Шкільна задачка для дорослих: як взимку зробити літо? (доп.)
Чи задумувалися Ви коли-небудь над питанням, дотичним до поставленого в заголовку, а саме: “Чому буває зима і літо”? Я задавав його декільком своїм знайомим і майже ніхто не зміг самостійно відповісти. Перше, що людям приходить в голову: “Бо Сонце взимку далеко відходить від Землі і через це тепло не доходить до неї”. Неправда. Ба більше, саме взимку наша планета знаходиться на найближчій відстані до Сонця. Давайте розбиратися разом, повернувшись до нашого основного гасла Майдану: “Розумом і силою”, а якщо точніше - "Силою розуму" (http://www2.maidan.org.ua/n/arch2001/990230207). Тим більше, що знань для того треба не більше, ніж азів шкільної математики, географії та астрономії. Ні для кого не секрет, що Сонце є головним енергетичним джерелом життя на Землі, а ми щодня користуємося його акумульованими і насправді обмеженими запасами у вигляді газу, нафти, вугілля. Рано чи пізно їх ціна стане не по кишені багатьом з нас і треба буде думати, як економити та ефективно обігріти помешкання. Очевидно, доведеться повертатися до першоджерела – до Сонця. І ось тут настає ключовий момент, щоб зрозуміти, чому нам взимку холодно, а влітку спекотно, чому буває зима й літо? Саме одержавши відповіді на ці питання, ми матимемо підказку щодо варіантів обігріву за допомогою Сонця. Спочатку пропоную звернути увагу на поняття сонячної константи (http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_constant) - енергія сонячного випромінювання, яка за одну секунду надходить на 1 м2 освітленої поверхні, перпендикулярної до напрямку поширення променів Сонця. Ця величина несуттєво змінюється протягом часу і за відсутності поглинання атмосфери складає близько Fмах = 1366 Вт/м2. Сподіваюся, Ви звернули увагу, що мова йшла про перпендикулярність поверхні до напрямку поширення променів. У випадку ж, коли поверхня розташована під кутом q, то тоді на цей самий квадратний метр припадатиме потік енергії, який дорівнюватиме
F = Fмахsinq . . . . . . . . . . . . . . (1),
звідки випливає, що при зменшенні кута q від 90o до 0o потік зменшуватиметься від максимального значення Fмах до нуля. Тепер скористаємося своїми шкільними знаннями з астрономії-фізики. Ні для кого не секрет, що внаслідок постійного обертання Землі довкола власної осі Сонце поступово освітлює та нагріває обернену до нього частину нашої планети. На ній відповідно спостерігається день, а в неосвітленій – ніч. Крім того, наша планета протягом року здійснює подорож довкола Сонця по орбіті, близькій до кругової. Вісь власного обертання Землі нахилена до площини обертання Землі довкола Сонця під кутом a=23o27' (http://www.membrana.ru/articles/readers/2002/12/19/182600.html), причому напрямок кута нахилу при рухові Землі по орбіті довкола Сонця не змінюється протягом року. Як наслідок, в певній позиції північний полюс Землі нахилений до Сонця, в той час як південний – віддалений від нього. Через півроку ситуація змінюється на протилежну. Тепер розглянемо залежність (1) з точки зору встановленої закономірності. Для цього на поверхні планети в північній півкулі, максимально нахиленій до Сонця, виберемо точку на певній широті j. Сонячні промені будуть падати на поверхню під великим кутом q = 900-j+a, відповідно до (1) потік буде максимальним для цієї точки, а в північній півкулі спостерігатиметься літо. Якщо бути більш точним, то описана ситуація відповідає моменту літнього сонцестояння, що проілюстровано даними, наведеними на рисунку зліва (див. тут: http://maidan.org.ua/n/foto/1162573267) Через півроку ця сама точка відхилиться від Сонця і його промені будуть падати під кутом q = 900-j-a, відповідно до (1) потік буде мінімальним для цієї точки, а в північній півкулі спостерігатиметься зима. Тепер проведемо чисельні оцінки денних потоків тепла, які падатимуть на поверхню в різних точках України в дні літнього та зимового сонцестояння. Для цього я вибрав найпівнічніший та найпівденніший більш-менш великий населений пункт України, а також 2 міста, які близькі особисто мені та розташовані на проміжних широтах між згаданими. Широти для всіх населених пунктів знайшов в Інтернеті, відповідні дані наведені в 1-й та 2-й колонках Таблиці 1. Таблиця 1 Розрахункові дані відповідно до формул (1)-(2) для визначення денних потоків тепла, які припадають на 1 м2 горизонтальної поверхні, для різних населених пунктів України в дні літнього та зимового сонцестояння.Нас. пункт | Широта (j ) | Літнє сонцестояння | Зимове сонцестояння | Відношення потоків | ||
Трив. дня | Потік тепла (МДж/(м 2* світл.день) | Трив. дня | Потік тепла (МДж/(м 2*світл.день) | |||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
Семенівка (Черніг.обл.) | 52.18о | 16 год. 47 хвил. | 49.37 | 7 год. 43 хвил. | 6.02 | 8.21 |
Київ | 50.7о | 16 год. 27 хвил. | 49.24 | 8 год. 1 хвил. | 6.88 | 7.15 |
Олександрія (Кіровогр. обл.) | 48.67о | 16 год. 9 хвил. | 49.45 | 8 год. 17 хвил. | 8.01 | 6.18 |
Ялта | 44.48о | 15 год. 33 хвил. | 49.70 | 8 год. 50 хвил. | 10.48 | 4.74 |
q = qмахsin(p*t/T) . . . . . . . . . . . . . . (2),
де t змінюється в інтервалі від нуля до T – тривалості дня, а qмах дорівнює (900-j+a) для літнього та (900-j-a) для зимового сонцестояння. Шляхом інтегрування залежностей (1)-(2) одержуємо денні потоки тепла за відсутності втрат в атмосфері, які припадають на 1 м2 горизонтальної поверхні, для різних населених пунктів України в дні літнього та зимового сонцестояння. Відповідні дані наведені в колонках 3-6 Таблиці 1. Тривалості дня для різних населених пунктів України на широті j знайдені за допомогою програми “Сонячний калькулятор” (http://www.hmn.ru/index1.php?code=42). В сьомій колонці Таблиці 1 наведене співвідношення денних потоків тепла між днями літнього та зимового сонцестояння. Як показує аналіз, чим північніша точка та чим більшу широту вона має, тим більше співвідношення. Фактично, поява зими викликана малими потоками сонячної енергії, які припадають на одиницю горизонтальної земної поверхні. А фундаментальною причиною приходу зими та літа є нахил осі планети до площини орбіти її обертання довкола Сонця. Якби такого нахилу не було, тобто на рисунку кут a дорівнював би 0о, то на нашій планеті не існувало б такого явища, як сезонний прихід зими і літа. В областях, близьких до полюсів планети круглий рік була б вічна зима, а поблизу екватора – вічне літо. Маючи відповідь на питання “Чому буває зима і літо”, легко можемо прийти до розробки ідей щодо накопичення сонячного тепла взимку. Як бачимо з даних, наведених на рисунку, нашою задачею є збільшення кута між площиною, на яку падають сонячні промені, та їх напрямком. Чи звертали Ви увагу, як ранньої весни та пізньої осені на південних вертикальних поверхнях гріються комахи? В зв’язку з цим перше, що приходить в голову, це розмістити по лінії “географічний схід-захід” вертикальну площину та накопичувати тепло, яке падатиме з південного боку. В цьому випадку в день зимового сонцестояння під час Сонця в зеніті кут між нею та променями сонця складатиме (j+a), а