background image

5 USING OF SOLAR ENERGY 

background image

5.1 Sun - an essential energy source  

Sun radiation is the basis of renewable energy sources such as: 
 

- biomass, hydro, wind and solar power.

 

Facts about the Sun 

- star (gas, glowing sphere) with diameter 1,4.10

6

 km 

- distance of the Sun from the Earth is 149,6.10

6

 km 

- mass of the Sun is 1,9891 x 10

30

 kg, that is 98 % mass of the solar system 

(planets, moons of planets, asteroids, meteors, comets, and dust),  

http://www.ta3.sk/~zkanuch/apvv/wwwheslar/pdf/1205224343_Slnko.pdf

 

http://www.astropresov.sk/ss_cisla.html

   

http://astronomy.wz.cz/info_slnko.php

  

http://www.youtube.com/watch?v=6Adt2BjZcqA&feature=related

  

http://www.youtube.com/watch?v=JWcSz6dlZfs

 

 

- age of the Sun, as the whole solar system is 

estimated to be 4.6 billion years  

- composition of the Sun: 74 % hydrogen, 

23% helium and 3% of other elements 

- Sun's surface temperature is 5780 K 

background image

- Solar energy occurs in its core, in which 

thermonuclear reaction 

are ongoing, 

- Solar core is the "nuclear furnace" with temperatures up to 15.10

6

 ºC and a density 160 

times greater than the density of water. 

- under these conditions, each colliding nuclei of hydrogen atoms combine and turn into 

helium nuclei.  

- the resulting atom is slightly lighter than the original atom, the remainder material released 

through the power. 

- every second, the Sun converts 600 million tonnes of hydrogen at about 596 million tons of 

helium 

Deuterium: isotope of hydrogen (

2

H) Configuration: 1 proton, 1 neutron, 1 electron 

Tritium: isotope of hydrogen (

3

H) Configuration: 1 proton, 2 neutrons, electrons 1 

Isotopes of the chemical element are atoms of this element with the same atomic number but with different 

numbers of neutrons (ie with different nucleon numbers). Nucleon number represents the total number of 

nucleons (ie protons and neutrons) in the atomic nucleus. 

background image

background image

- thus, every second 4,3.10

6

 ton of solar mass is converted to energy radiated 

into the surrounding space (according to Einstein's relation E=m.c

2

, it is a 

energy 3,839.10

26

 J) 

- therefore, power of this enormous "thermo nuclear reactor" is 

3,839.10

26

 W 

 

- Earth's surface receive only 

1,725.10

17

 W

 

(on the border of the atmosphere) 

from the Sun energy  

 
- it is about 10 000 times more than currently humanity needs. 
 
- solar energy comes from thermonuclear reactions converting hydrogen to 

helium (nuclear fusion), which will run according to estimates 5-7 billion years 

http://www.ta3.sk/~zkanuch/apvv/wwwheslar/pdf/1205224343_Slnko.pdf

 

http://www.astropresov.sk/ss_cisla.html

   

http://astronomy.wz.cz/info_slnko.php

 

background image

Integral value of the spectrum (the sum of energies of all the spectral elements) on the 

border of the atmosphere is called the 

solar constant 

(about 

1 367 W/m

2

Solar radiation 

is electromagnetic radiation with wavelengths in the range 250 to 2500 nm. 

1) 

Ultraviolet 

radiation (250-380 nm) 

2) 

Visible 

light (380 to 780 nm) 

3) 

Infrared 

radiation (780 - 2500 nm) 

Energy spectrum of solar radiation 

Spectral characteristics of solar radiation 

background image

http://chartsgraphs.wordpress.com/2009/11/12/understanding-the-science-of-co2%E2%80%99s-role-in-
climate-change-1-introduction/

  

Calculation of solar constant: 

background image

Size of solar constants slightly change depending on: 

http://www.skepticalscience.com/NASA-scientists-expect-more-rapid-global-warming-in-the-very-
near-future-part-2.html

 

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Seasons1.svg

 

http://www.enerpoint.net/photovoltaic_technology_1.php

    

- the actual distance of the Earth 

and the Sun (the movement is 

slightly elliptical): 

- changes in sunspot activity 

(11-year cycle): 

152 mil. km 

147 mil. km 

background image

- solar spectrum shape of the curve can be approximated by the curve a black body 

radiation (5780 K). 

