SUNČEVO ZRAČENJE

1. UVODSunce je ogromna užarena gasovita kugla prečnika

oko 1,5 miliona km. Sunce se sastoji uglavnom od vodonika i helijuma. U unutrašnjosti Sunca vodonik se nuklearnim reakcijama fuzije pretvara u helijum što rezultira oslobađanjem velikih količina energije.

Usljed tih reakcija temperatura u unutrašnjosti Sunca premašuje 15 miliona ˚C. Međutim, to nije temperatura koja određuje elektromagnetne osobine sunčevog zračenja, jer zračenje iz unutrašnjosti u velikom dijelu apsorbira sloj negativnih vodonikovih jona blizu površine pa je temperatura površine Sunca oko 6000 K , a spektar Sunčevog zračenja približno odgovara spektru crnog tijela ugrijanog na temperaturu od 5760 K .

Slika 1. Sunce

Stoga se temperatura od 5760 K može uzeti kao efektivna temperatura Sunčeve površine, a iz nje je primjenom Stefan-Boltzmanova, Wienova i Plancktova zakona moguće proračunati energetski spektar Sunčeva zračenja. Snaga Sunčevog zračenja iznosi oko 3,8 od čega do Zemlje dopire oko 1,7 . To znači da Zemlja u jednom satu od Sunca primi dovoljno energije za zadovoljenje svih svojih godišnjih energetskih potreba.

 

SUNCE IZVOR ZRAČENJASnaga sunčevog zračenja koja pristiže u gornje slojeve

atmosfere, najvišim dijelom prodire kroz atmosferu ( sa izuzetkom relativno malog dijela koji se reflektuje ili utroši na sekundarnu emisiju atmosfere i tako transformisan emituje prema slobodnom prostoru ili tlu). U donjim slojevima atmosfere ( troposferi ) dolazi do značajnih promjena u bilansu snaga zračenja, djelimično usljed apsorpcije zbog prisustva aerozagađenja ( aerosola ), a djelimično zbog refleksije sa površine oblaka i iz drugih razloga.

Snaga zračenja na površini tla zavisi od položaja Sunca, tj. od ugla upada sunčevih zraka na osvjetljenu površinu i od karakteristika i stanja atmosfere u okolini obuhvaćenoj horizontom nad posmatranom tačkom na tlu.

Opšta toplotna ravnoteža Zemlje održava se zračenjem Zemlje u slobodni prostor Vasione, tako da se može smatrati, za duže vremenske intervale, da se energija koju Sunce preda Zemlji zračenjem vraća u Vasionu takođe zračenjem, ali u drugoj spektralnoj oblasti.

Sunčevo zračenje na granici Zemljine atmosfere Sunčevo zračenje koje dopire do vanjskog ruba Zemljine

atmosfere naziva se ekstraterestičko zračenje(iradijacija), te predstavlja veoma mali dio energije kojom Sunce zrači sa svoje površine. Budući da se udaljenost Zemlje od Sunca mijenja tokom godine, tako se mijenja i ekstraterestičko zračenje i kreće se od 1307 W/m² do 1399 W/m² na površini koja je normalna na smjer zračenja. Ekstraterestičko zračenje na površinu koja je normalna na smjer zračenja, za srednju udaljenost Zemlje od Sunca (149,68 miliona km) naziva se sunčeva (solarna) konstanta. Utvrđivanje solarne konstante i njene moguće promjenjivosti počelo je na prelazu u 20. vijek. Nakon nekoliko desetina godina satelitskih mjerenja utvrđeno je da solarna konstanta i nije konstanta, nego se mijenja kako se i sunčeva aktivnost mijenja. Ipak, Svjetska meteorološka organizacija je 1981. godine standardizovala solarnu konstantu i ona iznosi E0sr=1367,7 W/m².

Sunčev spektarVidljiva površina Sunca naziva se fotosfera i

predstavlja oblike usijanih gasova. Ona je glavni izvor Sunčevog zračenja. Najbliži fotosferi i najgušći sloj naziva se hromosfera. Ona ima crvenkastu boju. Treći, najveći i najizraženiji sloj Sunčeve atmosfere naziva se korona.

Slika 2. Presjek Sunca

Elektromagnetni spektar Sunca se može proučavati raznim metodama:ekstrapolacijom spektralnih merenja pri različitim visinama iznad nivoa mora(računajući iznad-atmosferska raketna merenja), indirektnim metodama, npr.ispitivanjem položaja ozonskog sloja u stratosferi i različitih slojeva jonosfere i direktnim radio prijemom sa Sunca

Sunčev spektar se obično deli na oblast talasnih dužina prikazanih na slici 3.

Slika 3. Sunčev spektar

Sunčevo zračenje podrazumijeva ultraljubičasto (UV) zračenje, vidljivo zračenje (svjetlost) i infracrveno (IR) zračenje. Zračenje je često karakteristično talasnim dužinom, obično izraženo u nanometrima (1nm=m). Kada se opisuju biološki učinci ultraljubičasto zračenje se obično dijeli u tri spektralna područja:

UV-C zračenje (100-280 nm), UV-B zračenje (280-315 nm) i UV-A zračenje (315-400 nm).

