На какой диапазон приходится около 95 излучения. Солнечная, земная и атмосферная радиация

ЛЕКЦИЯ 2.

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ.

План:

1.Значение солнечной радиации для жизни на Земле.

2. Виды солнечной радиации.

3. Спектральный состав солнечной радиации.

4. Поглощение и рассеивание радиации.

5.ФАР (фотосинтетически активная радиация).

6. Радиационный баланс.

1. Основным источником энергии на Земле для всего живого (растений, животных и человека) является энергия солнца.

Солнце представляет собой газовый шар радиусом 695300км. Радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли (экваториальный 6378,2км, полярный 6356,8км). Солнце состоит в основном из водорода (64%) и гелия (32%). На долю остальных приходится всего 4% его массы.

Солнечная энергия является основным условием существова­ния биосферы и одним из главных климатообразующих факто­ров. За счет энергии Солнца воздушные массы в атмосфере не­прерывно перемещаются, что обеспечивает постоянство газово­го состава атмосферы. Под действием солнечной радиации ис­паряется огромное количество воды с поверхности водоемов , почвы, растений. Водяной пар, переносимый ветром с океанов и морей на материки, является основным источником осадков для суши.

Солнечная энергия - непременное условие существования зеленых растений, превращающих в процессе фотосинтеза сол­нечную энергию в высокоэнергетические органические веще­ства.

Рост и развитие растений представляют собой процесс усвоения и переработки солнечной энергии, поэтому сельскохозяйственное производство возможно только при условии поступления солнечной энергии на поверхность Земли. Русский ученый писал: « Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, солнечного света, целую речку чистой воды, попросите, чтобы из всего этого он приготовил вам сахар, крахмал, жиры и зерно, и он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях растений под действием энергии Солнца». Подсчитано, что 1 кв. метр листьев за час продуцирует грамм сахара. В связи с тем, что Земля окружена сплошной оболочкой атмосферы, солнечные лучи, прежде чем достичь поверхности земли, проходят всю толщу атмосферы, которая частично отражает их, частично рассеивает, т. е. изменяет количество и качество солнечного света, поступающего на поверхность земли. Живые организмы чутко реагируют на изменение интенсивности освещенности, создаваемой сол­нечным излучением. Вследствие различной реакции на интен­сивность освещенности все формы растительности делят на све­толюбивые и теневыносливые. Недостаточная освещенность в посевах обусловливает, например, слабую дифференциацию тканей соломины зерновых культур. В результате уменьшаются крепость и эластичность тканей, что часто приводит к полега­нию посевов. В загущенных посевах кукурузы из-за слабой осве­щенности солнечной радиацией ослабляется образование почат­ков на растениях.

Солнечная радиация влияет на химический состав сельскохо­зяйственной продукции. Например, сахаристость свеклы и пло­дов, содержание белка в зерне пшеницы непосредственно зави­сят от числа солнечных дней. Количество масла в семенах под­солнечника, льна также возрастает с увеличением прихода сол­нечной радиации.

Освещенность надземной части растений существенно влия­ет на поглощение корнями питательных веществ. При слабой освещенности замедляется перевод ассимилятов в корни, и в результате тормозятся биосинтетические процессы, происходящие в клетках растений.

Освещенность влияет и на появление, распространение и развитие болезней растений. Период заражения состоит из двух фаз, различающихся между собой по реакции на световой фак­тор. Первая из них - собственно прорастание спор и проникно­вение заразного начала в ткани поражаемой культуры - в боль­шинстве случаев не зависит от наличия и интенсивности света. Вторая - после прорастания спор - наиболее активно проходит при повышенной освещенности.

Положительное действие света сказывается также на скорос­ти развития патогена в растении-хозяине. Особенно четко это проявляется у ржавчинных грибов. Чем больше света, тем коро­че инкубационный период у линейной ржавчины пшеницы, желтой ржавчины ячменя, ржавчины льна и фасоли и т. д. А это увеличивает число генераций гриба и повышает интенсивность поражения. В условиях интенсивного освещения у этого патоге­на возрастает плодовитость

Некоторые заболевания наиболее активно развиваются при недостаточном освещении, вызывающем ослабление растений и снижение их устойчивости к болезням (возбудителям разного рода гнилей, особенно овощных культур).

Продолжительность осве­щения и растения. Ритм сол­нечной радиации (чередова­ние светлой и темной части суток) является наиболее устойчивым и повторяющимся из года в год фактором внешней среды. В результате многолетних исследований физиологами ус­тановлена зависимость перехода растений к генеративному раз­витию от определенного соотношения длины дня и ночи. В свя­зи с этим культуры по фотопериодической реакции можно клас­сифицировать по группам: короткого дня, развитие которых задерживается при продол­жительности дня больше 10ч. Короткий день способствует закладке цветков, а длинный день препятствует этому. К таким культурам относятся соя, рис, просо, сорго, кукуруза и др.;

длинного дня до 12-13час., требующие для своего развития продолжитель­ного освещения. Их развитие ускоряется, когда продолжитель­ность дня составляет около 20 ч. К этим культурам относятся рожь, овес, пшеница, лен, горох, шпинат, клевер и др.;

нейтральные по отношению к длине дня , развитие которых не зависит от продолжительности дня, например томат, гречиха, бобовые, ревень.

