Solárna konštanta
Prezentácia/esej (škola) 2001 10 strán
Ukážka čítania
Štruktúra:
1. Slnko a slnečná konštanta
2. Rôzne metódy určovania slnečnej konštanty
2. 1. Príklad experimentu 1 - experiment od ruky
2. 2. Experimentálny príklad 2 - Stanovenie solárnej konštanty
2. 2. Experimentálny príklad 3 - meranie slnečnej konštanty
3. experiment - stanovenie slnečnej konštanty
3. 1. Úloha
3. 2. Ukážka
3. 3. Implementácia
3. 4. Tabuľky nameraných hodnôt
3. 5. Vyhodnotenie
3. 6. Posudzovanie chýb
1. Slnko a slnečná konštanta
Energia, ktorú slnko vyžaruje každú hodinu, každý deň - ktorú neustále vysiela, nie je len astronomicky zaujímavá, pretože tento výkon žiarenia určuje život na zemi. Život na našej planéte by nebol možný bez slnka ako zdroja energie. V súčasnosti sa ako zdroj energie využíva to, čo v minulosti svietilo slnko: ropa, zemný plyn, drevo a uhlie.
To, čo je vyžarované zo slnka, je pomerne ťažké zmerať z povrchu zemského, pretože zemská atmosféra absorbuje značnú časť žiarenia aj v najjasnejších dňoch vo vysokých horách, a to aj vo viditeľnom rozsahu. Okrem toho je zemská atmosféra pre veľké plochy úplne nepriepustná pre ultrafialové a infračervené žiarenie. Aj pri čo najopatrnejšej korekcii týchto účinkov sú merania na zemskom povrchu postihnuté chybami, ktoré presahujú hranicu jedného percenta. Pred niekoľkými desaťročiami sa výsledky merania líšili až o päť percent a niekedy, aj keď len v ojedinelých prípadoch, sa neistoty merania uvádzali ako skutočné kolísanie výkonu slnečného žiarenia.
Zatiaľ čo dnes sa vyžarovaná energia udáva vo wattoch na meter štvorcový, jednotková kalória na centimeter štvorcový a minúta bývali bežné. Obe jednotky sa dajú ľahko spojiť do seba. Kalória je popisné množstvo: udáva množstvo tepla, ktoré ohreje jeden gram vody o jeden stupeň. Aktuálna jednotka energie je jeden joule, jednotka výkonu - t.j. energia za čas - jeden watt.
Dnešná presná definícia solárnej konštanty je: Solárna konštanta je tok energie vychádzajúci zo slnka, ktorý každú sekundu preniká do jednotkovej oblasti (1 m²) orientovanej kolmo na smer žiarenia vo vzdialenosti 1 AU od slnka.
Podľa toho možno skutočnú slnečnú konštantu merať iba zo Zeme.
Posledné merania sily slnečného žiarenia sa uskutočňovali zo satelitov. Dlhšia séria meraní vykonaných na palube misie Solar Maximum Mission (SMM) na začiatku 80. rokov 20. storočia ukázala solárnu konštantu (na hladine mora) S = 1367 wattov na meter štvorcový - prepočítanú na staršiu jednotku: 1,96 kalórií na centimeter štvorcový a minútu. To zodpovedá prebiehajúcej prevádzke varnej platne na sporáku alebo žehličky.
Táto hodnota však už na zemi kolíše, vo výške 3 400 m je solárna konštanta napríklad 1,6 kW/m², pretože atmosféra je stále tenšia a absorpcia preto stále menšia. Mimo zemskej atmosféry na obežnej dráhe blízko Zeme je to dokonca 1,9 kW/m².
V tejto súvislosti vyvstáva zaujímavá otázka: Koľko metrov štvorcových priestoru by každý občan potreboval na pokrytie všetkých svojich energetických potrieb? Štatistiky za rok 1992 ukazujú celkovú spotrebu 409 miliónov ton jednotiek čierneho uhlia v západnom Nemecku. To je 6,3 tony SKE na obyvateľa alebo ekvivalent 51 400 kilowatthodín na obyvateľa ročne. Hodnota 50 000 kilowatthodín zďaleka prevyšuje sumu, ktorá sa uvádza na účte za elektrinu pre domácnosť, pretože zahŕňa všetku priemyselnú spotrebu energie. Vrátane toho je za takmer 8 800 hodín v roku nevyhnutná energia, ktorú by musel každý občan sprístupniť za sekundu, 5,9 kilowattov. Slnko dodáva 1,4 kilowattov na meter štvorcový, takže každý občan by na svoju spotrebu energie potreboval plochu 4,3 metrov štvorcových. Aj v husto obývanom Nemecku s viac ako 250 obyvateľmi na kilometer štvorcový má každý občan k dispozícii 3 800 metrov štvorcových, teda plochu, ktorá je takmer 1 000-krát väčšia ako plocha potrebná na spotrebu energie.
