за складирање на соларната енергија можат да се класифицираат на

следниот начин:

Директно складирање на топлината

Системите за директно складирање на топлината или т.н чувствително складирање на топлината го користат топлинскиот капацитет и промената на температурата на материјалот за време на процесот на полнење и празнење. Температурата на акумулирачкиот материјал расте кога енергијата се апсорбира и опаѓа кога се предава енергијата.

Складирање на топлината во течности Системи за складирање во хомогени течности Затоплување на просторот и затоплување на вода

Складирање на топлината во цврсти тела Складирање на топлината во корито со камчиња (Пацкед-бед Стораге) Земјен колектор

• Цврсто тело - гас;

Латентна топлина

Материјалите кои може да ја менуваат агрегатната состојба имаат голема густина на складирана топлинска енергија, споредено со материјалите кои чувствително ја складираат топлината. Овие материјали се способни да апсорбираат или ослободуваат големо количество на енергија (“латентна топлина “) при константна температура, преку промена на агрегатната состојба.

Можни се следниве промени на агрегатна состојба:

• Течност - гас; • Цврсто тело - цврсто тело;

Премините цврсто тело -гас и течност - гас воглавно не се користат за складирање на енергијата, бидејќи гасот завзема голем волумен. Во цврсто тело -цврсто тело премините, топлината се складира така што материјалот ја менува својата кристална структура. Иако најмногу премини имаат мала латентна топлина и имаат мали промени на волуменот, некои промени предизвикуваат големи промени во ентропијата, како оние кои што имаат голема дезориентација и личат на течности. Ваквите материјали кои ја променуваат агрегатната состојба (ПЦМ) имаат предност и поради минималните просторни барања.

Системите за складирање со латентна топлина се поскапи од материјалите за чувствително складирање на топлината, како што се водата и камењата. ПЦМ претрпуваат преминување во цврсто тело и генерално неможат да бидат користени како медиум за пренос на топлината до соларните колектори или до потрошувачите.

Складирање на топлинска енергија

Во вид на хемиска енергија

Директно складирање

Како латентна топлина

Флуид Цврсто тело

Флуид – цврсто тело

Флу

ид -

гас

Цврсто тело – цврсто тело

Сезонско складирање

• Складирање или еднотермен процес во кој енергијата се апсорбира и се претвора во хемиска, добивајќи притоа повеќе енергетски видови во кои може да се складира;

Хемиско складирање

При хемиското складирање на топлината енергијата се складира во облик на топлина со користење на хемиски реакции, кои честопати се со поголем интензитет од складирањето со латентна топлина.

Природата ја складира сончевата енергија со користење на хемиските реакции во фотосинтезата. Хемиското складирање на енергијата се врши во два чекори:

• Трошење или егзотермен процесс во кој реакцијата е повратна и дава термичка енергија, при што го регенерира почетниот материјал;

Најприменува неоргански соединенија кои се користат во присуство на воздухот се: • Хидроген; • Амонијак ;

2.1.6 Активно и пасивно греење на вода

Сезонско складирање на енергијата

Сезонските резервоари за складирање апсорбираат големи колечества на топлина во текот на летото, која се ослободува кога е потребна во текот на грејниот период. За таа цел потребни се многу големи волумени. Затоа најчесто овие системи се закопуваат под земјата бидејќи нема друг можен начин за да се добие потребниот капацитет. Големите сезонски резервоари можат да се интегрираат и во градбата

Принципите на загревање на топла санитарна вода се добро познати и разработени во системите за загревање вода со електрична енергија и во Македонија се сé повеќе применливи. Основните елементи на соларните затоплувачи на вода можат да бидат комбинирани во повеќе различни конфигурации. Во зависност од конструкцијата системите можат да директни (отворени, проточни) или индиректни (затворени, циркулациони). Директните уште се нарекуваат и пасивни или системи со природна циркулација на флуидот. Работи врз принцип на искористување на разликата во густините помеѓу ладна и загреана течност и делувањето на гравитацијата. Од колекторот, загреаниот флуид заради помалата густина (и релативна маса) се подига нагоре кон резервоарот, каде и ја предава топлината на водата која тече во одвоен циркулационен круг од водоводна мрежа. Притоа флуидот се лади, му се зголемува густината и тој повторно се враќа во колекторот. Со тоа се воспоставува циркулација на флуидот без потреба од циркулациона пумпа и дополнителни контролни уреди. Затоа овој систем се нарекува пасивен. Како флуид, заради можност од мрзнење, се користи антифриз (гликол). Во периодите на помал интензитет на сончево зрачење, постои можност за вградување на електричен грејач заради дополнително помошно загревање на водата. Типичен соларен систем за задоволување на 90 - 100% од потребите за топла вода на просечно семејство, во летните месеци, има колектор со површина 3 - 4 m2 и резервоар од 150 - 200 l.

