Díl 1 – sluneční záření
Na Štědrý den 2024 ve 12:53 našeho času proletěla sonda Parker Solar Probe přísluním ve vzdálenosti 6,1 mil. km od povrchu Slunce. 27. 12. pak řídící středisko zachytilo signál jejího radiomajáku, potvrzující, že stále žije. Žádný lidmi vyrobený přístroj nikdy nepracoval takto blízko Slunci. Na bílý keramický stínící štít sondy dopadalo v tu chvíli 650 kW záření na 1 m2, více než šestisetnásobek toho, co dopadá na povrch Země. Pro představu, je to výkon řádově srovnatelný s laserovou zbraní, která „upeče“ dron do deseti sekund. Z chráněného prostoru, který se s rostoucí vzdáleností od štítu nápadně zmenšuje (protože sluneční kotouč je v této blízkosti obrovský!), vykukoval jen kapalinou chlazený solární panel, orientační senzory a několik asi celkem solidně rozžhavených antén. Autonomní software však držel přesnou orientaci štítu, a elektrické obvody sondy byly v bezpečí.
Parker Solar Probe, (obrázek Wikipedia)
Jak naznačuje úvod, nebude dnes řeč o UV odolnosti, což si mnozí vybaví, jakmile se řekne „sluneční záření“. Zaměříme se na tepelné následky záření jako celku. Zůstaneme však na Zemi.
Přístroj, který měří celkový výkon slunečního záření, se jmenuje pyranometr. Ve vakuu pod skleněným krytem je umístěna matně černá destička, která pohlcuje sluneční záření v celém rozsahu slunečního spektra, a mění je na teplo. Přístroj přesně měří teplotu destičky, teplotu jejího okolí a software z těchto údajů počítá výkon dopadajícího záření, iradianci.
Pyranometr bez ochranného krytu (obrázek Dex.cz)
Za slunečného počasí lze pyranometrem naměřit 1060 W/m2, teoreticky i více, v závislosti na nadmořské výšce, elevačním úhlu a dalších podmínkách. Z toho asi 90% je přímé sluneční záření, zbytek je rozptýlené světlo. Je-li náš výrobek ponechán na slunci, ohřívá se tedy nejen spotřebovanou elektrickou energií, ale i pohlceným slunečním zářením, v závislosti na ploše a „barvě“ ozářeného povrchu. Uvozovky naznačují, že nesmíme zapomínat na blízkou infračervenou oblast, která přináší více než 50% z celkové energie záření, a pouhým okem nepoznáme, zda náš výrobek toto záření pohlcuje, nebo odráží. Proto také mluvíme o slunečním záření, ne o světle. Spektrum závisí na elevačním úhlu, nadmořské výšce, na počasí atd.
Bez pyranometru lze iradianci zjistit online kalkulačkou, například zde:
Výpočet iradiance a spektra (obrázek PVLighthouse).
Worst Case
Nejhorší možná situace, worst case, je klíčový pojem, který nás bude pronásledovat všemi díly seriálu. Ptáme se, co má výrobek vydržet, a to nejen podle norem, ale i podle očekávání zákazníků. Nyní se tedy ptáme, co má vydržet v souvislosti se slunečním zářením. Zde bude rozdíl např. mezi nositelnou elektronikou, jejíž (živý) uživatel pravděpodobně nebude chtít upéct sám sebe, a solárním panelem, který opravdu do stínu neuteče. U některých výrobků nám postačí, že přežijí, případně omezí svou funkci na minimum, zatímco jiné musí za nejhorších podmínek plně fungovat (třeba meteostanice). U výrobků, které uživatel drží nebo ovládá dotykem, nás může zajímat také dotyková teplota – norma to sice přímo nevyžaduje, ale záleží na očekávání zákazníků. Poloha výrobku vůči Slunci hraje logicky zásadní roli. U mobilních výrobků je poloha libovolná, zatímco např. u plochého výrobku, montovaného na svislou stěnu, můžeme počítat s nižším příkonem záření, cca 700 w/m2, a to při elevačním úhlu Slunce cca 30°. Tento úhel uvádím, aby bylo jasné, že stříška tady moc nezachrání.
Asi příliš nepřekvapí, že součástí tohoto worst case bude i rychlost větru, tedy spíše úplné bezvětří, a teplota okolí. Dále trvalý elektrický příkon našeho výrobku, který se změní v teplo (u svítidla nebo reproduktoru menší část odejde v podobě světla / zvuku), opět nejvyšší možný, avšak určený s rozumem – například u kamery s nočním viděním asi nebude v daný moment pracovat noční IR přísvit. A konečně, má-li mít výrobek více barevných provedení, musíme počítat s tou barvou, která pohltí nejvíce záření.