Установлено, что для начала цветения растений необходимо преобладание в лучистом потоке определенного спектрального состава. Растения короткого дня быстрее развиваются, когда максимум излучения приходится на сине-фиолетовые лучи, а растения длинного дня - на красные. Продолжительность светлой части суток (астрономическая длина дня) зависит от времени года и географической широты. На экваторе продолжительность дня в течение всего года равна 12 ч ± 30 мин. При продвижении от экватора к полюсам после весеннего равноденствия (21.03) длина дня увеличивается к се­веру и уменьшается к югу. После осеннего равноденствия (23.09) распределение продолжительности дня обратное. В Северном полушарии на 22.06 приходится самый длинный день, продолжительность которого севернее Полярного круга 24 ч. Самый короткий день в Северном полушарии 22.12, а за Полярным кру­гом в зимние месяцы Солнце вообще не поднимается над гори­зонтом. В средних же широтах, например в Москве, продолжи­тельность дня в течение года меняется от 7 до 17,5 ч.

2. Виды солнечной радиации.

Солнечная радиация состоит из трех составляющих: прямой солнечной радиации, рассеянной и суммарной.

ПРЯМАЯ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ S – радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде пучка параллельных лучей. Ее интенсивность измеряется в калориях на см2 в минуту. Она зависит от высоты солнца и состояния атмосферы (облачность, пыль, водяной пар). Годовая сумма прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории Ставропольского края составляет 65-76 ккал/ см2/мин. На уровне моря при высоком положении Солнца (лето, полдень) и хорошей прозрачности прямая солнечная радиация составляет 1,5 ккал/ см2/мин. Это коротковолновая часть спектра. При прохождении потока прямой солнечной радиации через атмосферу происходит его ослабление, вызванное поглощением (около 15 %) и рассеянием (около 25 %) энергии газами, аэрозо­лями, облаками.

Поток прямой солнечной радиации, падающий на горизонтальную поверхность называют инсоляцией S = S sin ho – вертикальная составляющая прямой солнечной радиации.

S – количество тепла, получаемого перпендикулярной к лучу поверхностью,

ho – высота Солнца, т. е. угол, образованный солнечным лучом с горизонтальной поверхностью.

На границе атмосферы интенсивность солнечной радиации составляет So = 1,98 ккал/ см2/мин. – по международному соглашению 1958г. И называется солнечной постоянной. Такой бы она была у поверхности, если бы атмосфера была абсолютно прозрачной.

Рис. 2.1. Путь солнечного луча в атмосфере при разной высоте Солнца

РАССЕЯНАЯ РАДИАЦИЯ D – часть солнечной радиации в результате рассеяния атмосферой уходит обратно в космос, но значительная ее часть поступает на Землю в виде рассеянной радиации. Максимум рассеянной радиации + 1 ккал/ см2/мин. Отмечается при чистом небе, если на нем высокие облака. При пасмурном небе спектр рассеянной радиации сходен с солнечным. Это коротковолновая часть спектра. Длина волны 0,17-4мк.

СУММАРНАЯ РАДИАЦИЯ Q - состоит из рассеянной и прямой радиации на горизонтальную поверхность. Q = S + D .

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией в со­ставе суммарной радиации зависит от высоты Солнца, облачно­сти и загрязненности атмосферы, высоты поверхности над уров­нем моря. С увеличением высоты Солнца доля рассеянной ра­диации при безоблачном небе уменьшается. Чем прозрачнее ат­мосфера и чем выше Солнце, тем меньше доля рассеянной радиации. При сплошной плотной облачности суммарная ради­ация полностью состоит из рассеянной радиации. Зимой вслед­ствие отражения радиации от снежного покрова и ее вторичного рассеяния в атмосфере доля рассеянной радиации в составе сум­марной заметно увеличивается.

Свет и тепло, получаемые растениями от Солнца, - результат действия суммарной солнечной радиации. Поэтому большое значение для сельского хозяйства имеют данные о суммах ради­ации, получаемых поверхностью за сутки, месяц, вегетационный период, год.

Отраженная солнечная радиация. Альбедо . Суммарная радиа­ция, дошедшая до земной поверхности, частично отражаясь от нее, создает отраженную солнечную радиацию (RK), направленную от земной поверхности в атмосферу. Значение отраженной ра­диации в значительной степени зависит от свойств и состояния отражающей поверхности: цвета, шероховатости, влажности и др. Отражательную способность любой поверхности можно ха­рактеризовать величиной ее альбедо (Ак), под которым понимают отношение отраженной солнечной радиации к суммарной. Аль­бедо обычно выражают в процентах:

Наблюдения показывают, что альбедо различных поверхнос­тей изменяется в сравнительно узких пределах (10...30 %), ис­ключение составляют снег и вода.