Принципиелна шема на систем за пасивно загревање на вода. Како работен флуид се користи антифриз заради заштита од мрзнење

Другиот тип на системи уште се нарекуваат и активни или системи со принудна циркулација на флуидот. Основни компоненти на соларните системи со принудна циркулација на флуид се: сончев колектор (1); резервоар (8) со изменувач на топлина (6) циркулациона пумпа со арматура (5) и контролен уред (4). Како дополнителен извор на топлина, во периодите кога нема сончево зрачење, може да се користи електричен, грејач кој се сместува во резервоарот за топла вода, или да се користи дополнителен котел кој согорува нафта или природен гас (9). Циркулација на водата меѓу котелот и резервоарот се остварува со циркулациона пумпа. Контролниот уред (4), кој всушност е диференцијален термостат со потребната автоматика, ја управува работата на пумпата (5). Таа се вклучува кога разликата на температурите на водата во колекторот и резервоарот ќе ја надмине зададената вредност (обично 5 - 150С).

Принципиелна шема на активен систем за загревање на вода.

2.1.7 Пасивни системи на загревање Системот за греење на просторот со помош на Сончевата енергија може да биде

пасивен, активен или комбинација од двата. Пасивните системи обично се поевтини и поедноставни од активните. Меѓутоа, за пасивниот начин на употреба на енергијата на Сонцето треба да се води евиденција уште при процесот на градење на објектите. Најпознат пример за пасивна употреба на Сончевата енергија е стакленикот. На сличен начин, пасивниот систем за греење на стамбени објекти ја користи топлината со помош на елементите од објектот – големи прозори ориентирани кон југ, подови и ѕидови кои ја апсорбираат топлината во текот на денот а во текот на ноќта акумулираната топлина ја ослободуваат. При веќе изградени објекти, единствен начин да се воведе соларен систем е преку активен систем.

Во комбинација со модерните методи, изолации и материјали пасивната соларна техника дава совршени резултати, а ако се надополни со активната соларна технологија се добива автономен систем, идеално решение за куќите далеку од населените и инфраструктурата.

Пасивни системи. Терминот означува дека не е потребно вложување електрична енергија, а се засноваат на спонтани природни процеси. Тоа значи дека оваа технологија е 100% еколошка и усовршувана од старите населенија до денес.

Овој термин се однесува на градби кои се градени така што самите делуваат како соларен колектор и акумулатори на топлина. Овој начин на користење на соларната енергија е многу ефикасен и ефтин бидејќи не е потребна никаква додатна опрема. Градежните материјали кои се користат при пасивните соларни системи не мора да бидат многу поскапи од класичните, бидејќи пасивната соларна архитектура лежи во добриот функционален дизајн, а не во користење на некакви специјални технологии. Како резултат на ваквите градби, потребите на додатни горива за загревање можат да бидат намалени и до 90%. Пасивната соларна енергија е далеку поефикасна и поевтина од активните соларни системи бидејќи за почеток не потребно купување на никаква опрема. Покрај тоа, кај активните соларни системи е потребна додатна енергија за дистрибуција на акумулираната топлина, најчесто електрична енергија за погона на пумпата која топлата вода ја насочува кон радијаторите.

Негативната страна на овие изведби е што веќе еднаш изграден објект, ако не е во склад со правилата на пасивната соларната технологија, скоро никако или многу тешко може да се претвори во пасивен соларен објект.

Има два вида пасивни сончеви техники за обезбедување на топлина: директна топлинска добивка и индиректна топлинска добивка.