Sunčevo zračenje na površini Zemlje Zbog velike udaljenosti Zemlje i Sunca može se smatrati da se

sunčevo zračenje prije ulaska u Zemljinu atmosferu sastoji od snopa paralelnih elektromagnetskih talasa. Međudjelovanjem sa gasovima i česticama u atmosferi sunčevo zračenje se može upiti (oko 18 %), odbiti (oko 10 %) ili više manje nesmetano proći kroz atmosferu (oko 70 %).

  Prilikom prolaska kroz atmosferu dolazi do apsorpcije sunčevog

zračenja, i to x i y zraka u jonosferi, ultraljubičastog zračenja u ozonskom omotaču i infracrvenog zračenja u nižim slojevima atmosfere. Pored apsorpcije, dio sunčevog zračenja se rasijava na suvom vazduhu, vodenoj pari i česticama nečistoća koje se nalaze u vazduhu. Zbog apsorpcije i rasijavanja, dolazi do slabljenja energije sunčevog zračenja koja dospijeva do površine Zemlje. Stepen ovog slabljenja zavisi od fizičkih i hemijskih karakteristika atmosfere, kao i od dužine puta sunčevog zračenja kroz Zemljinu atmosferu. Put svjetlosti kroz atmosferu za neku lokaciju ekvivalentiran je masom zraka AM (od Air Mass). Na putu kroz zemljinu atmosferu izgubi se oko 25 % – 50 % intenziteta sunčevog zračenja od onog koje je dospjelo na rub atmosfere.

Rasijavanjem sunčevog zračenja na atomima i molekulama gasova i česticama nečistoća u vazdušnom omotaču Zemlje, nastaje difuzno zračenje. Kada sunčevo zračenje na svom putu dospije do molekule gasa ili čestice, pobuđuje je na titranje i zračenje, čime pobuđena čestica postaje izvor elektromagnetskog zračenja specifične talasne dužine. Primljenu energiju, molekula odnosno čestica, predaje nejednako u svim pravcima, dio se odbija nazad u svemir, a dio se raspršuje na Zemlji. Difuzno zračenje raste sa povećanjem oblačnosti, vodene pare i čestica nečistoća u atmosferi. Ukupno sunčevo zračenje koje dospijeva do površine Zemlje sastoji se od dvije komponente: prva, kao što je već navedeno, predstavlja difuzno zračenje, a druga potiče direktno sa površine Sunca (direktno zračenje). Direktno zračenje kratkotalasnog je karaktera, za vrijeme sunčanog dana manifestuje se kao kombinacija žućkastog svjetlosnog snopa i topline. Treba napomenuti da direktno sunčevo zračenje ne utiče na povišenje temperature vazduha.

Pri kontaktu sa Zemljom, zavisno o svojstvima podloge, veći će dio sunčevog zračenja Zemlja upiti, a manji dio zračenja će se odbiti (reflektovati). Svojstvo podloge da odbija zračenje može se izraziti koeficijentom refleksije ili albedom. Potpuno bijelo tijelo ima albedo 1,0 jer potpuno odbija sunčevo zračenje, a potpuno crno tijelo ima albedo nula. POVRŠINA ALBEDO POVRŠINA ALBEDO

trava (Juli i Avgust) 0,25 asfalt 0,15

zelena trava 0,18-0,23 šuma 0,05-0,18

suva trava 0,28-0,32 vodena površina ( >45°C )

0,05

ogoljelo tlo 0,17 vodena površina ( >30°C )

0,08

šljunak 0,18 vodena površina ( >20°C )

0,12

gladak beton 0,30 vodena površina ( >10°C )

0,22

grub beton 0,20 svijež sloj snjega 0,80-0,90

čist cement 0,55 star sloj snjega 0,45-0,70

Tabela 1: Vrijednosti albeda za različite površine:

Kao najčešća vrijednost albeda uzima se 0,2 (travnata površina) i kao takva ulazi u proračune fotonaponskih sistema. Dakle, na Zemljinu površinu iz atmosfere dopire direktno i difuzno (raspršeno) sunčevo zračenje, te se upija ili odbija na Zemljinoj površini.

Ukupna količina sunčevog zračenja na horizontalnu površinu naziva se ukupno ili globalno zračenje. Globalno zračenje se sastoji od direktnog, difuznog i odbijenog sunčevog zračenja. Mjerna jedinica globalnog zračenja je W/m².

Drugi, šire prihvaćen pojam u naučnim krugovima je insolacija, odnosno trajanje sunčeve insolacije. Pojam insolacija odnosi se na gustinu sunčevih zraka na određenoj površini, uz određenu orjentaciju, kroz određeno vrijeme. Proizvod ukupnog zračenja i vremena daje nam insolaciju. Mjeri se u Wh/m² ili kWh/m². Energija sunčevog zračenja koja dopire do površine Zemlje zavisi u prvom redu od trajanja insolacije (broju sunčanih sati), dok trajanje insolacije zavisi od geografske širine i od godišnjeg doba.

Podaci o energiji sunčevog zračenja najčešće su prikazani kao prosječne vrijednosti. Prosječna mjesečna ili godišnja energija sunčevog zračenja na nekoj lokaciji dobija se kao aritmetička sredina za sve dane u posmatranom mjesecu odnosno godini.

