Varför kan solen approximeras som en svart kropp och hur används Stefan–Boltzmanns lag?
Solen kan approximeras som en svart kropp eftersom dess emissionsspektrum nära följer Plancks lag för en svart kropp vid cirka 5777 K.
Stefan–Boltzmanns lag används för att beräkna solens totala utstrålning:
𝐸=𝜎𝑇^4
Genom geometrisk spridning fås solinstrålningen vid jordens bana, den s.k. solkonstanten (~1368 W/m²).
Varför är solinstrålningen 1368 W/m² utanför atmosfären men lägre vid jordytan?
Utanför atmosfären påverkas strålningen endast av geometrisk utspädning.
Vid jordytan reduceras instrålningen av:
absorption i atmosfären
reflektion till rymden
spridning (diffus strålning)
Därför når i genomsnitt endast ca 55 % av den inkommande solenergin jordytan.
Hur påverkar atmosfären solstrålningen och vilka gaser är viktigast?
Atmosfären påverkar strålningen genom:
absorption (främst av H₂O och CO₂)
reflektion (moln, aerosoler)
spridning (ger diffus strålning)
De viktigaste absorberande gaserna är H₂O och CO₂, medan moln och partiklar dominerar reflektion och spridning.
Vad är skillnaden mellan direkt och diffus solinstrålning och varför är detta avgörande för CSP?
Direkt strålning: parallella solstrålar som inte spridits i atmosfären
Diffus strålning: spridd strålning från himlen
CSP-system kräver direkt strålning, eftersom speglar bara kan koncentrera parallella strålar. Diffus strålning kan inte fokuseras.
Varför betraktas strålning i atmosfären som ett volymfenomen?
Atmosfären innehåller absorberande och emitterande gaser samt partiklar.
Strålningen sker därför inte enbart vid ytor utan kontinuerligt i volymen, där absorption och emission beror på:
gasens sammansättning
tryck
temperatur
stråklängd
Vad säger Beer–Lamberts lag och hur påverkar stråklängd, tryck och temperatur?
Beer–Lamberts lag:
𝐼
𝜆
(
𝐿
)
=
𝐼
𝜆
,
0
𝑒
−
𝜅
𝜆
𝐿
I
λ
I_λ(L)=I_λ,0e^(−κ_λL)
Absorptionen ökar med:
- längre stråklängd 𝐿
- högre partialtryck
- högre temperatur (fler aktiva molekyler)
Detta är centralt för gasstrålning i både atmosfär och förbränningsgaser.
Hur fördelas solenergin över jordytan och varför beror den på latitud?
Solinstrålningen beror på infallsvinkeln:
𝑞∝cos𝜃
Vid ekvatorn är instrålningen högre p.g.a. kortare stråklängd genom atmosfären och högre infallsvinkel.
Mot polerna minskar instrålningen kraftigt → upphov till det s.k. solbältet.
Vilka är de tre huvudsakliga solenergiteknikerna och vad skiljer dem åt?
- Soltermiska kollektorer – producerar värme (låga temperaturer)
- Solceller (PV) – direkt omvandling till elektricitet (ingen värmecykel)
- CSP (Concentrated Solar Power) – producerar högtemperaturvärme som används i en ångcykel
Skillnaden ligger i temperaturnivå, skalbarhet och lagringsmöjligheter.
Vad är koncentrationsfaktorn C i CSP och varför ger högre C både högre verkningsgrad och högre förluster?
C=Areceiver/Aspegel
Högre C ger:
- högre temperatur i mottagaren
- högre termodynamisk verkningsgrad (Carnot)
Samtidigt ökar:
- strålningsförluster (∝𝑇^4)
- konvektiva förluster
Den totala verkningsgraden är en kompromiss mellan dessa effekter.
Vilka är de fyra kommersiella CSP-teknikerna och deras viktigaste för- och nackdelar?
Parabolic trough
- Beprövad teknik − Begränsad temperatur (~400 °C), kräver stora plana ytor
Linear Fresnel
- Enklare speglar − Lägre verkningsgrad, mindre vanlig
Solar power tower (heliostater)
- Mycket höga temperaturer, lagring i smält salt − Komplex styrning, höga investeringskostnader
Dish Stirling
- Högsta verkningsgrad − Dyr, ej kostnadseffektiv i stor skala