Директна топлинска добивка е енергија на зрачење која е резултат на сончевата светлина која директно налегува во станбените простории преку прозорците поставени на јужна страна и која ги загрева внатрешните површини (ѕидови, мебел, подови и др.). За да се постигнат директни добивки, прозорските површини поставени на јужна страна треба да се димензионираат според климатот, типот на применетите прозорци и количеството на термална маса во домот.

Индиректни топлински добивки се постигнуваат со соодвено проектирање кое предвидува сончев простор или Тромбеов ѕид кој ја апсорбира топлината од сонцето пред да ја пренесе во другите простории во домот. Воздухот кој се загрева во сончевиот простор (сончева градина) циркулира природно или со помош на вентилатор кои го пренесуваат во другите соби.

Пасивната соларна архитектура се базира на неколку основни начела, правилна ориентација на објектот, надстрешница, прозорци, топлотни заштиници, бојата на ѕидовите и елементите (мебелот), тромбов ѕид, воден ѕид, стаклена веранда, подно складиште на толина итн.

1. Правилна ориентација на објектот имајќи ги во предвид страните на светот. Пасивните соларни објекти најчесто имаат тлоцрт во облик на квадрат, така што едната страна на квадратот е подолга од другата. За да би се постигнало максимално искористување на сонцето, подолгата страна мора да биде насочена во потегот исток-запад, при што се постигнува целата површина да е изложена на сонце (кон југ). Кај директната техника на сончевото зрачење фасадата од објектот треба да се ориентира кон југ со можни одстапувања од 20˚ ко н исток и 3 0 ̊ кон запад. По р ади наведените одстапувања објектот ќе прими 10% помалку енергија од енергијата која би ја примил кога објектот би бил ориентиран строго кон југ. Одстапување од 45˚ од југ не ја намалува енергијата повеќе од 20%.

2. Големи стаклени површини на страната изложена на сонце За да биде максимално искористен потенцијалот на сонцето, треба да се овозможи сончевото зрачење во максимална количина да продре во внатрешноста на градбата. Тоа се постигнува со поставување на стаклени површини на јужната страна на објектот. Треба да се внимава стаклената површина да не биде преголема, бидејќи шреку ноќта и во текот на облачни денови, акумулираната енегија се губи преку овие површини. За смалување на ефектот на губење на топлина преку стаклените површини се користат изо-стакла или термо-стакла. Во некои случаеви се користат подвижни затварачи со кои ноќно време се прекриваат стаклените површини и притоа се смалува интензитетот на губење на топлината. Од источната, западната и северната страна можат да се постават мали прозори кои ќе служат исклучиво за обезбедување на дневна светлина. Во соларната архитектура, покрај прозорите се користат и кровните прозори со различни облици, димензии и положби. Сончевото зрачење кое поминува низ вертикалните кровни прозори се апсорбира на внатрешните страни од ѕидовите на објектот.

3. Стреа која спречува летно време светлината да продира во внатрешноста на објектот Во текот на потоплите периоди во годината, големите стаклени површини можат да предизвикаат прегревање на просторот. За да се спречи тоа, се користи фактот што

патеката која сонцето ја опишува во зимски период е многу ниска во споредба со патеката во летен период. Должината на стреата мора точно да биде одредена така што во периодот кога на корисниците не им е потребно повеќе загревање, стреата го блокира патот на сончевите зраци.

4. Доволна количина на термална маса Во пасивната соларна технологија, за време на зимски сончев ден, има доволно топлина и притоа нема потреба од додатно греење. Меѓутоа, кога не би постоело акумулирањето на топлина, со заоѓање на сонцето, одма би се почувствувал недостатокот на топлина. Затоа е потребно да се врши акумулација на топлината со помош на термална маса. Во тој контекст, за преградните ѕидови или за материјал од кој се гради подот се користат материјали со висок топлински коефициент. Тоа најчесто се бетонски, камени или циглени елементи, а не ретко се користат и водени ѕидови, заради високиот топлински коефициент на водата. На тој начин, и преку ноќта и за време на облачни денови, термалната маса врши ослободување на топлината собрана при сончеви денови. Термалната маса е важна и во летен период бидејќи ја впива топлината од просторот, правејќи го на тој начин поладен. Во овој случај, важно е преку ноќта да се обезбеди ладење на термалната маса

5. Топлинска изолација За да се успори процесот на ладење на просторот, во пасивните соларни архитектури се користат обилни количини на топлинска изолација, понекогаш и три пати повеќе во однос на класичната архитектура.