Dotok ukupnog sunčevog zračenja koje dopire do Zemljine površine iznosi oko 920 W/m². Ako je projekcija površine Zemlje 127,73 km², dotok energije je 117512 TW. Zbog rotacije Zemlje, ta se energija raspoređuje po cijeloj površini Zemlje (510,1 km²), pa je prosječni dotok energije 230 W/ m², odnosno 5,52 kWh/m² dnevno. To su prosječne vrijednosti, a stvarne zavise od geografske širine, doba dana, prisustva oblaka, zagađenja itd. Energija sunčevog zračenja koja dolazi do Zemljine površine iznosi oko TWh godišnje. Ova energija je oko 170 puta veća nego energija u ukupnim rezervama uglja u svijetu.

U Bosni i Hercegovini vrijednost dnevne količine zračenja na horizontalnu površinu se kreće od 3,4 (Bosanski Brod) do 4,22 (Trebinje) kWh/m² , odnosno između 1241 i 1540

kWh/m² godišnje (Slika 4). Trajanje insolacije, odnosno prosječni broj sunčanih sati godišnje je oko 2400 sati.

MJERENJE SUNČEVOG ZRAČENJASunčevo zračenje koje upada na Zemljinu površinu sastoji se

od tri komponente:1- direktnog Sunčevog zračenja koje se ne rasipa u

atmosferi i dolazi uparalelnim zrakama direktno iz smjera Sunca na nebu;

2- rasipajućeg (difuznog) Sunčevog zračenja koje nastaje rasipanjem u atmosferi i dolazi iz svih smjerova neba;

- ukupnog ili globalnog (rasipajuće + direktno)3- odbijenog (reflektiranog) Sunčeva zračenja od tla i

okolnih objekataZa praktične primjene Sunčeve energije potrebno je poznavati

karakteristike sunčeva zračenja na posmatranom mjestu, a one su određene geografskim položajem mjesta, trenutkom posmatranja i lokalnim atmosferskim prilikama. Pri tome najveću poteškoću predstavlja nemogućnost egzaktnog određivanja i prognoziranja utjecaja atmosferskih prilika.

Stoga se pouzdana procjena potencijala sunčeve energije naposmatranom mjestu može dobiti tek dugotrajnim mjerenjem sunčeva zračenja (10 i više godina).

Temeljem tih mjerenja mogu se razviti odgovarajući algoritmi koji omogućuju proračun sunčeva zračenja na lokacijama sa sličnim klimatskim uslovima. Osim mjerenja koja se vrše na posmatranom mjestu, sunčevo zračenje može se odrediti i iz satelitskih snimki.

Mjerenje direktnog sunčevog zračenja Zbog velike udaljenosti Zemlje i Sunca može

se smatrati da se sunčevo zračenje prije ulaska u atmosferu sastoji od snopa paralelnih elektromagnetskih talasa. Međudjelovanjem s gasovima i česticama u atmosferi sunčevo zračenje se može upiti (apsorpcija), odbiti (refleksija) ili može manje ili više nesmetano proći kroz atmosferu (transmisija).

Mjerenje direktnog sunčevog zračenja je svakako jedno od najsloženijih mjerenja u određivanju potencijala energije Sunca. Direktno sunčevo zračenje mjeri se pirheliometrom

Slika 5. Pirheliometar Kipp&Zonen CH1

Noviji pirheliometri obično se koriste u kombinaciji s uređajima za praćenje Sunca pa su vrlo skupi. Nažalost, u meteorološkoj praksi je upotreba pirheliometara za precizno mjerenje direktne komponente sunčeva zračenja još uvijek vrlo rijetka pa se do nje i dalje najčešće dolazi proračunom (razlika ukupnog i difuznog zračenja).

Mjerenje difuznog zračenjaDifuzno zračenje izazivaju molekule gasova i čestice koje

su u atmosferi. Sunčeva energija na svom putu dopre do molekule gasa i

čestice, pobuđuje je na titranje i zračenje čime postaje izvoz elektromagnetnog zračenja specifične talasne dužine.

Primljenu energiju predaje nejednako u svim smjerovima, ovisnosti o svojstvima gasa ili čestice.

Energija se više ne širi u jednom smjeru kao prije ulaska u atmosferu već na sve strane.

Uticaj rasipanja je dvojak, s jedne strane smanjuje jačinu direktnog sunčevog zračenja a sa druge uzrokuje difuzno zračenje neba. Jedan dio sunčevog zračenjase vraća u međuplanetarni prostor i on je izgubljen za procese u atmosferi.

Od gasova koji čine atmosferu pojedine talasne dužina značajnije upijaju kiseonik, ugljični dioksid, ozon i azot, a zanemarivo azotnii oksidi, ugljični monoksid i metan.

Difuzno Sunčevo zračenje se može mjeriti piranometrom ako se Sunčev disk zasjeni tako da do instrumenta ne može doći direktno Sunčevo zračenje.

To se može postići na više načina. Najčešće se za zasjenjivanje koristi polukružna ili kružna metalna traka, prečnika od 0,5 do 1,5 m orijentirana u smjeru istok zapad tako da zasjenjuje

Sunčev disk od izlaska do zalaska Sunca s vidnim uglom zasjenjenja dovoljnim da potpuno blokira Sunčev disk

(npr. 10,6°).