Альбедо зависит от влажности почвы, с возрастанием которой оно уменьшается, что имеет важное значение в процессе измене­ния теплового режима орошаемых полей. Вследствие уменьше­ния альбедо при увлажнении почвы увеличивается поглощаемая радиация. Альбедо различных поверхностей имеет хорошо выра­женный дневной и годовой ход, обусловленный зависимостью альбедо от высоты Солнца. Наименьшее значение альбедо на­блюдают в околополуденные часы, а в течение года - летом.

Собственное излучение Земли и встречное излучение атмосфе­ры. Эффективное излучение. Земная поверхность как физическое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (-273 °С), является источником излучения, которое называют собственным излучением Земли (Е3). Оно направлено в атмосферу и почти пол­ностью поглощается водяным паром, капельками воды и угле­кислым газом, содержащимися в воздухе. Излучение Земли за­висит от температуры ее поверхности.

Атмосфера, поглощая небольшое количество солнечной ра­диации и практически всю энергию, излучаемую земной поверх­ностью, нагревается и, в свою очередь, также излучает энергию. Около 30 % атмосферной радиации уходит в космическое про­странство, а около 70 % приходит к поверхности Земли и назы­вается встречным излучением атмосферы (Еа).

Количество энергии, излучаемое атмосферой, прямо пропор­ционально ее температуре, содержанию углекислого газа, озона и облачности.

Поверхность Земли поглощает это встречное излучение по­чти целиком (на 90...99 %). Таким образом, оно является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощаемой солнечной радиации. Это влияние атмосферы на тепловой режим Земли называют парниковым или оранжерейным эффектом вследствие внешней аналогии с действием стекол в парниках и оранжереях. Стекло хорошо пропускает солнечные лучи, нагревающие почву и растения, но задерживает тепловое излучение нагревшейся почвы и растений.

Разность между собственным излучением поверхности Земли и встречным излучением атмосферы называют эффективным из­лучением: Еэф.

Еэф= Е3-Еа

В ясные и малооблачные ночи эффективное излучение гораз­до больше, чем в пасмурные, поэтому больше и ночное охлажде­ние земной поверхности. Днем оно перекрывается поглощенной суммарной радиацией, вследствие чего температура поверхности повышается. При этом растет и эффективное излучение. Земная поверхность в средних широтах теряет за счет эффективного из­лучения 70...140 Вт/м2, что составляет примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощения солнеч­ной радиации.

3. Спектральный состав радиации.

Солнце, как источник излучения, обладает многообразием испускаемых волн. Потоки лучистой энергии по длине волн условно делят на ко­ротковолновую (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. > 4 мкм) радиа­цию. Спектр солнечной радиации на границе земной атмосферы практически заключается между длинами волн 0,17 и 4 мкм, а земного и атмосферного излучения - от 4 до 120 мкм. Следова­тельно, потоки солнечного излучения (S, D, RK) относятся к ко­ротковолновой радиации, а излучение Земли (£3) и атмосферы (Еа) - к длинноволновой.

Спектр солнечной радиации можно разделить на три каче­ственно различные части: ультрафиолетовую (Y < 0,40 мкм), ви­димую (0,40 мкм < Y < 0,75 мкм) и инфракрасную (0,76 мкм < Y < 4 мкм). До ультрафиолетовой части спектра сол­нечной радиации лежит рентгеновское излучение, а за инфра­красной - радиоизлучение Солнца. На верхней границе атмос­феры на ультрафиолетовую часть спектра приходится около 7 % энергии солнечного излучения, 46 - на видимую и 47 % - на инфракрасную.

Радиацию, излучаемую Землей и атмосферой, называют даль­ней инфракрасной радиацией.

Биологическое действие разных видов радиации на растения различно. Ультрафиолетовая радиация замедляет ростовые про­цессы, но ускоряет прохождение этапов формирования репро­дуктивных органов у растений.

Значение инфракрасной радиации , которая активно поглощается водой листьев и стеблей растений, состоит в ее теп­ловом эффекте, что существенно влияет на рост и развитие рас­тений.

Дальняя инфракрасная радиация производит лишь тепловое действие на растения. Ее влияние на рост и развитие растений несущественно.

Видимая часть солнечного спектра , во-первых, создает осве­щенность. Во-вторых, с областью видимой радиации почти со­впадает (захватывая частично область ультрафиолетовой радиа­ции) так называемая физиологическая радиация (А, = = 0,35...0,75 мкм), которая поглощается пигментами листа. Ее энергия имеет важное регуляторно-энергетическое значение в жизни растений. В пределах этого участка спектра выделяется область фотосинтетически активной радиации.

4. Поглощение и рассеивание радиации в атмосфере.