6. Бојата на ѕидовите и елементите (мебелот) Како и се претходно, големо влијание на сончевото зрачење има и бојата на ѕидовите, ѕидовите кои се темно обоени повеќе го апсорбираат сончевото зрачење од светло обоените ѕидови. Во соларната архитектура се прифаќаат обоените ѕидови со коефициент на апсорбција од 0.5-0.8. Коефициенти на апсорбција на сончевото зрачење за различни материјали.

Освен на ѕидовите сончевото зрачење паѓа и на елементите во просториите. При директен влез на сончевото зрачење, елементите повеќе се загреваат од ѕидовите, бидејќи за иста површина имаат помала маса, со што допринесуваат за зголемување на температурата во просториите. Во пракса се покажало дека кај соларната архитектура за населението е дозволено да елементите апсорбираат 20-30% од влезното сончево зрачење.

ЗАГРЕВАЊЕ НА КУЌА СО ПОМОШ НА ВОЗДУШНИ КОЛЕКТОРИ Принципот на загревање на куќата со помош на воздушни колектори е прикажан на сликите.

Во текот на денот загреаниот воздух од воздушниот колектор со природна циркулација минува низ пунетицата и ја загрева, а разладениот воздух од пунетицата се враќа во колекторот. Притоа отворите на подот од внатрешноста на собата се затворени.

Во текот на ноќта или зима, поклопците во собата се отворени, па топлиот воздух од топлотниот магацин ја загрева просторијата.

Стаклена веранда

Користењето на стаклени веранди како составен дел од станбените објекти е веќе оддамна познато. Стаклената веранда како дел од соларната архитектура се поставува на јужната страна од објектот. Со помош на истата се обезбедува директно и дифузно сончево зрачење. Пасивната техника на сончево зрачење со помош на стаклена веранда и тромбов ѕид е прикажан на сликата. Обично позади стаклената веранда со наоѓа масивен, темно обоен ѕид кој го апсорбира сончевото зрачење. Ноќе или зима се отвараат горните и долните отвори на ѕидот и преку горниот отвор во куќата влегув топол воздух, а на долниот отвор излегува ладниот воздух и куќата се загрева.

Стаклена веранда и поден магацин за топлина

Како поден магацин за топлина најчесто се користи крупниот речен песок кој се дополнува под подот од куќата. Напречен пресек на куќа со стаклена веранда и подно складиште на топлина. Топлиот воздух од стаклената веранда со помош на вентилатор се носи до складиштето под подот од просторијата. Топлиот песок со зрачење ја загрева просторијата, додека ладниот воздух во текот на ноќта се враќа во верандата.

Воден ѕид

Во светот, постојат обиди да наместо Тромбовиот ѕид се користи транспарентен воден ѕид познат под името трансвол. Шематскиот приказ на водениот ѕид како апсорбер на сончевото зрачење и складирање на топлината е даден на сликата. Во текот на денот водата го апсорбира сончевото зрачење, додека во текот на ноќта зрачи во внатрешноста на куќата. Тромбов ѕид

Во местото Одеј на Пиринеите (Франција) FelixTromb во 1965 година изградил куќа со темен ѕид на јужната страна, кој по него го добил називот Тромбов ѕид. Со помош на овој ѕид Тромб ја демонстрирал можноста за ефикасна пасивна топлотна конверзија на сончевото зрачење. Ѕидот во исто време служел како апсорбер, за складирање на топлината и како грејно тело за загревање на просториите. Тромбовиот ѕид се обично изработува од цигли или бетон со дебелина 20-40cm. На растојание од 2-10 cm испред ѕидот се наоѓа стакло. Во пракса се користат две конструктивни варијанти на Тромбовиот ѕид: без отвори и со отвори во основата и врвот на ѕидот. По преминот низ стаклото сончевото зрачење паѓа на Тромбовиот ѕид и го загрева. Брзината на пренесување на топлината низ Тромбовиот ѕид за виси од материјалот од кој е направен и неговата дебелина.