Planck  law  -  every  body  that  has  a  temperature  greater  than  zero  (0)  K,  radiates 

energy.

 

The energy spectrum of solar radiation 

The spectrum of a black body radiation 

(Planck law) 

background image

10 

http://www.daa.fmph.uniba.sk/index.php?utid=64&id=110

 

Part of solar radiation is 

reflected 

by the atmosphere and 

absorbed 

in the atmosphere by 

molecules O

3

, O

2

, CO

2

, H

2

O. Atmosphere has a filter effect - especially in the UV range. 

Solar spectrum above the atmosphere and the Earth's surface

 

-in the ultraviolet part of spectrum is dominated absorption by ozone 

molecules O

3

 in the ozone layer (absorption bands) 

- in the infrared part of the radiation is dominated absorbtion mainly by 

water vapor molecules H

2

O and also CO

2

 molecules (absorption 

bands). 

The percentage of the solar 

spectrum at the Earth's surface

 

Thus, on the Earth's surface (perpendicular to Sun) maximum 

1000 W/m

2

 

reaches in good weather around midday.

 

background image

11 

Other factors that affect the size of the radiant energy to the Earth: 

- altitude (radiation passes through thinner layer of the atmosphere) 
- air pollution (causes dispersion or absorbing radiation) 
- clouds 
- angle of solar rays, which depends on: 
 

- place on the surface 

 

- date and time 

background image

12 

The decreasing of radiation is also dependent on the angle of rays, that is of the thickness 

of the atmosphere, which the radiation must pass. 
Therefore, Air Mass Factor (AM) is defined. 

AM

 is optical thickness of the atmosphere, 

which indicates – 

multiply of the thickness of the atmosphere, which light must pass

(Air Mass is the measure of how far light passes through the Earth's atmosphere) 

The optical depth of the atmosphere – AM (Air Mass factor) 

AM value for the position of the sun in the sky 

background image

13 

AM 0 – Solar radiation on the border the atmosphere (power density is appr. 1367 W/m

-

solar constant). (AM0 describes solar irradiance in space, where it is unaffected by the 

atmosphere)

 

AM 1.5 – The spectrum of solar radiation on the Earth's surface acting at an angle of 48.2° 

from the perpendicular. Solar radiation passes through the thickness of 1.5xAM. 

AM 1 - Sun is perpendicular to the ground, sunlight passes through the thickness  of 

atmosphere (1xAM).

 

 

Energy spectrum of solar radiation 

http://www.eyesolarlux.com/Solar-simulation-energy.htm

  

Note: For PV testing, the Standard Test Condition (STC) is defined as an insolation of 1000W/m

2

 at 25 °C 

and with a solar spectral distribution equivalent to global AM1.5, per ASTM G173-03 and IEC 60904-3. 

For solar simulation performance classification, a spectral irradiance distribution standard has been 

established. 

background image

14 

http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals1/index.php

 

Definition of angles to describe the position of the Sun 

s

 - elevation angle - the angle between the horizon 

and the center of the Sun 

s

 – azimuth - the angle measured in a clockwise 

direction, between geographic north and a point on the 

horizon directly below the sun 

Position of the Sun, AM value at the time of noon (i.e., 

when the Sun is during the day highest– max. 

s

) for 

different days in Berlin (Germany) and Cairo (Egypt) 

AM value depends on: 

- geographic location,  

- the date and time. 

Note: It is clear that in Cairo are at the same 

time the value of AM always less than in 

Berlin. 

background image

15 

Sun path diagram for Berlin 

http://www.pvpowerway.com/en/civil-work/shading.html

 0 

noon time  

(midday

background image

16 

- sunlight coming at a different angle to the 

Earth's surface at the poles than at the equator. 

- consequently, the area covered by the ray is the 

smallest at the equator and increases towards 

the pole (area b is greater than a). 