Проходя через земную атмосферу, солнечная радиация ослабляется вследствие поглощения и рассеяния атмосферными газами и аэрозолями . При этом изменяется и ее спектральный состав. При различной высоте солнца и различной высоте пункта наблюдений над земной поверхностью длина пути, проходимого солнечным лучом в атмосфере, неодинакова. При уменьшении высоты особенно сильно уменьшается ультрафиолетовая часть радиации, несколько меньше – видимая и лишь незначительно – инфракрасная.

Рассеяние радиации в атмосфере происходит главным образом в результате непрерывных колебаний (флуктаций) плотности воздуха в каждой точке атмосферы, вызванных образованием и разрушением некоторых «скоплений» (сгустков) молекул атмосферного газа. Солнечную радиацию рассеивают также частицы аэрозоля. Интенсивность рассеяния характеризуется коэффициентом рассеяния.

К= добавить формулу.

Интенсивность рассеяния зависит от количеств рассеивающих частиц в единице объема, от их размера и природы, а также от длин волн самой рассеиваемой радиации.

Лучи рассеиваются тем сильнее, чем меньше длина волны. Например фиолетовые лучи рассеиваются в 14 раз сильнее красных, этим объясняется голубой цвет неба. Как отмечалось выше (см. разд. 2.2), прямая солнечная ради­ация, проходя через атмосферу, частично рассеивается. В чис­том и сухом воздухе интенсивность коэффициента молекуляр­ного рассеяния подчиняется закону Релея:

к= с/ Y 4 ,

где С - коэффициент, зависящий от числа молекул газа в единице объема; X - длина рассеиваемой волны.

Поскольку длина дальних волн красного света почти вдвое больше длины волн фиолетового света, первые рассеиваются молекулами воздуха в 14 раз меньше, чем вторые. Так как перво­начальная энергия (до рассеяния) фиолетовых лучей меньше, чем синих и голубых, то максимум энергии в рассеянном свете (рассеянной солнечной радиации) смещается на сине-голубые лучи, что и обусловливает голубой цвет неба. Таким образом, рассеянная радиация более богата фотосинтетически активными лучами, чем прямая.

В воздухе, содержащем примеси (мелкие капельки воды, кри­сталлики льда, пылинки и т. д.), рассеяние одинаково для всех участков видимой радиации. Поэтому небо приобретает белесо­ватый оттенок (появляется дымка). Облачные же элементы (крупные капельки и кристаллики) вообще не рассеивают сол­нечные лучи, а диффузно их отражают. В результате облака, ос­вещенные Солнцем, имеют белый цвет.

5. ФАР (фотосинтетическиактивная радиация)

Фотосинтетически активная радиация. В процессе фотосинте­за используется не весь спектр солнечной радиации, а только его

часть, находящаяся в интервале длин волн 0,38...0,71 мкм, - фо­тосинтетически активная радиация (ФАР).

Известно, что видимая радиация, воспринимаемая глазом че­ловека как белый цвет, состоит из цветных лучей: красных, оранжевых, желтых, зеленых, голубых, синих и фиолетовых.

Усвоение энергии солнечной радиации листьями растений селективно (избирательно). Наиболее интенсивно листья погло­щают сине-фиолетовые (X = 0,48...0,40 мкм) и оранжево-крас­ные (X = 0,68 мкм) лучи, менее - желто-зеленые (А. = 0,58...0,50 мкм) и дальние красные (А. > 0,69 мкм) лучи.

У земной поверхности максимум энергии в спектре прямой солнечной радиации, когда Солнце находится высоко, прихо­дится на область желто-зеленых лучей (диск Солнца желтый). Когда же Солнце располагается у горизонта, максимальную энергию имеют дальние красные лучи (солнечный диск крас­ный). Поэтому энергия прямого солнечного света мало участву­ет в процессе фотосинтеза.

Так как ФАР является одним из важнейших факторов про­дуктивности сельскохозяйственных растений, информация о ко­личестве поступающей ФАР, учет ее распределения по террито­рии и во времени имеют большое практическое значение.

Интенсивность ФАР можно измерить, но для этого необходимы специальные светофильтры, пропускающие только волны в диапазоне 0,38...0,71 мкм. Такие приборы есть, но на сети актинометрических станций их не применяют, а измеряют интен­сивность интегрального спектра солнечной радиации. Значение ФАР можно рассчитать по данным о приходе прямой, рассеян­ной или суммарной радиации с помощью коэффициентов, пред­ложенных, X. Г. Тоомингом и:

Qфар = 0,43 S " +0,57 D);

составлены карты распределения месячных и годовых сумм Фар на территории России.

Для характеристики степени использования посевами ФАР применяют коэффициент полезного использования ФАР:

КПИфар= (сумма Q / фар/сумма Q / фар) 100%,

где сумма Q / фар - сумма ФАР, затрачиваемая на фотосинтез за период вегетации расте­ний; сумма Q / фар - сумма ФАР, поступающая на посевы за этот период;

Посевы по их средним значениям КПИФАр разделяют на группы (по): обычно наблюдаемые - 0,5...1,5 %; хорошие-1,5...3,0; рекордные - 3,5...5,0; теорети­чески возможные - 6,0...8,0 %.

6. РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Разность между приходящими и уходящими потоками лучис­той энергии называют радиационным балансом земной поверхнос­ти (В).

Приходная часть радиационного баланса земной поверхности днем состоит из прямой солнечной и рассеянной радиации, а также излучения атмосферы. Расходной частью баланса являют­ся излучение земной поверхности и отраженная солнечная ра­диация:

B = S / + D + Ea - Е3- Rk

Уравнение можно записать и в другом виде: B = Q - RK - Еэф.

Для ночного времени уравнение радиационного баланса име­ет следующий вид:

В = Еа - Е3, или В = -Еэф.

Если приход радиации больше, чем расход, то радиационный баланс положительный и деятельная поверхность* нагревается. При отрицательном балансе она охлаждается. Летом радиацион­ный баланс днем положительный, а ночью - отрицательный. Переход через ноль происходит утром примерно через 1 ч после восхода Солнца, а вечером за 1...2 ч до захода Солнца.

Годовой радиационный баланс в районах, где устанавливает­ся устойчивый снежный покров, в холодное время года имеет отрицательные значения, в теплое - положительные.

Радиационный баланс земной поверхности существенно вли­яет на распределение температуры в почве и приземном слое ат­мосферы, а также на процессы испарения и снеготаяния, обра­зование туманов и заморозков, изменение свойств воздушных масс (их трансформацию).

Знание радиационного режима сельскохозяйственных угодий позволяет рассчитывать количество радиации, поглощенной по­севами и почвой в зависимости от высоты Солнца, структуры посева, фазы развития растений. Данные о режиме необходимы и для оценки разных приемов регулирования температуры и влажности почвы, испарения, от которых зависят рост и разви­тие растений, формирование урожая, его количество и качество.

Эффективными агрономическими приемами воздействия на радиационный, а следовательно, и на тепловой режим деятель­ной поверхности является мульчирование (покрытие почвы тон­ким слоем торфяной крошки, перепревшим навозом, древесны­ми опилками и др.), укрытие почвы полиэтиленовой пленкой, орошение. Все это изменяет отражательную и поглощательную способность деятельной поверхности.

* Деятельная поверхность - поверхность почвы, воды или растительности, которая непосредственно поглощает солнечную и атмосферную радиацию и отда­ет излучение в атмосферу, чем регулирует термический режим прилегающих слоев воздуха и нижележащих слоев почвы, воды, растительности.

Источники тепла. В жизни атмосферы решающее значение имеет тепловая энергия. Главнейшим источником этой энергии является Солнце. Что же касается теплового излучения Луны, планет и звезд, то оно для Земли настолько ничтожно, что практически его нельзя принимать во внимание. Значительно больше тепловой энергии дает внутреннее тепло Земли. По вычислениям геофизиков, постоянный приток тепла из недр Земли повышает температуру земной поверхности на 0°,1. Но подобный приток тепла все же настолько мал, что принимать его в расчет также нет никакой необходимости. Таким образом, единственным источником тепловой энергии на поверхности Земли можно считать только Солнце.

Солнечная радиация. Солнце, имеющее температуру фотосферы (излучающей поверхности) около 6000°, излучает энергию в пространство во всех направлениях. Часть этой энергии в виде огромного пучка параллельных солнечных лучей попадает на Землю. Солнечная энергия, дошедшая до поверхности Земли в виде прямых лучей Солнца, носит название прямой солнечной радиации. Но не вся солнечная радиация, направленная на Землю, доходит до земной поверхности, так как солнечные лучи, проходя через мощный слой атмосферы, частично поглощаются ею, частично рассеиваются молекулами и взвешенными частичками воздуха, некоторая часть отражается облаками. Та часть солнечной энергии, которая рассеивается в атмосфере, называется рассеянной радиацией. Рассеянная солнечная радиация распространяется в атмосфере и попадает к поверхности Земли. Нами этот вид радиации воспринимается как равномерный дневной свет, когда Солнце полностью закрыто облаками или только что скрылось за горизонтом.

Прямая и рассеянная солнечная радиация, достигнув поверхности Земли, не полностью поглощается ею. Часть солнечной радиации отражается от земной поверхности обратно в атмосферу и находится там в виде потока лучей, так называемой отраженной солнечной радиации.