2.2 Фотонапонски системи Фотонапонската конверзија претставува директна трансформација на светлосната

енергија во електрична, а материјалите или уредите со чија помош се врши конверзијата се познати како соларни ќелии, фотоволтаици, фотоелементи. За претворање на сончевото зрачење во електрична енергија можат да се искористат неколку физички ефекти. До сега најдобри резултати се постигнати со користење на исправувачкото својство на полупроводнички p - n спој.

По многу свои особини фотонапонската конверзија претставува најелегантен извор на електрична енергија: • директно претворање на сончевото зрачење во електрична енергија со еден физички процес; • работа базирана исклучиво врз електроника, без било какви подвижни делови; • отсуство на било какви продукти кои би ја загадувале човековата околина; • долг век на траење; • едноставна конструкција и занемарливо мала маса од која е направен генераторот; • евтина и широко достапна суровина за изработка (камен);

Единствен недостаток кој ја спречува масовната употреба е сé уште високата цена на производството, но постојаното усовршување на технологијата и масовното производство драстично ги намалува производните трошоци.

Историјата на соларните ќелии започнува во 1839 год. кога францускиот физичар Бекерел забележал дека се зголемува јачината на струјата кога ќе се осветлат електродите поставени во слаб раствор на електролит. Четириесет години подоцна се направени првите соларни ќелии изработени од селен, а во 1950-тите години полскиот научник Чохралски го развил методот за добивање на кристален силициум кој и денес е доминантен. Првата соларна ќелија од монокристален силициум е направена во Bell Laboratories (САД) со ефикасност која изнесувала 6%. Почетната намена на соларните ќелии била ограничена на напојувањето на вселенските летала со електична енергија. Помасовна примена започнала во 1980-тите години кога технолошкиот развој ја зголемила ефикасноста, а масовното производство ги намалило цените. Трендот продолжил и во следните декади со висок процент на зголемување на производството. Така на пример, во 2006 год. во светот, вкупно се произведени нови соларни (PV) модули со моќност од 2000 MW.

2.2.1 Соларна (фотонапонска) ќелија Соларната ќелија е уред чија работа базира на законите на квантна механика. Заради

тоа, за темелно и детално разбирање на нејзиното функционирање е потребно познавање од физика на полупроводници.

Соларните ќелии ги користат полупроводничките материјали за да го претворат сончевото зрачење во електрична енергија. Карактерот на тој процес е многу сличен со физичките процеси кои се јавуваат кај добро познатите полупроводнички диоди и транзистори. Основен материјал за таа намена е чистиот кристален силициум.

Водлив појас Валентен појас

Водлив појас

Валентен појас Eg

Eg

Метали

Полупроводници

Изолатори

Водлив појас

Валентен појас

Сите материјали се состојат од валентен и водлив појас, па така и проводниците, изолаторите и полупроводниците. Разликата е во тоа што изолаторите и полупроводниците имаат така наречен забранет појас кој се наоѓа помеѓу водливиот и валентниот појас. Кај изолаторите забранетиот појас е многу широк, па електроните не можат да го „прескокнат“ и затоа изолаторите не спроведуваат електрична струја. Кај металите двата појаси се испреплетуваат па немора да се побудуваат и тие секогаш проведуваат. Кај полупроводниците во состојба на „мирување“ електроните се наоѓаат во валентниот појас и се неутрализирани, т.е. не проведуваат струја. Ако тие електрони се побудат со доволно енергија за да можат да ја прескокнат забранетата зона и се доведат до водливиот појас, тие ќе започнат да проведуваат.

Најчест материјал за изработка на фотонапонските ќелии е силициум и тоа во три облици: монокристален, поликристален и аморфен. Во последно време во развој на нова технологија за производство на тенкослојни (халкопиритни) фотоволтаични ќелии. Тенкослојните технологии, во споредба со кристалниот силициум, овозможуваат знатна заштеда на материјал, поедноставен технолошки процес и значително пониски производни цени. Материјалите кои се користат имаат поголем коефициент на апсорпција што овозможуваа изработка на многу тенки ќелии со дебелина од неколку микрометри. Производниот процес е континуиран и не бара високи температури. Изработката на модулите, вклучувајќи ги и меѓусебните врски на ќелиите обично се изведува во текот на нанесувањето на полупроводничките слоеви. Главни материјали за изработка се: аморфен силициум, кадмиум телурид, бакар-индиум-диселенид и сродни легури.