Samozrejme, tieto čísla sú nadhodnotené, pretože energiu využíva aj nehumánna povaha; deň sa považoval za 24 hodín; nevzalo sa do úvahy, že časť energie sa absorbuje v atmosfére. Odhad však môže ukázať, že energia vyžarovaná zo slnka je zďaleka dostatočná na to, aby navždy uspokojila všetky potreby ľudstva. Na nastavenie prijímacích plôch na premenu slnečnej energie na bežné formy energie by bola potrebná iba malá časť dostupného priestoru. Využívanie solárnej energie bude výzvou pre nie príliš vzdialenú budúcnosť, pretože fosílne zdroje energie sú obmedzené a jadrová energia sa ukázala ako problematická. Napriek tomu ekologické a regeneračné metódy výroby energie zo slnka, solárnej tepelnej energie a fotovoltaiky ešte nie sú vhodné na pokrytie našej spotreby energie. Ich účinnosť je príliš nízka a výsledná spotreba priestoru je príliš vysoká
Snáď jedného dňa budeme mať prístup k metóde výroby energie, ktorú slnko používa na výrobu tak obrovského množstva energie, k jadrovej fúzii. Vedci predpokladajú, že prvá elektráreň na jadrovú fúziu na Zemi bude pripojená k internetu asi za 30 rokov.
Aká konštantná je však slnečná konštanta, teda energia, ktorá na nás neustále vyžaruje? V priebehu týždňov a mesiacov sú výkyvy menšie ako jedna promile.
Väčšie krátkodobé výkyvy niekoľko tisíc sa dajú pripísať zvýšenému výskytu slnečných škvŕn. Dlhodobé účinky sa nedajú s istotou preukázať. V jednom cykle slnečných škvŕn môžu nastať menšie zmeny okolo 0,1%. V kontexte dnešnej veľmi vysokej presnosti merania sa dá predpokladať, že slnečná konštanta je skutočná konštanta za predpokladu, že možno ignorovať účinky hviezdneho vývoja v rozmedzí miliónov alebo dokonca miliárd rokov.
2. Rôzne metódy určovania slnečnej konštanty
Všetky tu uvedené experimenty v zásade sledujú jednu a tú istú schému. Telo je ohrievané alebo ohrievané slnečným žiarením, toto otepľovanie sa meria a solárna konštanta sa počíta z energie potrebnej na zahriatie. Presnú hodnotu solárnej konštanty samozrejme nemožno určiť v žiadnom z nasledujúcich experimentov. Zdroje chýb sú na to príliš vážne.
2. 1. Príklad 1 - Experiment od ruky určením slnečnej konštanty
Prvý experimentálny príklad, ktorý sem chcem pridať, nie je experimentom, pomocou ktorého je možné presne určiť slnečnú konštantu, skôr ide o experiment, pri ktorom, ako to vo fyzike nebýva zvykom, záleží na pocite a hádaní. Dá sa to však uskutočniť s veľmi málo zdrojov.
Potrebujete testovaciu osobu, žiarovku a centimetrový pravítko. Okrem toho samozrejme musí svietiť slnko, prospešný by bol aj malý vietor.
Realizácia: Testovaná osoba môže svietiť slnkom na jedno líce. Druhý je osvetlený žiarovkou. Lampa sa používa na priblíženie sa k odhalenému lícu, až kým si testovaná osoba nemyslí, že obe jej líca sú zahrievané rovnako. Počas toho by mala mať zatvorené oči.
Teraz zmerajte vzdialenosť r od stredu žiarovky po líce a odčítajte výkon P žiarovky.
Teraz je čas na výpočet. Predpokladajme, že bola načítaná výkonová žiarovka P = 60 W a bol nameraný polomer r = 7 cm. Lampa by potom ožarovala líce zo vzdialenosti 7 cm rovnako silno ako slnko zo vzdialenosti 150 000 000 km. Rozdelil by svoju silu rovnomerne na oblasť gule s polomerom r = 7 cm, ktorú si predstavujeme okolo žiarovky (líc predmetu je časťou tejto sférickej oblasti). Táto guľa má povrchovú plochu
Žiarovka = 4 x p x r² = 4 x 3,14 x (7 cm) ² = 615 cm².