Состав солнечной радиации весьма сложный, что связано с очень высокой температурой излучающей поверхности Солнца. Условно по длине волн спектр солнечной радиации делят на три части: ультрафиолетовую (η<0,4<μ видимую глазом (η от 0,4μ до 0,76μ) и инфракрасную часть (η >0,76μ). Кроме температуры солнечной фотосферы, на состав солнечной радиации у земной поверхности влияет еще поглощение и рассеивание части солнечных лучей при их прохождении через воздушную оболочку Земли. В связи с этим состав солнечной радиации на верхней границе атмосферы и у поверхности Земли будет неодинаков. На основании теоретических расчетов и наблюдений установлено, что на границе атмосферы на долю ультрафиолетовой радиации приходится 5%, на видимые лучи - 52% и на инфракрасные - 43%. У земной же поверхности (при высоте Солнца 40°) ультрафиолетовые лучи составляют только 1%, видимые - 40%, а инфракрасные - 59%.

Интенсивность солнечной радиации. Под интенсивностью прямой солнечной радиации понимают количество тепла в калориях, получаемого в 1 мин. от лучистой энергии Солнца поверхностью в 1 см 2 , расположенной перпендикулярно к солнечным лучам.

Для измерения интенсивности прямой солнечной радиации применяются специальные приборы - актинометры и пиргелиометры; величина рассеянной радиации определяется пиранометром. Автоматическая регистрация продолжительности действия солнечной радиации производится актинографами и гелиографами. Спектральная интенсивность солнечной радиации определяется спектроболографом.

На границе атмосферы, где исключено поглощающее и рассеивающее воздействие воздушной оболочки Земли, интенсивность прямой солнечной радиации равна приблизительно 2 кал на 1 см 2 поверхности в 1 мин. Эта величина носит название солнечной постоянной. Интенсивность солнечной радиации в 2 кал на 1 см 2 в 1 мин. дает такое большое количество тепла в течение года, что его хватило бы, чтобы расплавить слой льда в 35 м толщиной, если бы такой слой покрывал всю земную поверхность.

Многочисленные измерения интенсивности солнечной радиации дают основание полагать, что количество солнечной энергии, приходящее к верхней границе атмосферы Земли, испытывает колебания в размере нескольких процентов. Колебания бывают периодические и непериодические, связанные, по-видимому, с процессами, происходящими на самом Солнце.

Кроме того, некоторое изменение в интенсивности солнечной радиации происходит в течение года благодаря тому, что Земля в годовом своем вращении движется не по окружности, а по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. В связи с этим меняется расстояние от Земли до Солнца и, следовательно, происходит колебание интенсивности солнечной радиации. Наибольшая интенсивность наблюдается около 3 января, когда Земля находится ближе всего от Солнца, а наименьшая около 5 июля, когда Земля удалена от Солнца на максимальное расстояние.

Колебание интенсивности солнечной радиации по этой причине очень невелико и может представлять только теоретический интерес. (Количество энергии при максимальном расстоянии относится к количеству энергии при минимальном расстоянии, как 100: 107, т. е. разница совершенно ничтожна.)

Условия облучения поверхности земного шара. Уже одна только шарообразная форма Земли приводит к тому, что лучистая энергия Солнца распределяется на земной поверхности весьма неравномерно. Так, в дни весеннего и осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября) только на экваторе в полдень угол падения лучей будет 90° (рис. 30), а по мере приближения к полюсам он будет уменьшаться от 90 до 0°. Таким образом,

если на экваторе количество полученной радиации принять за 1, то на 60-й параллели она выразится в 0,5, а на полюсе будет равна 0.

Земной шар, кроме того, имеет суточное и годовое движение, причем земная ось наклонена к плоскости орбиты на 66°,5. В силу этого наклона между плоскостью экватора и плоскостью орбиты образуется угол в 23°30 г. Это обстоятельство приводит к тому, что углы падения солнечных лучей для одних и тех же широт будут меняться в пределах 47° (23,5+23,5).

В зависимости от времени года меняется не только угол падения лучей, но также продолжительность освещения. Если в тропических странах во все времена года продолжительность дня и ночи приблизительно одинакова, то в полярных странах, наоборот, она очень различна. Так, например, на 70° с. ш. летом Солнце не заходит 65 суток, на 80° с. ш.- 134, а на полюсе -186. В силу этого на Северном полюсе радиация в день летнего солнцестояния (22 июня) на 36% больше, чем на экваторе. Что же касается всего летнего полугодия, то общее количество тепла и света, получаемого полюсом, только на 17% меньше, чем на экваторе. Таким образом, в летнее время в полярных странах продолжительность освещения в значительной мере компенсирует тот недостаток радиации, который является следствием малого угла падения лучей. В зимнее полугодие картина совершенно другая: количество радиации на том же Северном полюсе будет равно 0. В результате за год среднее количество радиации на полюсе оказывается в 2,4 меньше, чем на экваторе. Из всего сказанного следует, что количество солнечной энергии, которое получает Земля путем радиации, определяется углом падения лучей и продолжительностью облучения.

Земная поверхность при отсутствии атмосферы на различных широтах за сутки получала бы следующее количество тепла, выраженное в калориях на 1 см 2 (см. таблицу на стр. 92).