Slika 7. Piranometar CM 11 Kipp&Zonen sa sjenilom CM 121B za mjerenje difuznog sunčevog zračenja

Mjerenje ukupnog ili globalnog zračenjaUkupno (globalno) sunčevo zračenje na

horizontalnu ploču iz prostornog ugla 2 π steradijana sastoji se od zračenja koje ploča direktno primi s površine sunčevog diska i difuznog zračenja neba.

Na slici 8.je prikazano ukupno zračenje.

Slika 8. Ukupno sunčevo zračenje

Instrument koji mjeri zračenje iz prostornog ugla 2 π steradijana na ploču u talasnom području između 0,3 do 3,0 mm je piranometar.

Piranometri mogu imati: termoelektrične, fotoelektrične, piroelektrične ili bimetalne elemente kao senzore.

Kako su trajno izloženi atmosferskim uticajima moraju biti čvrste izvedbe i otporni na korozivne uticaje vode i vlažnog vazduha.

Prijemnik zračenja mora biti hermetički zatvoren ili imati sistem za odvodnju kondezovane vlage u kućištu.

U upotrebi su najčešće termoelektrični piranometri koji koriste toplotne detektore koji proizvode naponna principu termoelektričnog efekta u funkciji upadnog Sunčevog zračenja.

Toplotni detektor smješten je ispod dvostruke staklene kupole koja ga štiti od prodora vlage i smanjuje dugotalasno zračenje iz samog instrumenta, toplotni izolira detektor i sprječava njegovo hlađenje.

Slika 9. Piranometar s termočlankom Kipp&Zonen CM 11

Mjerenje odbijenog ili reflektujućeg zračenjaNakon prolaska kroz atmosferu, sunčevo

zračenje nailazi na tlo ili vodenu površinu (more, jezera, rijeke). Zavisno o svojstvima podloge, veći ili manji dio zračenja će se odbiti (reflektovati). Moguća su tri procesa refleksije.

1. Ogledalna2. Zapreminsko3. Difuzno

Slika 11. Albedo u prirodi

Odbijeno (reflektirano) Sunčevo zračenje prema preporukama WMO-a mjeri se na visini 1-2 m,po mogućnosti iznad pokošene travnate površine

Instrument koji mjeri albedo,je albedometar, sastoji se od dva piranometra. Gornji piranometar mjeri ukupno Sunčevo zračenje a donji mjeri Sunčevo zračenje odbijeno od tla. Iako je u literaturi naglašena važnost upotrebe izmjerenog albeda za svaku lokaciju, ipak se albedo vrlo rijetko mjeri.

Slika 12. Albedometar

Mjerenje trajanja sijanja sunca (insolacije)Trajanje sijanja Sunca je vrijeme tokom kojeg

sunčevo zračenje dopire do Zemljine površine, odnosno do ploče mjernog uređaja. Najjednostavniji i najrašireniji uređaj za mjerenje trajanja sijanja Sunca je Campbell-Stokesov heliograf.

Slika 13. Campbell-Stokesov heliograf

Glavni dio uređaja je staklena kugla koja fokusira sunčeve zrake na papirnu trakuza snimanje te, ukoliko je intenzitet upadnog sunčevog zračenja dovoljno velik, na traciostavlja izgoreni trag. Sunčevo zračenje je registrovano ako prelazi prag snage od oko 120W/m2. Nedostatak heliografa je u tome što ne daje podatke o iznosu i udjelu pojedine komponente sunčevog zračenja. Međutim, ukoliko ne postoje drugi izmjereni podaci, izpodataka o trajanju sijanja Sunca moguće je primjenom odgovarajućih modela proračunati ozračenost.

Moderni instrumenti za mjerenje trajanja sijanja Sunca koriste fotoelektrični efekat u kombinaciji sa digitalnim izlazom kojim se omogućuje direktno povezivanje uređaja sa računarom. Na taj način smanjene su moguće greške, osim greške zbog zaprljanosti instrumenta. Prag od 120 W/m2 sačuvan je zbog konvencije Svjetske meteorološke organizacije kojom se želi omogućiti usporedno korištenje podataka dobijenih različitim vrstama uređaja.

GEOMETRIJSKI ODNOS ZEMLJE I SUNCAZemlja se vrti oko Sunca u elipsastoj putanji s vrlo malim

ekscentricitetom (e=0,017) tako da se udaljenost Zemlje i Sunca mijenja vrlo malo tokom godine. Srednja udaljenost Zemlje i Sunca je 149,68 miliona km. U perihelu (tačka elipsaste putanje najbliža fokusu), početkom januara, Zemlja je 1,67% bliža, a u afelu (tačka elipsaste putanje najudaljenija od fokusa), početkom jula, Zemlja je 1,67 % udaljenija od Sunca. Kako se sunčevo zračenje mijenja s kvadratom udaljenosti, Zemlja u januaru prima 6,9 % više Sunčeve energije nego u julu. Prema tome januarske temperature bi trebale biti više od julskih, zima na sjevernoj polulopti bi trebala biti toplija nego na južnoj, a ljeto na južnoj polulopti toplije od ljeta na sjevernoj. U stvarnosti je sve upravo obratno jer odnosi u atmosferi značajno zavise i od drugih faktora.

