Radyasyon Emilimi
Tüm malzemeler gelen güneş radyasyonunun bir kısmını emer. Emilen gelen radyasyon, malzemenin atomlarının titreşmesine neden olur ve bu sayede ısı üretilir. Bu ısı, soğurucu malzeme içinde ısı iletimi ile transfer edilir ve/veya ısı radyasyonu veya konveksiyon yoluyla atmosfere geri salınır.
Güneş radyasyonunun büyük kısmı görünür ışıktan oluşur, yani radyasyonun kısa dalga kısmı baskındır. Farklı dalga boylarının parlaklık dağılımı, yaklaşık olarak 5.700 K sıcaklıktaki siyah cisim yayıcısınınkine karşılık gelir.
Buna karşılık, termik güneş enerjisi tesisleriyle ilgili sıcaklıklar (yaklaşık 100 ila 1.000 °C) söz konusu olduğunda, gövdeler esas olarak orta ve kısa dalga radyasyonu yayar. Yalnızca küçük bir spektral aralık gözlemlenirken, absorpsiyon katsayısı ve emisyon katsayısı aynıdır.
Bununla birlikte, uygun "seçici" kaplamalar, (uzun dalga) ısı radyasyonu engellenirken kısa dalga güneş ışığının iyi emilmesini sağlar. Bu tür soğurucu malzemeler bu nedenle güneş radyasyonu açısından yüksek soğurma katsayıları αabs ve uzun dalga ısı radyasyonu açısından düşük emisyon katsayıları εabs ile karakterize edilir: bunlara bazen α/ε kaplamalar da denir.
Yüksek Sıcaklıkta Isı Depolama
Güneş radyasyonu, yoğunluğu dünyanın dönüşüne bağlı olarak (gündüz/gece) deterministik olarak ve gerçek meteorolojik etkilerin (bulutlar, aerosoller, vb.) bir sonucu olarak stokastik olarak değişen bir enerji kaynağıdır. Bu tür dalgalanmaları telafi etmek için termal depolama uygulanabilir.
Bu açıdan, ısı transfer ortamı depolaması, kütle depolaması ve faz değiştiren malzemenin depolanması ayırt edilir.
- Isı transfer ortamının depolanması durumunda, ısı yalıtımlı kaplarda ara depolanır. Ancak bu, ısı transfer ortamının ucuz bir şekilde temin edilebildiği ve konteyner maliyetlerini en aza indirmek için yüksek hacme özgül ısı kapasitesine sahip olduğu anlamına gelir.
Bugüne kadar kızgın yağ ve erimiş tuz kapları uygulanmış; ancak su/buhar akümülatörleri de planlanmıştır. Bu depolama modunun avantajı, yalnızca depolama tankının ısı kayıplarıyla azaltılan (ve dolayısıyla depolama süresinin, kap yüzeyinin ve yalıtımın bir fonksiyonu olan) sıcak ısı transfer ortamının sabit sıcaklığıdır.
- Toplu depolama durumunda, ısı transfer ortamı, yüksek ısı kapasiteli ikinci bir malzemeyi termal olarak yükler. Bu amaçla, gerekli sürüş sıcaklığı farkını sağlamak ve ısı iletiminin ekserji kaybını azaltmak için ısı transfer ortamı ile depolama malzemesi arasında iyi bir ısı transferi (yani geniş yüzeyler ve yüksek ısı iletim katsayıları) sağlanmalıdır.
Isı transfer ortamının kendisi çok pahalıysa (örn. sentetik ısı transfer yağı) veya depolaması zorsa (örn. basınçsız hava) toplu depolama uygulanır. Toplu depolamalar için termal yağ/beton, termal yağ/ergimiş tuz, buhar/yağ-kum ve hava/seramik tuğla kombinasyonları uygulanmaktadır.
Yığın depolama, çok ucuz depolama malzemesi avantajı sunar. Bununla birlikte, depolama tankının ortak ısı kaybına ek olarak, depolama malzemesinin şarj edilmesi ve boşaltılması sırasında çifte ısı iletimi sırasında bir ekserji kaybının meydana gelmesi de bir dezavantaj oluşturmaktadır.
- Faz değiştiren malzeme içeren depolama tanklarında buhar izotermik olarak yoğunlaştırılır, böylece bir depolama malzemesi izotermik olarak katılaşır/eritilir. Bu durumda da çift ısı iletiminden dolayı bir ekserji kaybı meydana gelir. Ayrıca, bu tür faz değiştiren malzemeler hala çok pahalıdır.
Seçilen depolama ortamının termodinamik verilerini gösterir. Karakteristik bir parametre termal penetrasyon katsayısı a'dır. Denklem ath'ye göre termal iletkenlik λ, depolama ortamının yoğunluğu ρSM ve özgül ısı kapasitesi cp çarpımının kökü olarak tanımlanır.