кількість тепла, яка падатиме в цей час на неї буде тим більшою, чим північніша точка на земній кулі! Чи не парадокс? Зовсім ні! Втім, якщо провести відповідні розрахунки для різних широт, то виявиться, що все-таки внаслідок більш короткого дня для північніших широт кількість денного тепла, яке падатиме на 1 м2 вертикальної поверхні буде зменшуватися по ходу на північ. Відповідні дані наведені в 2-й колонці Таблиці 2. Порівняння з відповідними даними, одержаними для горизонтальної поверхні (див. Табл.1) показує, що для українських широт в найкоротші зимові дні з вертикальної поверхні можна одержати в 3-4 рази більше сонячного тепла. Таблиця 2 Розрахункові дані відповідно до формул (1)-(2) для визначення денних потоків тепла (МДж/(м2*світл.день), які припадають на 1 м2 певним чином орієнтованої до Сонця поверхні, для різних населених пунктів України в день зимового сонцестояння.Нас. пункт | Вертикальна площина по лінії схід-захід | Площина по лінії схід-захід, перпендикулярна напрямку до Сонця опівдні | Режим стеження за Сонцем |
1 | 2 | 3 | 4 |
Семенівка (Черніг.обл.) | 26.13 | 28.52 | 37.95 |
Київ | 26.83 | 29.63 | 39.42 |
Олександрія (Кіровогр. обл.) | 27.25 | 30.61 | 40.73 |
Ялта | 27.95 | 32.65 | 43.44 |
Матеріал для додаткового ознайомлення: До дискусії. "Енергетичний" напрямок у розвитку Майдану (http://maidan.org.ua/static/mai/1161374371.html).
Відповіді
2006.11.12 | S@nya
Цікаво! Але, нажаль, нічого не можу сказати по суті :)
2006.11.12 | Volodymir
Ну і що Ви пропонуєте?
Якщо вспоминати школу, то дійно орбіта є фігурою, по якій Земля рухається з прискореннями, квадрати відстаней дорівнюють кубам часу, а літо на півночі настає тоді, коли планета далеченько від сонця, але із-за кута нахилу вісі поток енергії побільше. Сам якось, будучи щколярем, начитавшись бібліотечки Кванта рахував потоки, параметри орбіти Землі та дивувався, як при безкислородній атмосфері давним-давно вода не замерзала.Добре. Цікаво тільки, що робити, наприклад, із кількістю сонячних днів узимку та вітром, бо у такої фігні велика парусність, як результат - потреба у матеріалоємності.
І які технологічні рішення.
Бо виглядає як чисто теоретична розробка, або приціл на участь у программі розробки тропосферних сфер проживання.
Із вітром пропоную боротися, зобовязавши всіх володарів рекламних щитиів встановлювати такі системи.
Установки для будинків пропоную називати "будиночок Еллі". Бо якщо щось там буде стояти як паруси на кліппері, будуть виникати додаткові механічні енергії, які можна також використати.
Щодо проблеми сонячних днів (хмари), на вскидку приходить таке комплексне рішення: наставити абсолютно чорних тіл, які будуть поглинати тепло (та уникати при цьому емісії, бо чорні, та теплообміну із оточуючим повітрям - чисто відомий дьявол першого роду, або відгородити їх елекромагнітно прозорою оболонкою), теплових нанонасосів, та теплових наногенераторів, що будуть виробляти енергію для серворпиводів системи слідження за кутом падіння, а також для поставок енергії по синусоїді на інший бік земної кулі, щоб оплатити конструювання уставновки Тесли і дерижаблів системи розганння хмар та транспорту вологи і розподілення штучного снігу).
Імхо, у такій справі є прості штуки: технологічність і економіка.
Якщо сумарна вартість володіння солярної установки більша за електроенергію з атомної станції, тоді будуть проблеми із економікою (якщо термін окупності більше 10 тис. років - треба передбачити також, щоб поверхні поверталися з урахуванням прецессії земної осі).