- therefore the Earth receives more radiation per 

unit area at the equator than at the poles. 

http://www.boinc.sk/projekty-knihy/zaklady-klimatologie

  

The average daily value (7/1983-6/2005) of 

solar radiation in the world in kWh/m

2

/day 

The total annual value of solar radiation in the 

world  in  kWh/m

2

/year

 

http://www.inforse.org/europe/dieret/Solar/solar.html

 

http://www.brighthub.com/environment/science-environmental/articles/86226.aspx

   

background image

17 

Variation in the amount of solar energy during the year 

http://scienceblogs.com/startswithabang/2011/02/10/never-a-miscommunication/

 

http://solargis.info/doc/103

   

- in the northern hemisphere are: days longer in summer than in winter, the angle of rays 

is more perpendicular in summer than in winter 

- when we are closer to the equator, there are the smaller differences between winter and 

summer half of year 

- is caused by inclination of the Earth's axis. 

- during circulation of the Earth around the Sun is more irradiated once northern and 

once a southern hemisphere 

background image

18 

Variation in the amount of solar energy during the year 

http://scienceblogs.com/startswithabang/2011/02/10/never-a-miscommunication/

 

http://solargis.info/doc/103

   

Daily sum of global irradiation (Aberdeen-Scottland, Upington-South Africa)

 

background image

19 

Variation in the amount of solar energy during the year 

http://www.physicalgeography.net/fundamentals/6i.html

  

background image

20 

Variation of the amount of solar energy during the day 

- it is caused by Earth's rotation on its axis 

http://vudeevudeewiki.blogspot.sk/2012_01_01_archive.html

  

- June 21 (summer solstice) - the longest day of the year in the Northern Hemisphere, 

the shortest day of the year in the Southern Hemisphere. On the Northern 

Hemisphere summer begins, on the Southern Hemisphere winter begins. 

- 21.december (winter solstice) - the shortest day of the year in the northern 

hemisphere, the longest day of the year in the Southern Hemisphere. The northern 

hemisphere winter begins, the southern hemisphere summer. 

- 21st March (spring equinox), 23rd September (autumnal equinox). Earth's axis is 

perpendicular to the line joining the Earth-Sun 

background image

21 

The total amount of radiation received by Earth from the Sun is given by the Earth's 

cross-section (

r

2

).  

The average value of the amount of solar radiation received by Earth 

As the planet rotates, the energy is distributed over the entire surface (4

r

2

).  

Therefore, the average amount of solar radiation 

(called insolation) is equal to one quarter of the 

solar constant – appr. 342 W/m². 

background image

22 

Due to obstacles in the atmosphere and on the surface we register three basic types 

of solar radiation: 

1) Direct radiation, 

which directly enters the earth atmosphere (its direction is not 

changed) 

2) Diffused radiation

, which enters the earth atmosphere by reflecting from clouds, 

gases, aerosols. It acts from all sides of the sky. 

3) Reflected radiation

, reflected from the surroundings (ground, sea or other objects) 

 

The sum of direct, diffused and reflected radiation is 

total (global) radiation

influencing design and performance of solar energy systems. 

http://www.siea.sk/materials/files/poradenstvo/publikacie/brozury/ako_vybrat_kolektor/SIEA_brozura_Ako_vybrat_kolektor_WEB.pdf

  

Direct, diffuse, global solar radiation 

background image

23 

Note.: In our geographical conditions, the total duration of sunshine without a cloud 

is around 1200 - 2000 hours per year, depending on the inverse of mist and cloud. 

The intensity of solar 

radiation and share of diffuse 

radiation in different weather 

conditions 

The average annual (4/2004-3/2010) value of solar radiation 

in Europe in kWh/m

2

/year

 

 

- Annual value of solar radiation in our geographical conditions:   

appr. 

1100 kWh per 1 m

2

  

- of which 75% in the period from April to October, 25% in the rest of the time 

background image

24 

The share of direct and diffuse solar radiation on the global radiation in Slovakia: 

Global Sun radiation in Slovakia 

Direct Sun radiation in Slovakia 

Diffuse Sun radiation in Slovakia 

background image

25 

The average annual (4/2004-3/2010) value 

of solar radiation in Poland in kWh/m

2

/year

 

 

http://solargis.info/doc/71#P

  

The average annual (4/2004-3/2010) value of solar 

radiation in Slovakia in kWh/m

2

/year