Приведенное в таблице распределение радиации по земной поверхности принято называть солярным климатом. Повторяем, что такое распределение радиации мы имеем только у верхней границы атмосферы.

Ослабление солнечной радиации в атмосфере. До сих пор мы говорили об условиях распределения солнечного тепла по земной поверхности, не принимая во внимание атмосферы. Между тем атмосфера в данном случае имеет огромное значение. Солнечная радиация, проходя через атмосферу, испытывает рассеивание и, кроме того, поглощение. Оба эти процесса вместе ослабляют солнечную радиацию в значительной степени.

Солнечные лучи, проходя через атмосферу, прежде всего испытывают рассеивание (диффузию). Рассеивание создается тем, что лучи света, преломляясь и отражаясь от молекул воздуха и частичек твердых и жидких тел, находящихся в воздухе, отклоняются от прямого пути к действительно «рассеиваются».

Рассеивание сильно ослабляет солнечную радиацию. При увеличений количества водяных паров и особенно пылевых частиц рассеивание увеличивается и радиация ослабляется. В больших городах и пустынных областях, где запыленность воздуха наибольшая, рассеивание ослабляет силу радиации на 30-45%. Благодаря рассеиванию получается тот дневной свет, который освещает предметы, если даже на них непосредственно солнечные лучи не падают. Рассеивание обусловливает и самый цвет неба.

Остановимся теперь на способности атмосферы поглощать лучистую энергию Солнца. Основные газы, входящие в состав атмосферы, поглощают лучистую энергию сравнительно очень мало. Примеси же (водяной пар, озон, углекислый газ и пыль), наоборот, отличаются большой поглотительной способностью.

В тропосфере наиболее значительную примесь составляют водяные пары. Они особенно сильно поглощают инфракрасные (длинноволновые), т. е. преимущественно тепловые лучи. И чем больше водяных паров в атмосфере, тем естественно больше и. поглощение. Количество же водяных паров в атмосфере подвержено большим изменениям. В естественных условиях оно меняется от 0,01 до 4% (по объему).

Очень большой поглотительной способностью отличается озон. Значительная примесь озона, как уже говорилось, находится в нижних слоях стратосферы (над тропопаузой). Озон поглощает ультрафиолетовые (коротковолновые) лучи почти полностью.

Большой поглотительной способностью отличается также и углекислый газ. Он поглощает главным образом длинноволновые, т. е. преимущественно тепловые лучи.

Пыль, находящаяся в воздухе, также поглощает некоторое количество солнечной радиации. Нагреваясь под действием солнечных лучей, она может заметно повысить температуру воздуха.

Из общего количества солнечной энергии, приходящей к Земле, атмосфера поглощает всего около 15%.

Ослабление солнечной радиации путем рассеивания и поглощения атмосферой для различных широт Земли очень различно. Это различие зависит прежде всего от угла падения лучей. При зенитном положении Солнца лучи, падая вертикально, пересекают атмосферу кратчайшим путем. С уменьшением угла падения путь лучей удлиняется и ослабление солнечной радиации становится более значительным. Последнее хорошо видно по чертежу (рис. 31) и приложенной таблице (в таблице величина пути солнечного луча при зенитном положении Солнца принята за единицу).

В зависимости от угла падения лучей изменяется не только количество лучей, но также и их качество. В период, когда Солнце находится в зените (над головой), на ультрафиолетовые лучи приходится 4%, на

видимые - 44% и инфракрасные - 52%. При положении Солнца у горизонта ультрафиолетовых лучей совсем нет, видимых 28% и инфракрасных 72%.

Сложность влияния атмосферы на солнечную радиацию усугубляется еще тем, что пропускная ее способность очень сильно меняется в зависимости от времени года и состояния погоды. Так, если бы небо все время оставалось безоблачным, то годовой ход притока солнечной радиации на различных широтах можно было бы графически выразить следующим образом (рис. ,32) Из чертежа ясно видно, что при безоблачном небе в Москве в мае, июне и июле тепла от солнечной радиации получалось бы больше, чем на экваторе. Точно так же во вторую половину мая, в июне и первой половине июля на Северном полюсе тепла получалось бы больше, чем на экваторе и в Москве. Повторяем, что так было бы при безоблачном небе. Но на самом деле этого не получается, потому что облачность в значительной мере ослабляет солнечную радиацию. Приведем пример, изображенный на графике (рис. 33). На графике видно, как много солнечной радиации не доходит до поверхности Земли: значительная часть ее задерживается атмосферой и облаками.

Однако нужно сказать, что тепло, поглощенное облаками, частью идет на нагревание атмосферы, а частью косвенным образом достигает и земной поверхности.

Суточный и годовой ход интенсивности сол нечной радиации. Интенсивность прямой солнечной радиации у поверхности Земли зависит от высоты Солнца над горизонтом и от состояния атмосферы (от ее запыленности). Если бы. прозрачность атмосферы в течение суток была постоянная, то максимальная интенсивность солнечной радиации наблюдалась бы в полдень, а минимальная - при восходе и заходе Солнца. В этом случае график хода суточной интенсивности солнечной радиации был бы симметричным относительно полдня.