Якщо все ок, сонячних днів повно, але технологічно потрібна 0% вологість (як сонячним батареям у пустелі - відсутність піску) - все ріно треба думати що робити (бо біосфера буде шкодити чистоті експеременту).
А так - бажаю успіхів.
Та буде світло та поглинання коротковолнового, та емісія инфрачервоного!
2006.11.12 | Вячеслав Хаврусь
Re:
Volodymir пише:> Ну і що Ви пропонуєте?
На даний момент ще нічого, хоча маю певний план і без застосування запропонованих Вами надзвичайно дорогих речей.
Насправді цю статтю я писав для пояснення ідей, які хочу викласти в своїх наступних статтях з назвами "Газ чи...?" та "Тепло в твоєму домі". Ну і заодно людям відкрити очі на не завжди очевидні речі.
2006.11.12 | Volodymir
Re: Теплові насоси і системи підігріву води
Тепловими насосами добре займаються у Новосибірску.Системами підігріву (літом) майже всі.
Це те, що я знаю.
Тепер відкрийте мені очі (це фігура мови, а не заклик),
скільки сонячних днів зимою у Києві.
Бо, імхо, Вами не враховане погливання, розсіяння та перевипромінення
особливо високочастнотних електромагнитних хвиль оптичного диапазону атмосферою в той самий сезон (особливо водою у різних фазах).
Це те, що вважають не таким очевидним винахідники
Технологічність - ось у чому проблема.
І здоровий глузд (от філософ один із Луганська порахував,
що воду вигідніше гріти електрофеном (бо дешевий пристрій),
ніж отримувати централізовано з ТЦ за введеними тарифами).
Скільки матеріалів піде для будівництва міцних конструкцій, що забезпечують нагрівання трьох відер води (це без втрат енергії, бо зимою контакт навіть с повітрям при такій поверхні буде потребувати особливого теплоносія, особливо в періоди стабільно низької температури та суцільної облачності) теж бажано зрозуміти.
Немаловажне питання, як зробити слідкуючу систему, щоб привод повертав парусну конструкцію задешево і не ламався
(більш дешева система - оргзаходи, за якими двірники вручну
повертають поля, із деякою втратою енергію пропонную навіть назву: сезонне обслуговування (СО)).
Звісно, це не критика, а питання для застосування при
попередній перевіці Ваших більш простих рішень
за методикою подібною за ТРИЗ. Без претензій на новизну
Я ж просто бажаю з юмором пыдтримати процес.
ЗИ.
Меняем канализационные трубы, прочищаем унитазы.
Недорого. Без пафоса
2006.11.12 | Вячеслав Хаврусь
Re: Теплові насоси і системи підігріву води
Volodymir пише:> Тепер відкрийте мені очі (це фігура мови, а не заклик), скільки сонячних днів зимою у Києві. Бо, імхо, Вами не враховане погливання, розсіяння та перевипромінення особливо високочастнотних електромагнитних хвиль оптичного диапазону атмосферою в той самий сезон (особливо водою у різних фазах).
Погоджуюся. Дійсно, всі розрахунки проведені без врахування поглинання в атмосфері. Фактично я навів верхню оцінку кількостей тепла. Реальні дані звичайно ж будуть нижчими.
> Скільки матеріалів піде для будівництва міцних конструкцій, що забезпечують нагрівання трьох відер води (це без втрат енергії, бо зимою контакт навіть с повітрям при такій поверхні буде потребувати особливого теплоносія, особливо в періоди стабільно низької температури та суцільної облачності) теж бажано зрозуміти.
Не спорю. Запропонована система споживання дійсно може бути лише певною підтримкою, а не заміною традиційних джерел. Вона могла б стати заміною за умови комбінування, напр. сонячна енергія+вітроенергетика+біогаз.