Slika 14. Elipsasta putanja Zemlje oko Sunca

Rotacija Zemlje oko svoje ose uzrokuje smjenu dana i noći, no dužina trajanja dana određuje okretanje Zemlje oko Sunca (revolucija Zemlje). Zemlja se kreće oko Sunca zatvarajući kružnicu koja se naziva elipsa (ekliptika). Zemljina ekvatorijalna ravnina je uvijek nagnuta u odnosu na ravninu ekliptike za 23,5° odnosno Zemljina osa rotacije zatvara s ravninom ekliptike ugao od 66,5° . Zbog tog nagiba sjeverna polulpota je ljeti nagnuta prema Suncu a zimi nagnuta od Sunca što je uzrok pojave godišnjih doba.

Slika 15. Rotacija Zemlje oko sopstvene ose i njena eliptična putanja oko Sunca

Zemlja u julu prolazi kroz afel elipsaste putanje pa se zbog toga sporije kreće oko Sunca dok u januaru prolazi kroz perihel pa joj je kretanje brže.

  Stoga, na sjevernoj polulopti topliji dio godine traje 7,5

dana više nego hladniji, dok polarni dan traje 186 dana a polarna noć 179. Na ekvatoru dan i noć traju jednako tokom cijele godine dok je na ostalim geografskim širinama dan jednak noći samo dva dana u godini, za vrijeme proljetne ravnodnevnice (proljetni ekvinocij, 21. ili 22. marta) i jesenske ravnodnevnice (jesenski ekvinocij, 23. ili 24. septembra).

Iz opisanog geometrijskog odnosa Zemlje i Sunca proizlazi činjenica da je smjena godišnjih doba posljedica prividnog kretanja Sunca između obratnica.

Kad bi ravnina elipse bila uspravna na osu rotacije Zemlje, Sunce bi se uvijek kretalo iznad ekvatora, dan i noć bi svugdje isto trajali i ne bi bilo smjene godišnjih doba.

Dijagram kretanja sunca oko zemljeNajvažniji faktor koji treba uzeti u obzir pri

projektovanju pasivnih sunčanih sistema je kretanje Sunca po nebu tokom dana i tokom godine. Položaj Sunca na nebu se u svakom trenutku može opisati sa dva podatka, visinom i azimutom Sunca.

Sunčeva elevacija (visina Sunca) je ugao između horizonta i pravca u kojem se vidi Sunce. Umesto visine Sunca često se koristi zenitni ugao .Sunčeva elevacija zavisi od doba dana, od geografske širine i datuma u godini. Najveći intenzitet UV zračenja je u letnjim mesecima oko podneva.

Slika 16. Ugao elevacije (h), azimutni ugao (A) i visina Sunca (z)

Azimut αs- i ugao visine Sunca γs: - azimut αs: projekcija sunčevog položaja u osnovi, označava otklon od 0 o = sjever, 90 o = istok, 180 o = jug, 270 o = zapad, gledano od strane posmatrača.

Ugao visine γs: vertikalna projekcija položaja Sunca iznad horizonta,gledano od strane posmatrača

Vrlo jednostavan način prikazivanja kretanja Sunca po nebu je Sunčev dijagram. Sunčev dijagram možemo prikazati u cilindričnom ili polarnom koordinatnom sistemu. Oba dijagrama prikazuju jednaku informaciju na različit način.

Cilindrični Sunčev dijagram je nešto popularniji način prikazivanja kretanja Sunca po nebu. Na njemu se u pravouglom koordinatnom sistemu prikazuje kretanje Sunca kako to izgleda posmatrač koji je okrenut tačno na jug. Na cilindrični Sunčev dijagram se mogu ucrtati konture okolnih prepreka kako bi se predvidjelo kako će ti objekti zasjeniti Sunce tokom godine.

Slika 19. Cilindrični Sunčev dijagram s ucrtanim okolnim predmetima

Polarni Sunčev dijagram je projekcija Sunčevog kretanja na horizontalnu ploču sa posmatračem u centru ploče. U polarnom Sunčevom dijagramu je jednostavnije utvrditi kompasni smjer Sunca.

Posmatrajući Sunčev dijagram možemo doći do jednostavnih ali važnih zaključaka:

- Sunce izlazi tačno na istoku i zalazi tačno na zapadu samo u dva dana u godini (prvi dan proljeća i prvi dan jeseni),- Sunce izlazi na sjeveroistoku i zalazi na sjeverozapadu tokom proljetnih i ljetnih mjeseci,- Sunce izlazi na jugoistoku i zalazi na jugozapadu tokom jesenskih i zimskih mjeseci,- Sunce se nalazi u svojoj najvišoj tački južno od posmatrača. To je pravo Sunčevo podne,- Zenitni položaj Sunca je bliži horizontu tokom zimskih mjeseci, a viši na nebu tokom ljetnih mjeseci,- Sunce izlazi ranije i zalazi kasnije tokom ljetnih mjeseci (obrnuto za zimske mjesece).