Magie barev a povrchových úprav
Tím se dostáváme k „barvě“ povrchu. Základní kryjící barvy – práškové i tekuté, prakticky bez ohledu na chemické složení, obsahují vždy buď saze (černá barva), nebo bílý prášek (např. TiO2). Tím pokrývají stupnici šedé a přinášejí celkem solidní jistotu, že černá pohlcuje i UV a NIR záření a bílá je naopak odráží. Ostatní barvy pak vznikají přidáním barviv, obvykle organických sloučenin, které jistou část spektra pohlcují a zbytek propouští. Tato barviva se obvykle používají v kombinacích. Spektrum pohltivosti či odrazivosti těchto barev mimo viditelnou část spektra je obvykle neznámé. Nepříjemné je, že změřit toto spektrum (navíc, u neprůhledného vzorku!) vyžaduje velmi drahý spektrometr.
Spektrometr, pokrývající celé sluneční spektrum. Pro měření neprůhledných vzorků musí být vybaven tzv. integrační koulí. (obrázek Perkin Elmer)
Co se týče barev, existují i speciální „cool“ černé a tmavé barvy, které se chlubí vysokou odrazivostí pro NIR záření. Bohužel jsou obtížně dostupné, nabízejí se hlavně ve stavebnictví a někdy ani nefungují tak, jak výrobci slibují.
Funkční povrchy (typicky LCD, TFT displej) považujeme většinou za černé. Inteligentní čtenář jistě chápe, že bílý obsah na běžném, tedy transmisním LCD displeji sluneční světlo neodráží, bílý vjem vzniká působením rozsvíceného backlightu. A ten nás svojí spotřebou nepotěší. OLED displej je na tom podobně, jen ještě hůře o to, že pro trvalé venkovní použití není (bohužel, stále ještě) svým rozsahem teplot vhodný.
Metalické povrchy mají vysokou, ale ne stoprocentní odrazivost. Je třeba počítat s tím, že po delším čase může být povrch zašlý a pohlcovat až 50%. Záludnost metalických povrchů ale tkví jinde ….
Tepelná emisivita povrchů
Výrobek je samozřejmě (jsme na Zemi) chlazený vzduchem. Jakmile se ale zaměříme na worst case, a nejde o výrobek s ventilátorem (nebo např. dron), situace je špatná. Nehybný vzduch je celkem dobrý tepelný izolant (lepší jsou asi jen vakuované pěnové materiály). V některých případech může být spásou kontakt výrobku s nějakým tepelně vodivým materiálem (zeď, stůl). Ale worst case nás pronásleduje dál: zdi jsou dnes zateplené pěnovým polystyrenem (skoro jako vzduch), stůl může být voštinový, a to nemluvím o položení výrobku na plážovou deku apod. Konvekci jsme tedy odepsali úplně, kondukci máme omezenou a co nám zbývá? Tepelná radiace.
Stefanův - Boltzmannův zákon (viz Wikipedia) nám říká, že emise tepelného záření je úměrná čtvrté mocnině povrchové teploty. To už je zatraceně strmá křivka, a při vyšších teplotách hraje zásadní roli. Například při teplotě 90°C jeden decimetr čtvereční povrchu vyzáří až 10W. Nebo také nic, a nebo (obvykle) něco mezi tím. Dodejme však, že tepelné záření postupuje oběma směry: z výrobku ven, úměrně jeho teplotě, a současně i do něj, úměrně teplotě okolních stěn, předmětů atd. To „něco mezi“ je tepelná emisivita daného povrchu. To je v podstatě „barva“ povrchu, ale ta pro dlouhovlnné (tepelné) IR záření. Pro příklad: nátěr na topném tělese má emisivitu 0,99, zlatá folie 0,01. Vždy ale platí, že emisivita rovná se pohltivost. (Narazíte-li místo toho na odrazivost, potom je dobré vědět, že součet těchto dvou čísel je roven jedné.)
Pokud povrch více vyzáří, také toho více pohltí (na dané vlnové délce). Neexistuje tedy něco jako „tepelná dioda“ – povrch, který by tepelné záření vydával, ale nepřijímal. Obecně plasty mají emisivitu vyšší, kovy nízkou. Leštěné a světlé kovy tedy nejsou dobrá volba pro výrobek, který chceme dobře chladit. Má to ale výjimku…
Tenkovrstvé povrchové úpravy
Světlý „elox“ je skvělý vynález. Ponechává povrchu metalický vzhled, ale přitom tato vrstva Al2O3, kontrolovaně vytvořená na hliníku elektrolytickou oxidací, je dostatečně silná na to, aby solidně emitovala tepelné záření. Emisivita je cca 0,98. Přitom nijak nezhorší odrazivost pro sluneční záření. Eloxovaný hliník je tedy pro chlazení výrobku jednoznačně skvělá volba.
Na nerezovém nebo niklovaném povrchu můžeme použít čirý lak, který může být prakticky nepostřehnutelný, zejména tzv. kataforéza, která má kolem 15 mikrometrů. Existuje i v matném (saténovém) provedení. Podobně na plošném spoji pokryjeme velké souvislé kovové plochy (zem) nepájivou maskou, tím jejich emisivitu dostaneme na hodnotu 0,98.
A na závěr tohoto dílu věčná otázka: černý, nebo světlý elox? Toto a mnohem více se dozvíte příště.
