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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Wie viel Sonnenenergie trifft auf die Erde? Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Die Sonne strahlt eine enorme Energiemenge ab – etwa 1,1x1020 kWh pro Sekunde. Eine Kilowattstunde ist die Energiemenge, die benötigt wird, um eine 100-Watt-Glühbirne 10 Stunden lang zu betreiben. Die äußere Atmosphäre der Erde fängt etwa ein Millionstel der von der Sonne emittierten Energie, also etwa 1500 Billiarden (1,5 x 1018) kWh pro Jahr, auf. Aufgrund der Reflexion, Streuung und Absorption durch atmosphärische Gase und Aerosole erreichen jedoch nur 47 % der gesamten Energie, also etwa 700 Billiarden (7 x 1017) kWh, die Erdoberfläche.
Die Sonnenstrahlung in der Erdatmosphäre wird in die sogenannte Direktstrahlung unterteilt und durch in der Atmosphäre enthaltene Partikel aus Luft, Staub, Wasser usw. gestreut. Ihre Summe bildet die gesamte Sonnenstrahlung. Die pro Flächeneinheit und Zeiteinheit fallende Energiemenge hängt von einer Reihe von Faktoren ab:
Zeit und geografischer Ort Die Menge der Sonnenenergie, die auf die Erdoberfläche fällt, ändert sich aufgrund der Bewegung der Sonne. Diese Änderungen hängen von der Tages- und Jahreszeit ab. Normalerweise trifft mittags mehr Sonnenstrahlung auf die Erde als frühmorgens oder spätabends. Mittags steht die Sonne hoch über dem Horizont und der Weg der Sonnenstrahlen durch die Erdatmosphäre verkürzt sich. Dadurch wird weniger Sonnenstrahlung gestreut und absorbiert, wodurch mehr an die Oberfläche gelangt. Die Menge der Sonnenenergie, die die Erdoberfläche erreicht, weicht vom durchschnittlichen Jahreswert ab: im Winter weniger als 0,8 kWh/m2 pro Tag in Nordeuropa und mehr als 4 kWh/m2 pro Tag im Sommer in derselben Region. Der Unterschied nimmt ab, je näher man dem Äquator kommt.
Die Menge der Sonnenenergie hängt auch von der geografischen Lage des Standorts ab: Je näher am Äquator, desto größer. Beispielsweise beträgt die durchschnittliche jährliche Gesamtsonnenstrahlung, die auf eine horizontale Fläche einfällt, in Mitteleuropa, Zentralasien und Kanada etwa 1000 kWh/m2; im Mittelmeerraum - ca. 1700 kWh/m2; in den meisten Wüstenregionen Afrikas, des Nahen Ostens und Australiens etwa 2200 kWh/m2. Daher variiert die Menge der Sonneneinstrahlung je nach Jahreszeit und geografischem Standort erheblich (siehe Tabelle). Dieser Faktor muss bei der Nutzung von Solarenergie berücksichtigt werden.
Der Einfluss der Wolken auf die Sonnenenergie Die Menge der Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht, hängt von verschiedenen atmosphärischen Phänomenen und vom Stand der Sonne sowohl tagsüber als auch das ganze Jahr über ab. Wolken sind das wichtigste atmosphärische Phänomen, das die Menge der Sonnenstrahlung bestimmt, die die Erdoberfläche erreicht. An jedem Punkt der Erde nimmt die Sonnenstrahlung, die die Erdoberfläche erreicht, mit zunehmender Wolkendecke ab. Folglich erhalten Länder mit überwiegend bewölktem Wetter weniger Sonnenstrahlung als Wüsten, in denen das Wetter überwiegend wolkenlos ist. Die Wolkenbildung wird durch das Vorhandensein lokaler Gegebenheiten wie Berge, Meere und Ozeane sowie großer Seen beeinflusst. Daher kann die Menge der Sonneneinstrahlung, die in diesen Gebieten und den angrenzenden Regionen empfangen wird, unterschiedlich sein. Beispielsweise erhalten Berge möglicherweise weniger Sonneneinstrahlung als angrenzende Ausläufer und Ebenen. Winde, die in Richtung Berge wehen, lassen einen Teil der Luft aufsteigen und kühlen die Feuchtigkeit in der Luft ab und bilden Wolken. Auch die Menge der Sonneneinstrahlung in Küstengebieten kann von der im Landesinneren gemessenen Menge abweichen. Die Menge der tagsüber empfangenen Sonnenenergie hängt weitgehend von lokalen atmosphärischen Phänomenen ab. Mittags bei klarem Himmel die totale Sonne