Pretože obe tváre boli zahrievané rovnako, slnko by tiež vyslalo 60 wattov na asi 0,0615 m² zbernej plochy.
Teraz môžete pomocou svojich meraní vypočítať, koľko energie svieti slnko na jeden meter štvorcový zemského povrchu.
P lampa: A lampa = P slnko: 1 m²
Po vložení vzorových hodnôt a zmene rovnice podľa P slnko získate hodnotu slnečného výkonu, ktorá tiež označuje solárnu konštantu 976 W/m² (pre tu vybrané príkladné hodnoty), pretože bola vypočítaná sila na meter štvorcový.
2. 2. Príklad 2 - Stanovenie solárnej konštanty
Pre druhý experimentálny príklad potrebujete podstatne viac a viac špecializovaného vybavenia ako pre prvý. Ale tento experiment je tiež vedeckejší a poskytuje presnejšie hodnoty.
Potrebujete začiernenú elektrickú varnú dosku, zdroj napätia a meracie zariadenie na napätie a jedno na prúd.
Realizácia experimentu je rozdelená do dvoch pokusov:
Pokus 1: Sčernatá varná platňa je orientovaná kolmo na dopadajúce slnečné žiarenie. Zmeria sa počiatočná stúpajúca teplota varnej platne a zaznamená sa rovnovážna teplota T, ktorá sa nakoniec stanoví.
Pokus 2: Teraz je doska elektricky vyhrievaná bez vystavenia slnečnému žiareniu. Napätie je nastavené tak, aby sa počas slnečného žiarenia nastavila rovnaká teplota T ako predtým. Len čo sa to dosiahne, z meracích prístrojov sa odčíta napätie a prúd.
Súčin sily napätia a prúdu dáva elektrickú energiu P, ktorá je rovnako veľká ako sila, ktorá spôsobila zahriatie dosky slnečným žiarením. Ak je známa plocha A varnej platne, solárna konštanta S - s odchýlkou v dôsledku vplyvu zemskej atmosféry - sa získa z S = P: A.
Samozrejme aj v tomto experimente sa meria hodnota solárnej konštanty, ktorá je pod skutočným výkonom slnka. To sa dá opäť vysvetliť atmosférickou absorpciou, ktorá absorbuje časť energie. Vietor však môže mať na experiment aj rušivý vplyv, pretože prenáša tepelnú energiu z varnej platne.
2. 3. Príklad experimentu 3 - meranie solárnej konštanty
Tento pokus možno nájsť v mnohých knihách o astronómii a fyzike. Je navrhnutý tak, aby sa dal bez problémov realizovať v triede.
Pre tento experiment potrebujete Erlenmeyerovu banku naplnenú vodou alebo podobnú nádobu a tiež tekutý teplomer.
Pred uskutočnením experimentu je potrebné vykonať určité prípravy. Najskôr sa stanoví hmotnosť Erlenmeyerovej banky, čo je potrebné na vyhodnotenie. Potom je potrebné určiť objem množstva vody, ktorou je banka naplnená. Nakoniec je dno Erlenmeyerovej banky černené plameňom alebo podobným spôsobom a je vypočítaná jeho plocha A.
Vykonať: Vodou naplnená Erlenmeyerova banka, do ktorej je ponorený teplomer, je vyrovnaná so začierneným dnom kolmo na dopadajúce slnečné žiarenie. Prichádzajúce žiarenie je takmer úplne absorbované čiernou oblasťou A a vedie k jednej z dĺžok trvania experimentu? t závislé zvýšenie teploty? T vody a banky. Celková energia žiarenia S prichádzajúca v čase? T musí byť preto merateľná ako zvýšenie tepelnej energie vody a banky:
kde tepelné kapacity C usporiadania vyplývajú zo špecifických tepelných kapacít a hmotností vody a skla:
C = c w m w + c gl m gl.
Solárnu konštantu je preto možné vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:
S = (C? T)/(A? T)
Takto vykonané skúšky vedú k hodnotám okolo 1 000 W/m² pre S.
Aj tu treba brať do úvahy, že časť slnečného žiarenia je absorbovaná v atmosfére a pri uskutočňovaní experimentu a pri jeho uskutočňovaní dochádza k stratám energie, takže skutočná hodnota solárnej konštanty musí byť nastavená vyššie.
3. experiment - stanovenie slnečnej konštanty
3. 1. Úloha
Úlohou bolo čo najpresnejšie zmerať slnečnú konštantu pomocou zariadenia skonštruovaného pánom Klixom v priebehu ročných prác v astronómii.