Сончевата ќелија се изработува така што кога се осветли, на нејзините краеви се јавува електромоторна сила (напон). Кога се осветли ќелијата, апсорбираните фотони произведуваат парови електрони-шуплина. Ако апсорпцијата настане во близнина на pn-спојот, внатрешното електрично поле кое постои во осиромашеното подрачје ги одвојува електронот и шуплината (електронот се движи кон n-страната, шуплината кон p-страната. Таквото концентрирање на електроните и шуплините на соодветните страни на pn-спојот предизвикува електромоторна сила на краевите на ќелијата.

Осветлена соларна ќелија: а) шематски приказ, б) внатрешното електрично поле ги раздвојува носителите на наелектризирањето, настанати при апсорпција на светлината.

Кога ќе се осветли ќелијата, контактот на p-делот постанува позитивен, а на n-делот негативен. Кога сончевата ќелија е споена со надворешен потрошувач и е осветлена, во ќелијата заради фотонапоните ќе настане фотоструја Is па низ потрошувачот ќе протече струја I еднаква на разликата на струјата на диодата Id и фотострујата Is. Сл. Еквивалентно коло на идеална соларна ќелија

qUkTS D S 0I I I I I (e 1)= − = − −

Каде што: Io – инверзна струја на заситување на диодата (А); q = 1,6.10-19C – количество на електричество на електрон; U – напон на краевите на диодата (V) k = 1,379.10-23 (Ј/К) – Болцманова константа; Т – апсолутна температура на p – n спојот (oK);

Осветлената сончева ќелија се однесува како извор на струја. Бидејќи соларната

ќелија пр оизведува напо н о д само о колу 0 , 5 V, р етки се мо жно стите за нејзина директна примена како поединечна ќелија. Затоа основен градбен блок за фотонапонски (соларни) системи е модул кој се состои од одреден број на сериски поврзани ќелии, сместени во куќиште отпорно на атмосферски влијанија. Типичен модул има 36 ќелии поврзани во серија, познат како “12 V модул“ всушност произведува максимален напон од околу 17 V и струја 7 А. Стандардните изведби денес имаат 72 ќелии кои можат да нидат поврзани сериски и тогаш се декларираат како “24 V модул“. Повеќе модули можат да се поврзат во серија за да се зголеми напонот или да се поврзат паралелно за да се зголеми струјата. Одредена комбинација на паралелно и сериски поврзани модули формира панел Фотонапонска ќелија, модул и панел

Кај мо дулите по вр зани во сер ија, вкупнио т напо н е сума на напо ните на поединечните модули, а струјата е еднаква на струјата на модулот. Ако модулите се поврзат паралелно, тогаш се сумираат струите, а напонот останува ист. Кога се потребни поголеми моќности, најчесто се прибегнува кон сериско-паралелна комбинација на модули. Важен елемент при дизајнирањето на фотонапонските системи е одредување колкав број на модули треба да се поврзат паралелно, а колкав сериски. Притоа можни се два начини на поврзување прикажани на следната слика. И двете комбинации испорачуваат ист напон, иста струја и имаат иста заедничката I - U карактеристика

Формирање на панел со сериско и паралелно поврзување на модули

Сепак врската на сл.а има подобри експлоатациони карактеристики. На пример, ако

од некои причини треба да се демонтира цела низа од модули, тогаш панелот од сл. а се уште може да го напојува потрошувачот со потребниот напон (иако со намалена струја) што не е случај со панелот од сл.б ако од него се исклучи паралелна група од модули. Попречен пресек на соларен модул

Фотонапонските системи покрај соларен панел се состојат и од акумулатор и потрошувач, се користат за два основни процеси: претварање на светлосната енергија во електрична и претварање на електричната енергија во хемиска и обратно. Најважен елемент е сончевата ќелија, додека реверзибилниот електрохемиски процес на претварање е поврзан со полнење и празнење на акумулаторот. Aкумулатор е електро-хемиски извор на енергија кој ослободува електрична енергија на контролиран начин. Се состои од една или повеќе ќелии кои имаат две електроди (катода и анода) кои се потопени во електролит. Со сериско поврзување на ќелиите се добива акумулаторска батерија со називен напон која одговара на бројот на ќелии помножени со напонот на една ќелија. Најпознати и најчесто користени во фотонапонските ситеми се оловните и алкалните. Оловен акумулатор

Фотонапонскиот систем може да работи без акумулатор само ако постои побуда (Сончево зрачење). Во тој случај генерираната енергија непосредно се употребува, додека вишокот неповратно се губи (дисипација). Со уклучување на акумулатор, овозможена е работа на потрошувачот и кога нема побуда.