 

Slika 20. Polarni Sunčev dijagram

UV ZRAČENJEUV zračenje nastaje na visokotemperaturnim

površinama, kao što je Sunce, u kontinualnom spektru i atomskim ekscitacijama pri pražnjenju gasova u cijevima kao diskretan spektar talasnih dužina. Najveći dio Sunčevog UV zračenja apsorbuje kiseonik u zemljinoj atmosferi, koji formira ozonski omotač u nižoj stratosferi. Osim toga što je neophodan uslov za stvaranje i opstanak živog svijeta na Zemlji,danas, osim pozitivnih efekata na prirodu i čoveka, ono ima i mnogo negativnih efekata koji mogu biti vrlo ozbiljni. Ti negativini efekti nastaju kada ozonski omotač postane suviše tanak, pa ne može da apsorbuje dovoljno UV-B zračenja koje pada napovršinu Zemlje i postaje štetno za žive organizme.

Najkraći talasi koji u optimalnim uslovima dopiru do tla su dužine 290 nm, tako da se prizemno Sunčevo UV zračenje nalazi u spektralnoj oblasti od 290 - 400 nm.

UV zračenje je podeljeno na tri podopsega:UV-A (315 nm do 400 nm), nije bitno za

biološku aktivnost, a ni količina mu se ne menja sa koncentracijom ozona.

UV-B (280 nm do 315 nm), biološki je aktivno i njegov intenzitet na Zemljinoj površini zavisi od količine ozona u atmosferi. UV-B zračenje iznosi 3 - 4 %integralnog fluksa UV zračenja ili oko 0.1 % ukupnog fluksa globalnog sunčevog zračenja. Male promjene u ozonu mogu dovesti do velikih promjena onog dijela UV-B zračenja koje dolazi do površine Zemlje.

UV-C (100 nm do 280 nm), se kompletno apsorbuje u atmosferi i praktično se ne opaža na površini Zemlje, taj opseg se često zove i sterilišuće zračenje.

Od ukupnog Sunčevog elektromagnetnog zračenja, koje stiže na gornju granicu atmosfere, UV zračenje čini približno 10 %. Taj procenat se smanjuje prolaskom Sunčevih zraka kroz Zemljinu atmosferu.

Iako je UV zračenje koje dopire do površine Zemlje slabo, ono je ipak od velike praktične važnosti, jer izaziva hemijske, električne, biološke i druge procese.Fotohemijske reakcije, koje ono izaziva na gasovima u atmosferi, dovode do stvaranja jonosferskih slojeva, zatim do pretvaranja O2 u O3 i stvaranja ozonoskog omotača, a pri Zemlji na organskoj materiji dovode do različitih bioloških procesa. U zelenom biljnom tkivu UV zračenje omogućava fotosintezu. Kod čoveka UV zračenje izaziva ozbiljne promjene i oštešenja na koži i očima. UV zračenje usporava rast planktona i nekih nižih vrsta vodenih organizama, bakterija i virusa, a takođe ubrzava degradaciju materijala kao što su: plastične mase, izvjesne boje, gume, papir...

Međusobno dejstvo UV zračenja i ozonaZemljina atmosfera se sastoji iz nekoliko

slojeva. Oblast u kojoj se atmosfera dodiruje sa zemljom naziva se "troposfera". Njena debljina, zbog zavisnosti od temperature, iznosi do 18 km iznad ekvatora, a iznad polova, 6 - 8 km i ona sadrži 3/4ukupne mase atmosfere. Ovaj sloj je uzrok svih vremenskih promena kojima smo izloženi.

Iznad troposfere, do 50 km visine, nalazi se "stratosfera". Odlikuje se razređenim vazduhom, niskim vazdušnim pritiskom i niskim temperaturama (-40Cdo -80C) do visine 25 - 30 km, a zatim visokim (+80C) u pojasu ozona (90 %ukupnog ozona u atmosferi) čija apsorpcija UV zračenja dovodi do porasta temperature.

Na većim visinama, pri prelasku u stratopauzu tj. mezosferu, temperatura opada. U tom sloju su prisutna velika vazdušna kretanja. Na većim visinama su karakteristična razna fotohemijska dejstva na strukturu atmosfere, kao i na temperaturu, pa dolazi do disocijacije i rekombinacije molekula i atoma, kao i dojonizacije molekula kiseonika, azota i drugih.

Kiseonik u stratosferi apsorbuje srazmerno velike količine UV zračenja. Pri tome dolazi do disocijacije molekula kiseonika O2 (na talasnim dužinama kraćim od 242 nm) na dva atoma kiseonika koji se spajaju sa molekulima O2 u molekule ozona (O3: 3 oksidni atomi).

Oni se dalje pod uticajem UV zračenja nešto većih talasnih dužina (kraćih od 300 nm) ponovo dekomponuju (O3 se raspada na O2 i O),što dovodi do hemijske ravnoteže na tim visinama. Ozon u stratosferi formira pokrivač, koji je tanji nad tropima (oko ekvatora) i zbijeniji prema polovima.Proporcionalno se najveća količina ozona nalazi u stratosferi (oko 90 %) sa maksimumom na oko 23 km nad morem na srednjoj geografskoj širini. Samo se oko 10 % atmosferskog ozona nalazi u troposferi (na visini od 0 - 10 km).Količina ozona iznad neke tačke na Zemlji meri se u Dobsonovim jedinicama(DU).

Slika 22. Ozon iznad izvjesne oblasti komprimovan na STP.