Radyasyonu emen elementler
Radyasyonu engelleyen maddeler
Radyasyon emici taş
Evde radyasyondan korunma yolları
Tehlikeli radyasyon seviyesi
İyonlaştırıcı OLMAYAN radyasyon nelerdir
İyonlaştırıcı radyasyon nelerdir
Elektromanyetik dalgaları engelleyen maddeler
Termodinamik Döngüler
Isı ekserjisi kapalı veya açık çevrimlerle kullanılabilir. Bu işlemlerde, bir çalışma ortamı, ya ısı alışverişinden ya da iş performansından kaynaklanan bir dizi durum değişikliğine uğrar.
- Çalışma ortamının tekrar aynı işlemden geçebilmesi için başlangıç durumu son durumla aynıysa, işlem "kapalı döngü" olarak adlandırılır.
- Çalışma ortamı "tükenmez" bir rezervuarın (örn. ortam havası) parçasıysa ve son durumu başlangıç durumundan farklıysa, süreç "açık çevrim" olarak adlandırılır, ancak tam anlamıyla böyle bir süreç aynı zamanda son durum değişikliği gerçek sürecin dışında, yani "tükenmez" rezervuar içinde gerçekleştiği için kapalıdır.
Aşağıda bu tür döngüler sıcaklık/entropi diyagramları aracılığıyla gösterilmektedir.
Bu gösterimler, hem izotermal (yani sabit sıcaklıklar) hem de izentropik (yani sabit entropi) durum değişikliklerinin düz çizgiler olarak gösterilebilmesi avantajını sunar.
Carnot çevrimi içinde, tüm ekserji sağlanan ısıdan çıkarılır, böylece tam çalışma kapasitesi kullanılabilir hale gelir. Bu döngü, izantropik sıkıştırma/açma (yani basınç değiştirme işinin performansı) ve izotermal ısı beslemesi ve dağılımından oluşur. Carnot döngüsü ideal bir karşılaştırmalı süreçtir; ancak esas olarak izantropik sıkıştırma/genişletme uygulamaya konulamaz.
Ericson döngüsü, ideal bir Carnot döngüsüne yönelik ilk teknik yaklaşımı temsil eder; izobarik sıkıştırma ve genişleme, izentropik sıkıştırma/açma işleminin yerine geçer. Bu döngüde ısının eklenmesi ve tahliyesi dahili ısı iletimi ile desteklenir.
Stirling döngüsü, Ericson döngüsüne benzer. Ancak sıkıştırma/açma izokordur.
- Joule çevrimi, izantropik sıkıştırma, izobarik ısı ilavesi (yanma), izantropik genleşme ve izobarik ısı dağılımından oluşur.
- Clausius-Rankine döngüsü (buhar gücü döngüsü/iki fazlı döngü), maddelerin faz dönüşümünü kullanır. Bu tür faz dönüşümleri, izotermal ısı ilavesine ve belirli hacimdeki büyük ilavelere karşılık gelir.
Teknik uygulamaları kolaydır (izotropik sıkıştırma/açma, izotermal ısı ekleme ve dağıtma). Bu nedenle, bu tür işlemler önce teknik olarak uygulandı. Mevcut endüstriyel uygulamalar için en yaygın olarak Joule ve Rankine çevrimleri uygulanır.
- Joule döngüsü için çalışma ortamı olan "ortam havası" emilir ve ısı eklenmeden önce sıkıştırılır. Isı, kalorik cihazlarla veya içten yanmayla (örn. doğal gazın yanmasıyla) eklenebilir.
Güneş enerjisi uygulamaları için ısı, soğurucudan doğrudan enerji dönüştürme işleminin çalışma ortamına aktarılır. Hacimsel soğurucunun kendisi, hem ısı transferi hem de radyasyon emiliminden faydalanmak için çok geniş bir yüzeye sahiptir.
Çalışma ortamı olarak basınçlı hava kullanıldığından, böyle bir soğurucu kapalı tasarımda olmalıdır. Örneğin bir ısı transfer ortamı aracılığıyla dolaylı ısı ilavesi, çalışma ortamı havasının yalnızca zayıf bir termal iletkenliğe sahip olması ve dolayısıyla ısı iletimi için geniş yüzeyler gerektirmesi nedeniyle dezavantajlıdır.
- Clausius-Rankine çevrimi, aksine, izotermal ısı ilavesine izin vermek için bir faz değişim ortamı gerektirir. Çoğu durumda su uygulanır, ancak düşük sıcaklıklı uygulamalar için organik çalışma ortamı kullanan işlemler de vardır.