3. 2. Ukážka
Najskôr popíšem, ako je prístroj skonštruovaný a čo je potrebné zvážiť pred meraniami.
Zariadenie sa skladá z dreveného rámu, ktorý je navrhnutý tak, aby bol pohyblivý, aby ho bolo možné orientovať kolmo na slnečné žiarenie. Na tomto ráme je plastový valec, v ktorom je hliníkový valec, ktorý je dobre chránený pred stratou tepla polystyrénom. Je čierny, takže dokáže absorbovať veľkú časť sálavej energie. Ortuťový teplomer s veľmi presnou mierkou meria jeho teplotu. Pred meraniami sa cez otvor pre teplomer dáva trochu vody, ktorá slúži ako tepelná väzba medzi hliníkom a teplomerom. Predná plocha plastového valca je zakrytá reflexnou fóliou odrážajúcou slnečné žiarenie, ktoré svieti na oblasť mimo čiernej oblasti.
Pred začatím meraní je potrebné vykonať určité prípravy. Najprv sa musí určiť hmotnosť a merná tepelná kapacita hliníkového valca. Posledné uvedené možno nájsť v každej tabuľke a je: cAl = 0,9 kJ/(kg · K) -1. Pretože chýbali presné informácie o konštrukcii zariadenia, stanovenie hmotnosti hliníkového valca bolo plné problémov a z nich vyplývajúcich nepresností. Po určení objemu sa vypočítala hmotnosť mAl 116 g. Ďalej sa určila čierna plocha A s plochou A = 10 cm² (prepočítaná pre ďalšie výpočty: A = 0,0010 m²).
Na meranie časového rozdielu t sú okrem meracieho prístroja potrebné aj hodiny.
3. 3. Implementácia
Pred každým meraním sa do prístroja naleje trochu vody (ako je opísané vyššie). Počkáte niekoľko minút, kým sa nastaví počiatočná teplota T0. Potom je prístroj vyrovnaný kolmo na slnečné žiarenie a hodiny sú spustené. Ak teplomer ukazuje zvýšenie teploty o jeden stupeň, bude to a časový rozdiel? t nastavil. Potom je prístroj vyrovnaný kolmo na slnečné žiarenie a hodiny sú spustené. Keď teplomer ukazuje zvýšenie teploty
3. 4. Tabuľka nameraných hodnôt
Obrázok nie je súčasťou tohto výňatku
Vypočítané hodnoty solárnej konštanty sú už vložené do tabuľky kvôli lepšiemu prehľadu (pre výpočet pozri vyhodnotenie).
3. 5. Vyhodnotenie
Prichádzajúca energia žiarenia je absorbovaná čiernou oblasťou A a vedie k zvýšeniu teploty? Hliníka v časovom rozdiele?.
Solárnu konštantu je preto možné určiť pomocou nasledujúceho vzorca:
S = (mAl cAl ?T): (A ?T)
Hodnoty pre povrch A čiernej oblasti, hmotnosť mAl hliníkového valca a tepelná kapacita cAl hliníka sú známe z náhľadu a zostávajúce hodnoty pre počiatočnú teplotu T0, časový rozdiel? T a teplotný rozdiel? T je možné prevziať z tabuľky nameraných hodnôt. V ktorom ? T je rozdiel medzi okamžitou teplotou T a počiatočnou teplotou T0.
Priemerná solárna konštanta SØ, určená zo všetkých hodnôt pre S, je SØ =
1 030 W/m², zo Zeme sa dá ťažko merať oveľa viac, a preto je to prijateľná hodnota.
3. 6. Posudzovanie chýb
Zdroje chýb v tomto experimente sú rôzne, napríklad: Odvod tepla vetrom, absorpcia atmosféry a nepresná hmotnosť hliníkového telesa. To, aký silný je odvod tepla pomocou vetra, je zrejmé z malého príkladu: Pri slnení, keď slnko silno svieti, budete mať na pokožke čoskoro pocit tepla, ale akonáhle dôjde k malému vetru, tento pocit veľmi rýchlo zmizne. Pretože hliník je dobrým vodičom tepla, vydáva tepelnú energiu rovnako rýchlo, ako ju absorbuje.
Okrem toho zariadenie unikalo a tým strácalo vodu, čo znamená ďalšie tepelné straty.
Najtrvalejší vplyv na experiment mala skutočnosť, že neboli známe presné veľkosti jadra zariadenia, teda hliníkového valca.
Beck´sche série Wolfgang Mättig - Slnečná učebnica - základný kurz astronómie