Svakih 1 % smanjenja ozona rezultira povećanjem od oko 1.3 % do 1.8 % UV-B zračenja koje stiže na površinu Zemlje. Zbog toga se smatra da je stanjivanje ozonskog sloja do sada prouzrokovalo relativno malo povećanje UV-B zračenja (280 - 320 nm) koje stiže na Zemlju, ne računajući oblast troposfere. Od kraja 50 ih godina ovoga vijeka došlo je do povećavanja troposferskog ozona.

To povećanje je uzrokovano antropogenim emisijama kao što su azotovi oksidi i hidrokarboni (fotohemijske reakcije). Ipak, ovo prizemno povećanje ozona ne može da kompenzuje gubitak ozona u stratosferi.

Treba napomenuti da se atmofsera iz godine u godinu ponaša drugačije, čak i ako se isti proces koji dovodi do stanjivnja ozonskog omotača ponavlja svake godine, efekat koji on ima na ozon je uslovljen meteorologijom atmosfere, posebno iznad Antarktika. Ovo je poznato kao varijabilnost atmosfere. Varijabilnost dovodi do promjena u količini osiromašenog ozona, i vremenu kada to osiromašuje (stanjivanje).

PRIMJENA SUNČEVE ENERGIJESolarna ili sunčeva energija je energija

Sunca, njegova svjetlost i toplota koju ljudi koriste od davnina uz pomoć raznih tehnologija. Sunčeva zračenja, uz sekundarne solarne izvore kao što su vjetar, energija valova i biomasa, se računaju u najčešće dostupne obnovljive izvore energije na Zemlji. Upotrebljava se samo mali dio solarne energije od one koja je na raspolaganju.

Solarna energija pruža električnu energiju pomoću toplotnih mašina ili fotonaponskih sistema jednom pretvorena, njena upotreba je ograničena. Djelomični popis solarnog sistema uključuje prostor za grijanje i hlađenje kroz solarnu arhitekturu, pitku vodu kroz destilaciju i dezinfekciju , toplotnu energiju za kuhanje i visoku temperaturu procesa toplote za industrijske svrhe.

Solarne tehnologije su široko karakteristične ili kao pasivne solarne ili aktivne solarne, zavisno o načinu sakupljanja, pretvaranja i distribuiranja sunčevog svjetla. Aktivne solarne tehnike uključuju upotrebu fotonaponskih ćelija i solarnih termičkih kolektora (s električnom ili mehaničkom opremom) kako bi pretvorili sunčevu svjetlost u korisne izlazne jedinice. Pasivne solarne tehnike uključuju orijentaciju zgrade prema Suncu, odabir materijala s povoljnim termalnim svojstvima ili svojstvima rasipanja svjetlosti te projektovanje prostora kod kojih prirodno cirkuliše vazduh.

Fotonaponske ćelije:Sunčeva energija se najčešće iskorišćava

putem uređaja zvanog fotovoltna ploča ili popularno solarna ćelija. Ovaj uređaj se proizvodi iz poluprovodnika, najčešće od silicijuma. Princip rada je veoma jednostavan

Efikasnost im je od 10% za jeftinije izvedbe s amorfnim silicijumom, do 25% za skuplje izvedbe. Za sada su još uvijek ekonomski nerentabilni jer im je cijena oko 6000 $/kW.

Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao samostalni izvori energije ili kao dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor energije koristi se npr. na satelitima, cestovnim znakovima, kalkulatorima i udaljenim objektima koji zahtijevaju dugotrajni izvor energije. U svemiru je i snaga sunčevog zračenja puno veća jer Zemljina atmosfera apsorbuje veliki dio zračenja pa je i dobijena energija veća. Kao dodatni izvori energije fotonaponske ćelije mogu se na primjer priključiti na električnu mrežu, ali za sada je to neisplativo.

Kada govorimo o tržištu fotonaponske energije mislimo na instalirane kapacitete solarnih ćelija u nekoj regiji ili svetu. Unazad desetak godina, tržište fotonaponske tehnologije raste praktično eksponencijalno. Države u kojima je proizvedeno najviše fotonaponskih solarnih ćelija su Japan, Nemačka, zatim SAD, te Tajvan i Kina.

Slika 23. Princip izrade fotonaponskih ćelija

U 2007. godini svetska proizvodnja FN solarnih ćelija iznosila je oko 3800 MW, dok je porast proizvodnje u odnosu na 2006. godinu iznosio 50%. Ovakav drastičan porast može se objasniti državnim podsticajima za obnovljive izvore energije, sve većom brigom za okolinu zadnjih godina (Kjoto protokol), te rastom cijena nafte.

Solarne termalne elektrane su izvori električne struje dobijene

pretvaranjem Sunčeve energije u toplotnu. S obzirom da nemaju štetnih produkata prilikom proizvodnje električne energije, a imaju razmjernu dobru efikasnost (20 - 40%), proriče im se svjetla budućnost. Kako je količina energija koja pada na površinu izuzetno velika, izgradnjom takvih elektrana na sunčanim područjima (npr. Sahara) mogao bi se energijom snabdijevati veliki dio potrošača, barem dok ne uzmemo ekonomiju u obzir. Ipak, čak i na manjoj skali mogu postati vrlo bitan faktor (npr. na ostrvima).