2006.11.13 | Volodymir
Re: Теплові насоси і системи підігріву води
Річ у тім, що Ви навели верхню оцінку для стратосфери. А враховувати треба те, що півкуля взагалі отримує менше енергії, тому отримати працююций макет можна тільки в ізольованій системі, і тут і виникають проблеми із економічною доцільністю. Взагалі, в таких системах ще дуже важливі порогові значання (наприклад, середня нижча температура найхолоднішої пятиденки, найнижча температура), як і для будь-яких систем із водою (як атмосфера - літосфера, 273->373 К фазові переходи, гомеостат в межах 300+-5К); системи такі тендітні, що навіть відхилення у арбіті на 2-3 відсотки призводить до їх руйнування (ще треба враховувати хімічний склад, впливи на конвекційні потоки - як он із Голфстиримом та із типовими ель-Ніньо, або із проектом розрахунків BBC довимоделювалися).Вітри дують у Криму, поцікавтеся чому вітряків не так багато. І свого газу із Черноморнафтогаза потрібно бути завалися (отже - ГТС-ТЕЦ набудувати можна), поцікавтеся чому ніяк не добудують. І. т.д.
От біо (солома), імхо, форевер. Проблема тільки трохи у технології спалення, та у розрусі у колгоспних мозках.
А ще у нас у планети залізне ядро. А отже можна думати про збереження таких ресурсів у комбінованих ланцюгах: E(H2O, O2).
А якщо Ви ще і про Укрнафту пишете, почніть з класичної економічної задачі: чому іноді фанта (розлити та розбавити) дорожчя за бензин (розвідати, пробурити, доставити, перегнати).
2006.11.12 | Kozinec
А що з геотермальною енергетикою?
2006.11.12 | Volodymir
Re: А що з геотермальною енергетикою?
Треба мати геотермальний градієнт.Коли я кажу про теплові насоси,
то вони у першу чергу для таких
простих схем із малими температурними
перепадами і предназначені
(і тут дійсно є технологічні та економічні результати -
енергію у більш цікавих формах, ніж тепло, можна взяти
там, де раніше це було технологічно недоступно,
Технології, звісно не українські, бо
в україні на поверхні таких умов немає,
а забуруватися глибоко небажано
через сейсмічні еффекти.
Взагалі, яб у літосферу нижче грунтових вод не ліз.
2006.11.14 | Ukrod
Теплові насоси задорогі для пересічного
українця. І вони не повністю вирішують опалення навіть одного більшого будинку.А в містах про такі технології можна забути.
Взагалі, щоби забезпечити альтернативним теплом будівлю, потрібна комбінація декількох систем. А це в грошах дуже дорого (інсталяція).
Тому поки що це нереально, як на мене.
2006.11.12 | stefan
альтернативні джерела енергії
1.Чому в Україні так мало вітро-генератрів?В Австрії,, ФРН їх достатньо.
2.Міні-гідро-е/станції.
3.Енергія хвиль.
4.Сонячні батареї.
***
Є над чим працювати.
2006.11.13 | Михайло Свистович
Re: альтернативні джерела енергії
stefan пише:> 1.Чому в Україні так мало вітро-генератрів?
Напевно, через низьку їх рентабельність
2006.11.12 | Горицвіт
Re: Шкільна задачка для дорослих: як взимку зробити літо?
Цифри не перевіряв.Крім цифр тут про що? Що можна ловити сонячну енергію, особливо коли площину повертати за Сонцем. Це давно відомо. Ця стаття має йти як вступ до огляду сонячних електростанцій? Я починав би з огляду працюючих електростанцій, потім переходив би до проектів (чужих), а вже потім давав би райдужну перспективу в масштабах Землі чи України. Тут же важливу роль грає технологія і економіка. Тобто енергію, яка впала на поверхю, треба ще перетворити чи передати (технологічна задача) і це все має бути дешевше за нафту, газ і атом і ще не зашкодити природі і зручності для людини менше ніж газ, нафта і атом. Тобто це дуже непрості проекти, які здаються порожніми мріями, якщо не підкріпити реальними прикладами. Отакі міркування.
2006.11.12 | Дж
Re: Шкільна задачка для дорослих: як взимку зробити літо?