Başlangıçta sıvı çalışma ortamı yüksek basınçlıdır ve ısı verilirken faz değişimine uğrar. Şimdi gaz halinde olan malzeme, muhtemelen daha fazla ısı eklendikten sonra genleşir. Daha sonra ısı dağıtılırken düşük basınç altında yoğuşturma gerçekleştirilir.
Radyasyonun Düzeni
Gelen güneş ışınımının bir kısmı uzaya geri yansıtılır. Bu kesir, Dünya-atmosfer sisteminin albedo a0’ı olarak adlandırılır. a0’ın yıl ve enlem-boylam ortalaması yaklaşık 0,35’tir.
Bu, yaklaşık 0,2 bulutlardaki yansımadan, 0,1 bulutsuz atmosferdeki yansımadan (parçacıklar, gazlar) ve 0,05 Dünya yüzeyindeki yansımadan oluşur. Şekil 2.8, devam eden uydudan türetilen, o yılın iki ayı için a0 dağılımını vermektedir.
Yıldan yıla Dünya’nın sıcaklığında büyük bir değişiklik meydana gelmediğinden, Dünya-atmosfer sisteminin radyasyon dengesinde olması beklenir, yani kara cisim radyasyonu gibi etkin bir sıcaklık T0 atfedilebilir. bu sıcaklıkta eşittir.
Burada S güneş sabitidir ve σ = 5.7×10-8 Wm-2 K-4 Stefan sabitidir. 1/4 faktörü, Dünya’nın Güneş’e bakan tarafından gelen radyasyonun yarımküre üzerindeki S cosθ’nın integrali olması, giden radyasyonun ise tüm küre üzerinde tekdüze olması nedeniyle gelir (tanım gereği, bir ortalamayı tanımlamak için kullanıldığında). etkili sıcaklık). Atmosferin tepesindeki net radyasyon akışı yazılabilir.
T0’ın Dünya yüzeyindeki gerçek ortalama sıcaklıktan 34 K daha düşük olması, bulutlardan ve atmosferden gelen yeniden radyasyon nedeniyle ısının Dünya yüzeyinin yakınında biriktiğini gösterir. Buna sera etkisi denir ve aşağıda yerdeki radyasyon akıları tartışılırken daha ayrıntılı olarak açıklanacaktır.
Atmosferin tepesindeki net radyasyon akışı, E0, coğrafi konumun yanı sıra zamanın da bir fonksiyonudur. Uzunlamasına varyasyonlar küçüktür. E0 , A0 fleksiyon akısının enlem dağılımını verir.
R0, φ’den oldukça bağımsız olmasına rağmen, kutuplara doğru gidildikçe albedo a0 artar. Radyasyonun çoğu düşük enlemlerde emilir ve net akı 40°’nin altındaki enlemlerde bir fazlalık ve daha yüksek mutlak enlemlerde bir eksiklik gösterir.
Ekvatoral ortalama sıcaklıklarda kademeli bir artış ya da kutup sıcaklıklarında benzer bir düşüş olmadığı için, alçak enlemlerden her iki kutba doğru bir enerji aktarımı olmalıdır. Bu akışı üreten mekanizmalar okyanus akıntıları ve rüzgarlardır.
Net radyasyon akısının (radyasyon atmosferin tepesindeki tek enerji transfer modu olduğu için) enlem değişimi tarafından anında verilen gerekli kutup yönünde enerji taşınımı miktarı verilir ve bu aynı zamanda ölçülen değeri de gösterir. okyanus taşımacılığının payı.
Taşınan toplam enerji miktarı |φ | = 40°, ancak enlem dairelerinin toplam çevresi enlem arttıkça azaldığından, enlem dairesinin birim uzunluğundaki maksimum enerji aktarımıdır.
Radyasyondan KORUNMA yöntemleri
Radyasyon türleri
Günlük hayatta radyasyon
Radyasyonun zararları
En çok radyasyon yayan cihazlar
Alfa, beta, gama ışınları
Alfa radyasyonu
Radyoaktif maddeler
Dünya Yüzeyindeki Radyasyon
Dünya yüzeyinde alınan radyasyon, doğrudan ve saçılmış (artı yansıyan) kısa dalga boylu radyasyon ile gökyüzünden ve bulutlardan gelen uzun dalga boylu radyasyondan oluşur ve termal emisyon veya yerden termal radyasyonun yansımasından kaynaklanır.
Doğrudan ve dağınık radyasyon
Doğrudan radyasyon, atmosferde saçılma yaşamamış radyasyon olarak tanımlanır, böylece Güneş diskinden gelen yönlü olarak sabitlenir.