Strahlung, die auf eine horizontale Fläche fällt, kann (z. B. in Mitteleuropa) einen Wert von 1000 W/m2 erreichen (bei sehr günstigen Wetterbedingungen kann dieser Wert auch höher sein), während sie bei sehr bewölktem Wetter selbst bei unter 100 W/m2 liegt Mittag. Auswirkungen atmosphärischer Verschmutzung auf die Solarenergie Auch anthropogene und natürliche Phänomene können die Menge der Sonnenstrahlung begrenzen, die die Erdoberfläche erreicht. Städtischer Smog, Rauch von Waldbränden und in der Luft schwebende Vulkanasche verringern die Nutzung von Sonnenenergie, indem sie die Streuung und Absorption der Sonnenstrahlung erhöhen. Das heißt, diese Faktoren haben einen größeren Einfluss auf die direkte Sonneneinstrahlung als auf die Gesamtstrahlung. Bei starker Luftverschmutzung, zum Beispiel durch Smog, wird die direkte Strahlung um 40 % reduziert, die Gesamtstrahlung nur um 15-25 %. Ein starker Vulkanausbruch kann die direkte Sonnenstrahlung über einen großen Bereich der Erdoberfläche um 20 % und insgesamt um 10 % für einen Zeitraum von 6 Monaten bis 2 Jahren reduzieren. Mit abnehmender Menge an Vulkanasche in der Atmosphäre schwächt sich der Effekt ab, der Prozess der vollständigen Erholung kann jedoch mehrere Jahre dauern. Das Potenzial der Sonnenenergie Die Sonne stellt uns 10-mal mehr kostenlose Energie zur Verfügung, als tatsächlich weltweit verbraucht wird. Allein der globale kommerzielle Markt kauft und verkauft knapp 000 Billionen (85 x 8,5) kWh Energie pro Jahr. Da es unmöglich ist, den gesamten Prozess zu verfolgen, ist es nicht möglich, mit Sicherheit zu sagen, wie viel nichtkommerzielle Energie die Menschen verbrauchen (z. B. wie viel Holz und Dünger gesammelt und verbrannt werden, wie viel Wasser für die mechanische oder elektrische Produktion verwendet wird). Energie). Einige Experten schätzen, dass diese nichtkommerzielle Energie ein Fünftel der gesamten verbrauchten Energie ausmacht. Aber selbst wenn das wahr wäre, beträgt der gesamte Energieverbrauch der Menschheit im Laufe eines Jahres nur etwa ein Siebtausendstel der Sonnenenergie, die im gleichen Zeitraum auf die Erdoberfläche trifft. In entwickelten Ländern wie den USA beträgt der Energieverbrauch etwa 25 Billionen (2.5 x 1013) kWh pro Jahr, was mehr als 260 kWh pro Person und Tag entspricht. Dies entspricht dem täglichen Betrieb von mehr als 100 33-W-Glühlampen einen ganzen Tag lang. Der durchschnittliche US-Bürger verbraucht 13 Mal mehr Energie als ein Inder, XNUMX Mal mehr als ein Chinese, zweieinhalb Mal mehr als ein Japaner und doppelt so viel wie ein Schwede. Die Menge an Sonnenenergie, die die Erdoberfläche erreicht, ist um ein Vielfaches größer als ihr Verbrauch, selbst in Ländern wie den Vereinigten Staaten, wo der Energieverbrauch enorm ist. Wenn nur 1 % der Landesfläche für die Installation von Solaranlagen (Photovoltaik-Paneele oder Solarwarmwassersysteme) mit einem Wirkungsgrad von 10 % genutzt würde, wären die USA vollständig mit Energie versorgt. Das Gleiche gilt auch für alle anderen entwickelten Länder. Dies ist jedoch in gewissem Sinne unrealistisch – erstens aufgrund der hohen Kosten von Photovoltaikanlagen und zweitens, weil es unmöglich ist, so große Flächen mit Solaranlagen abzudecken, ohne das Ökosystem zu schädigen. Aber das Prinzip selbst ist richtig. Es ist möglich, die gleiche Fläche abzudecken, indem die Installationen auf den Dächern von Gebäuden, auf Häusern, an Straßenrändern, auf vorgegebenen Grundstücksflächen usw. verteilt werden. Darüber hinaus sind in vielen Ländern bereits mehr als 1 % der Fläche für die Gewinnung, Umwandlung, Produktion und den Transport von Energie vorgesehen. Und da der Großteil dieser Energie im Maßstab der menschlichen Existenz nicht erneuerbar ist, ist diese Art der Energieerzeugung viel schädlicher für die Umwelt als Solaranlagen.
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