> 12-11-2006 19:03, Вячеслав Хаврусь> Пропоную матеріал для ознайомлення та критики перед розміщенням на стартовій сайту. Сподіваюся, піднята тема буде комусь цікавою і корисною.
Проблема дійсно цікава. Але навряд в такому вигляді це буде цікаво для широкого загалу. Може в Освіту та Науку ?
2006.11.13 | igorg
Трошки інакше треба сформулювати заголовок
Я хочу звернути увагу на один момент. Уряд після підвищення цін зробив спробу заборонити системи індивідуального опалення. Це якнайкраще ілюструє справжні інтереси. Чим більше ми споживатимемо ДОРОГИХ енергоресурсів тим краще для "уряду". Але чим дорожчі енергоносії тим вигідніші енергозберігаючі технології. Але саме із ними й бореться уряд. На ділі.Можливо хтось дасть розрахунок втрат енергії 1 м голих і ізольованих труб на повітрі і в землі. Якщо є проблема із газом то потрібно КРЕДИТУВАТИ індивідуальне опалення.
Альтернативні джерела в Україні традиційно використовувалися споконвіку, коли сучасні енергоресурсів справді не вистачало.
Вітряні млини, а згодом вітряки, що качали воду були в кожному колгоспі. Я це памятаю. Водяні млини, що не потребували величезних водосховищ. Навіть елементарні воскотопки на пасіках.
Сучасні матеріали і технології здатні зробити такі пристрої супердешевими (скільки треба було раніше працювати над спорудженням вітряного чи водяного млина!) і набагато ефективнішими. Електронні пристрої керування зараз взагалі можуть бути копійковими. Адже зараз зубчасті сервоприводи штампуються із пластмас, а не виточуються і т.д.
Тобто питання лише в технологіях.
Хочу підказати ще декілька дуже важливих ресурси. Це солома. В індії із рисової соломи роблять якісний папір. Певно що наша нічим не гірша і затрат менше ніж на деревину. Інший варіант це САМАН. Цегла із суміші глини й соломи, що висушується на сонці. Цей матеріал має неперевершені теплоізоляційні властивості, але боїться вологи. Питання в технології. Зараз солому ПАЛЯТЬ на полях!!! Ми казково багаті!!!
2006.11.13 | Пані
Про саман. Ну майже.
igorg пише:> Інший варіант це САМАН. Цегла із суміші глини й соломи, що висушується на сонці. Цей матеріал має неперевершені теплоізоляційні властивості, але боїться вологи. Питання в технології. Зараз солому ПАЛЯТЬ на полях!!! Ми казково багаті!!!
Я бачила на Діскавері програму про те, як пара англійців будувала собі дуже нетрадиційний екологічний дім на півночі Франції.
Вони взяли солом`яні брикети розміром з типові залізобетонні блоки, з яких в70ті клали в совку будинки. Солома була просто кріпко зв`язана мотузками. Поклали їх як стіни в дерев`яну опалубку, з обох боків прикрили штукатурною сіткою та заштукатурили сучасною штукатуркою - розчином типу церезіту, але екологічно чистого (там казали, що це).
Ну і покрили звісно солом`яним дахом, але з додатковою гідроізоляцією всередині соломи.
Мало того, що це дешевше на порядок, тка ще й для здоров`я корисніше.
Класно вийшло, не мокне зовсім.
2006.11.14 | BIO
Заміною традиційного ставлення до "джерел"...
З планетарної т.з. традиційні вуглеродні джерела енергії що їхвикористовує людство є не чим іншим як відходами які ховаються
з поверхні та поступово (з поступом коркових плит) переводяться
в нижчи слої до мантії де і знешкоджуються.
Людство що міттево порушує цей дуууже непливкий процес буде
також міттево (відносно глобальних еволюційніх процесів) покарано
за таке бешкетування бо нічого нішпорити по сміттесховищах як
останній бомж коли від БГ йому дан такий великий розум...