Zbog potrebe za visokim temperaturama, gotovo svi oblici solarnih termalnih elektrana moraju koristiti nekakav oblik koncentrisanja sunčevih zraka s velikog prostora na malu površinu. Kako se tokom dana položaj Sunca na nebu mijenja, tako se stalno mijenja i najpovoljniji ugao pod kojim padaju sunčeve zrake na ogledala, stoga je potrebno ugraditi sisteme koji će stalno prilagođavati njihov položaj. Ti sistemi su neophodni kako bi se dobila što veća efikasnost, ali ujedno i najveći faktor u vrlo visokim cijenama solarnih termalnih elektrana.

Slika 25. Solarna termalna elektrana

Smanjenja u cijeni su moguća skladištenjem toplote, a ne struje, budući da je takva tehnologija danas jeftinija, a proizvodnja toplote je ionako neophodna za funkcionisanje ovakvog tipa elektrana. Time je moguće također dobivati električnu energiju i onda kada to inače ne bi bilo moguće (za vrijeme smanjene insulacije - mjera energije solarne radijacije primljene ili predane od strane određene površine u određenom vremenu).

Poljoprivreda i vrtlarstvo

Slika 26. Staklenik

Poljoprivreda nastoji optizimizirati hvatanje sunčeve energije kako bi se optimizirala produktivnost biljaka. Tehnike kao što su vremenski ciklusi sadnje i usklađena orijentacija redova mogu poboljšati doprinos usjeva. Sunčeva svjetlost se opšte smatra kao obilan resurs, ali iznimke pokazuju kako je važna solarna energija za poljoprivredu. Korištenje mehanizma koji bi se mogao vrtjeti prema Suncu.

Primjena sunčeve energije u poljoprivredi, osim uzgoja usjeva uključuje pumpanje vode, sušenje usjeva, sušenje pilećeg gnojiva itd.

Staklenici pretvaraju sunčevu svjetlost u toplotu i tako omogućavaju cjelogodišnju proizvodnju rasta (u zatvorenim sredinama) specijalnih žitarica i drugih biljaka kojima ne odgovara lokalna klima.

Solarni kolektori pretvaraju sunčevu energiju u toplotnu energiju

vode(ili neke druge tekućine). Sistemi za grijanje vode mogu biti otvoreni, u kojima voda koju treba zagrijati prolazi direktno kroz kolektor na krovu, ili zatvoreni, u kojima su kolektori popunjeni tekućinom koja se ne smrzava (npr. antifriz). Zatvoreni sistemi mogu se koristiti bilo gdje, čak i kod vanjskih temperatura ispod nule. Tokom dana, ako je lijepo vrijeme, voda može biti grijana samo u kolektorima. Ako vrijeme nije lijepo, kolektori pomažu u grijanju vode i time smanjuju potrošnju struje. Solarni kolektori su vrlo korisni i kod grijanja bazena. U tom slučaju temperatura vode je niska i jednostavnije je održavati temperaturu pomoću otvorenih sistema grijanja. Na takav način optimalna temperatura bazena održava se nekoliko sedmica više u godini nego bez sistema grijanja vode.

Postoje i kolektori koji direktno griju vazduh. Ti sistemi cirkulišu vazduh kroz kolektore i na taj način prenose velik dio energije na vazduh. Taj se vazduh kasnije vraća u grijanu prostoriju i na taj način se održava temperatura u prostoriji. Kombinacijom grijanja vazduha i grijanja vode može se postići vrlo velika ušteda.

Slika 27.Solarni kolektor

Solarne peći

Slika 28. Solarna peć

Solarna peć je tačno ono, što ime kaže. Pomoću više velikih ogledala, Sunčeva svetlost se usmerava prema jednom velikom paraboličnom ogledalu, koje to svetlo dalje usmerava u jednu zatvorenu peć sa dobrom termoizolacijom. Unutra se mogu dostići temperature i do 1500°C. Ove peći se uglavnom koriste za eksperimente sa topljenjem, jer nisu dovojno pouzdane za intenzivno industrijsko iskorišćavanje, recimo, u obradi metala. Ovaj isti mehanizam ogledala se koristi i kod sunčevog tornja. To je jedan toranj opkoljen tim ogledalima, koji prate sunčevo kretanje i šalju njene zrake u toranj, gde se nalazi jedan spremnik vode. Nagomilana toplota pretvara se u paru, koja se spušta kroz parnu turbinu i dobija se struja.

ZAKLJUČAKNa početku rada, između ostalog, dati su

podaci o energiji sunčevog zračenja koja je dostupna na površini Zemlje. Iz njih možemo izvući veoma bitan zaključak da se radi o ogromnoj količini energije za koju treba naći način kako da se što bolje iskoristi. Pored tradicionalnog, danas je sve aktuelnije pretvaranje energije sunčevog zračenja u električnu, preko tzv. fotonaponskih sistema, koji su veoma složeni.

Projektovanje i analiza fotonaponskih sistema zahtjeva širok spektar znanja iz raznih oblasti nauke i tehnike (astronomija, optika, tehnologija materijala, elektrotehnika i sl.). Iz tog razloga se u radu govori o osnovnim parametarima koji ulaze u sastav jednog fotonaponskog sistema. Prilikom analize fotonaponskih sistema, nije se detaljno ulazilo u analizu svih dijelova, iz razloga njihove složenosti, čime bi se izašlo iz okvira postavljenog cilja.

HVALA NA PAŽNJI !