Сложените фотонапонски системи имаат подсистем за регулација на протокот на енергија кон системските единици и уреди кои овозможуваат приклучок и истовремена работа на различни потрочувачи. Во многу примени вклучен е и компјутерски систем преку посебни услови за автоматизирање на процесот на манипулација со потрошувачите. Основна шема на фотонапонски систем

2.2.2 Видови фотонапонски системи

2.2.2.1 Самостојни фотонапонски системи Тие се одвоени од електродистрибутивната мрежа и целокупната енергија се генерира

локално во соларни модули. Самостојните фотонапонски системи се одличен извор на енергија за оддлачени куќи, камп куќички и сл. Самостоен еднонасочен фотонапонски систем со акумулатор

Фотонапонскиот панел го полни акумулаторот во текот на денот, а акумулаторот обезбедува електрична енергија за потрошувачите по потреба, додека контролерот на полнење го подесува и контролира самиот процес на полнење на батериите. Разводните ормари можат да содржат мерни инструменти за мониторинг на системот, и осигурачи и прекинувачи за заштита на проводниците во случај на дефект или куса врска.

Самостојните наизменични фотонапонски системи се исто како еднонасочните, освен што содржат конвертор за еднонасочна и наизменична струја. Конверторот овозможува користење на стандардни апарати кои се наоѓаат во домаќинството. Во домаќинствата, употребата на наизменични фотонапонски системи го поедноставнува поврзувањето со електричната инсталација, овозможува користење поевтина заштита и останати елементи.

Некои фотонапонски системи имаат и еднонасочни и наизменични потрошувачи, што во некои случаеви е погодно како би се избегнале загубите во конверторот. Наизменичен фотонапонски систем со акумулатор

Хибридните фотонапонски системи користат комбинација на фотонапонски и други извори на енергија. Многу хибридни системи користат електрични генератори како резервен извор на енергија. Хибридните системи можат да користат и други обновливи извори на енергија како што се ветерните турбини или мали хидроелектрични генератори. Хибриден фотонапонски систем со акумулатор

Поголем број од хибридните системи користат акумулатори за складирање на енергијата. Фотонапонскиот систем го полни акумулаторот, додека агрегатот ја обезбедува разликата помеѓу енергијата која ја побаруваат потрошувачите и енергијата која ја произведува фотонапонскиот систем. 2.2.2.2 Фотонапонски системи поврзани со електродистрибутивната мрежа

Фотонапонските системи поврзани со електродистрибутивната мрежа ја користат, слично како агрегатите кај хибридните системи, дистрибутивната мрежа како резервен извор на енергија или како потрошувач на вишокот енергија која ја генерираат фотонапонските модули.

Овие системи работат паралелно со електродистрибутивната мрежа. Фотонапонски систем поврзан со дистрибутивна мрежа

Еднонасочната струја добиена од соларните модули се претвара во наизменична

струја со помош на конвертор и преку разводен ормар и електрична инсталација напојува потрошувач (пр. зграда). Вишокот на енергија се пренесува во дистрибутивната мрежа, а во случај на недоволно генерирана соларна енергија, истата се надополнува од мрежа. Во текот на ноќта потрошувачката во зградата се обезбедува исклучиво од дистрибутивната мрежа.

Поволните особини на фотонапонските системи поврзани со дистрибутивна мрежа се: • Едноставност и ниска цена – системот се поврзува на стандардна инсталација на

зграда и единствени две потребни компоненти се фотонапонски генератор и конверот, • Нема локално складирање на енергијата – складирањето не е неопходно, бидејќи

енергијата се добива од дистрибутивната мрежа кога е намалена осветленоста или кога нема Сончева светлост. Мрежата ја презема соларната енергија и обезбедува напојување кога потрошувачката го надминува соларното производство.