Saçılan radyasyon, o halde, atmosferde saçılma süreçleri yaşamış olan radyasyondur. Uygulamada, saçılmamış radyasyonla birlikte yalnızca ileri saçılma süreçleri yaşayan radyasyonu ele almak ve böylece doğrudan ve saçılmış radyasyonu Güneş yönünden gelen veya gelmeyen radyasyon olarak tanımlamak genellikle uygundur.
Doğrudan radyasyonu tanımlamak için kullanılan Güneş etrafındaki disk alanı genellikle akıldaki uygulamaya bağlı olarak seçilir (örneğin, doğrudan radyasyon ölçümü için yapılmış bir optik cihazın katı kabul açısı).
Her halükarda, bu şekilde tanımlanan “doğrudan radyasyon”, Güneş diskinin sonlu katı açısından dolayı yeterince küçük sapma açılarına sahip saçılmış radyasyon içerecektir.
Bireysel saçılma ve absorpsiyon süreçleri aşağıda daha ayrıntılı olarak tartışılacaktır, ancak spektral dağılımda atmosferden geçişe bağlı değişiklikler hakkında bir ilk izlenim vermek için, deniz seviyesinde hayatta kalan radyasyon miktarını gösterir.
Spektrumun düşük frekanslı kısmında çok sayıda soğurma çizgileri ve soğurma bantları görülebilir (0,7 × 10-6 m’nin üzerindeki dalga boylarına karşılık gelir). H2O, CO2, O2, N2O, CH4 ve atmosferdeki diğer küçük bileşenlerden kaynaklanırlar.
Daha yüksek frekanslarda sürekli absorpsiyon bantları, özellikle O3’ünkiler baskındır. Yaklaşık 0,5 × 10-6 m, O3 tarafından kısmi absorpsiyon, spektrumda ve 0,3 × 10-6 m’lik bir dalga boyunun altında (tayfın ultraviyole kısmı) veya 9,8 × 1014 s-1’in üzerinde bir frekansta bir düşüş oluşturur. , ozon tarafından absorpsiyon pratik olarak tamamlanmıştır.
Radyasyonun Dünya Yüzeyindeki Yerleşimi
Ortalama olarak, Dünya yüzeyine ulaşan kısa dalga boyundaki radyasyonun kabaca yarısı dağılmıştır. Dünya yüzeyindeki doğrudan ve dağınık radyasyonu sırasıyla D ve d olarak ifade ederek ve yüzey seviyesini ayırt etmek için s alt simgesini kullanarak (atmosferin üstü için “0” alt simgesi kullanıldığından), toplam gelen kısa- Dünya yüzeyindeki dalga boyu radyasyonu yazılabilir.
Burada yüzey albedo, aynasal yansımayı (yani ışın ile reddeden yüzeye normal arasındaki açıyı koruyan yansıma) ve kullanılmayan yansımayı açıklayan bir kısımdan oluşur. Burada dağınık yansıma, huzme yansımasını karakterize eden bir açıdan farklı açılardaki herhangi bir yansıma olarak alınır.
Aşırı bir dağınık yansıma durumu (“kısmen dağınık”tan farklı olarak bazen “tamamen dağınık” olarak ifade edilir), yansıyan radyasyonun açısal dağılımının geliş açısından bağımsız olduğu durumdur.
Gelen kısa dalga boyundaki akı Es+w’nin enlem dağılımını ve bunun doğrudan D ve dağınık kısım d olarak bölünmesini verir. Akılar yıl ve boylam ortalamalarıdır. Benzer şekilde, enlemin bir fonksiyonu olarak Dünya yüzeyindeki ve bileşenlerindeki net radyasyon akışının toplam yıllık ve boylam ortalamasını verir.
Rakamlar, doğrudan ve dağınık radyasyonun çoğu enlem için karşılaştırılabilir büyüklükte olduğunu ve Dünya yüzeyindeki toplam net radyasyon akışının kutuplar dışında pozitif olduğunu göstermektedir.
Gelen (gökyüzünden ve bulutlardan) ve giden radyasyon arasındaki uzun dalga boyu farkındaki değişimler, düşük ve yüksek enlemler arasındaki sıcaklık farkının, emilen kısa dalga boylu radyasyondaki güçlü değişimi telafi edecek kadar büyük olmadığını gösterir.
Sonuç, Dünya-atmosfer net radyasyon akışının araştırılmasından elde edilenle aynıdır. Ya Dünya yüzeyinden (örneğin okyanus akıntıları) ya da atmosferden (radyasyon dışındaki yollarla yüzey ve atmosfer arasındaki enerji transfer süreçleriyle birlikte rüzgarlar) kutuplara doğru bir ısı taşınması gereklidir.