• Во згради со многу клима уреди, дневниот максимум на потрошувачката се поклопува со максималната моќност на Сончевото зрачење. Така фотонапонскиот систем генерира максимална снага во моментите кога тоа е најпотребно .

Дистрибутивните системи содржат и акумулатори кои се користат во случај на прекин на струја.

2.2.3 Примери за примена на сончеви ќелии

За напојување на дата логер (во ветрогенераторски системи)

Соларни панели на Меѓународната вселенска станица (ISS)

Phoenix on Mars

Авион со погон на струја од соларни ќелии

Автомобил на соларен погон

Напојување на метеоролошки станици

Соларни играчки

3.Видови сончеви централи

Сончеви електрани со коритести колектори

Сончева кула

Сончево езеро

Сончев оџак

Тањирести сончеви електрани

Фотонапонски електрани

4. Економски анализи Соларните процеси во главно се карактеризираат со високи почетни и мали

операциони (работни) трошоци. Од тука како основен економски проблем се јавува оној на споредба на познатите почетни трошоци, со очекуваните работни трошоци во иднина. Повеќето процеси на сончева енергија бараат и основен (конвенционален) извор на електрична енергија, така што системот ќе вклучи и соларна и конвенционална опрема и годишните оптоварувања ќе се определат со комбинација на изворите. Во основа опремата за соларна енергија се купува денес за да се намали утрешната сметка за гориво.

Неколку економски критериуми се предложени и се користат за оценување и оптимизација на системи за соларна енергија, но не постои општа согласност за тоа кој треба да се користи.

Соларна енергија со најмал трошок е разумна фигура на важност за системи во кои соларната енергија е единсвениот енергетски извор. Добивањето на системот на најмали трошоци може да се дефинира како покажување на минимално поседништво и оперативни трошоци во текот на траењето на системот, земајќи ја во предвид само соларната енергија.

Трошоци за време на векот на траење е сума од сите трошоци поврзани со системот за испорака на енергија во текот на неговиот животен век или во текот на селектиран период на анализи, во денешна парична единица, и ја зема во предвид и временската вредност на парите. Заштеди за време на векот на траење (нето сегашна вредност) се дефинира со разликата помеѓу трошоците за време на векот на траење на конвенционален систем само на гориво и трошоците за време на векот на траење на соларен плус основен енергетски систем.

Годишни животни трошоци е просечен годишен одлив на пари. Вистинскиот проток варира во зависност од годината но сумата во периодот на економска анализа може да се конвертира во серии на еднакви плаќања во денешни парични единици еквивалентни на варирачките серии.

Време на исплата е она време за кое сончева ќелија или фотонапонски систем треба да се екплоатираат како би ги повратиле вложените средства (во производство, во инсталација, во одржување и.т.н). Ова време, покрај инвестициите во системот зависи и од климатското и географското подрачје каде системот е инсталиран, трошоците за производство и ефикасноста на сончевите ќелии. Во европа, за просечна озраченост од околу 1700 kWh/m2/god. согласно материјалот од кој се направени ќелиите, ова време изнесува:

- Кристален Si 2.7 години - Полокристален Si 2.2 - 1.7 години - CaTe 1.0 години

Времето на исплата се дефинира на повеќе начини. Во продолжение се наведени неколку кои може да бидат сретнати: А - Време потребно за годишниот проток на пари да стане позитивен В - Време потребно, кумулативните заштеди на гориво да се изедначат на вкупните почетни инвестиции, што е онолку долго колку што треба за да се поврати инвестицијата со заштеда во гориво. Најчест начин за пресметување на овој период на повраток е без одземање на заштедите во гориво. Може исто така да се пресмета со употреба на одземените заштеди во гориво. С - време потребно кумулативните заштеди да достигнат нула вредност. Д - Време потребно кумулативните заштеди да го достигнат почетното плаќање на соларниот систем Е - време потребно за кумулативни соларни заштеди за изедначување на останатите долгови на системот за соларна енергија.

Најчесто применувана дефиниција за време на исплата е В. Секое од овие времиња на исплата може да имаат влијание во разгледувањето на економските цели на различни корисници на соларни процеси.