Содержание пыли, водяного пара и других примесей в атмосфере непрерывно меняется. В связи с этим меняется прозрачность воздуха и нарушается симметричность графика хода интенсивности солнечной радиации. Нередко, особенно в летний период, в полуденное время, когда происходит усиленное нагревание земной поверхности, возникают мощные восходящие токи воздуха, увеличивается количество водяного пара и пыли в атмосфере. Это приводит к значительному ослаблению солнечной радиации в полдень; максимум интенсивности радиации в этом случае наблюдается в дополуденные или послеполуденные часы. Годовой ход интенсивности солнечной радиации также связан с изменениями высоты Солнца над горизонтом в течение года и с состоянием прозрачности атмосферы в различные сезоны. В странах северного полушария наибольшая высота Солнца над горизонтом бывает в июне месяце. Но в это же время наблюдается и наибольшая запыленность атмосферы. Поэтому максимальная интенсивность обычно приходится не на середину лета, а на весенние месяцы, когда Солнце довольно высоко* поднимается над горизонтом, а атмосфера после зимы остается еще сравнительно чистой. Для иллюстрации годового хода интенсивности солнечной радиации в северном полушарии приводим данные среднемесячных полуденных величин интенсивности радиации в Павловске.

Сумма тепла солнечной радиации. Поверхность Земли в течение дня непрерывно получает тепло от прямой и рассеянной солнечной радиации или только от рассеянной радиации (при пасмурной погоде). Определяют суточную величину тепла на основании актинометрических наблюдений: по учету количества прямой и рассеянной радиации, поступившей на земную поверхность. Определив сумму тепла за каждые сутки, вычисляют и количество тепла, получаемого земной поверхностью за месяц или за год.

Суточное количество тепла, получаемого земной поверхностью от солнечной радиации, зависит от интенсивности радиации и от продолжительности ее действия в течение суток. В связи с этим минимум притока тепла приходится на зиму, а максимум на лето. В географическом распределении суммарной радиации по земному шару наблюдается ее увеличение с уменьшением широты местности. Это положение подтверждается следующей таблицей.

Роль прямой и рассеянной радиации в годовом количестве тепла, получаемом земной поверхностью на разных широтах земного шара, неодинакова. В высоких широтах в годовой сумме тепла преобладает рассеянная радиация. С уменьшением широты преобладающее значение переходит к прямой солнечной радиации. Так, например, в бухте Тихой рассеянная солнечная радиация дает 70% годовой суммы тепла, а прямая радиация только 30%. В Ташкенте, наоборот, прямая солнечная радиация дает 70%, рассеянная только 30%.

Отражательная способность Земли. Альбедо. Как уже указывалось, поверхность Земли поглощает только часть солнечной энергии, поступающей к ней в виде прямой и рассеянной радиации. Другая часть отражается в атмосферу. Отношение величины солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к величине потока лучистой энергии, падающей на эту поверхность, называется альбедо. Альбедо выражается в процентах и характеризует отражательную способность данного участка поверхности.

Альбедо зависит от характера поверхности (свойства почвы, наличия снега, растительности, воды и т. д.) и от величины угла падения лучей Солнца на поверхность Земли. Так, например, если лучи падают на земную поверхность под углом в 45°, то:

Из приведенных примеров видно, что отражающая способность у различных предметов неодинакова. Она всего больше у снега и меньше всего у воды. Однако взятые нами примеры относятся лишь к тем случаям, когда высота Солнца над горизонтом равна 45°. При уменьшении же этого угла отражающая способность увеличивается. Так, например, пои высоте Солнца в 90° вода отражает только 2%, при 50° - 4%, при 20°-12%, при 5° - 35-70% (в зависимости от состояния водной поверхности).

В среднем при безоблачном небе поверхность земного шара отражает 8% солнечной радиации. Кроме того, 9% отражает атмосфера. Таким образом, земной шар в целом при безоблачном небе отражает 17% падающей на него лучистой энергии Солнца. Если же небо покрыто облаками, то от них отражается 78% радиации. Если взять естественные условия, исходя из того соотношения между безоблачным небом и небом, покрытым облаками, которое наблюдается в действительности, то отражательная способность Земли в целом равна 43%.

Земная и атмосферная радиация. Земля, получая солнечную энергию, нагревается и сама становится источником излучения тепла в мировое пространство. Однако лучи, испускаемые земной поверхностью, резко отличаются от солнечных лучей. Земля излучает лишь длинноволновые (λ 8-14 μ) невидимые инфракрасные (тепловые) лучи. Энергия, излучаемая земной поверхностью, называется земной радиацией. Излучение Земли происходит и. днем и ночью. Интенсивность излучения тем больше, чем выше температура излучающего тела. Земное излучение определяется в тех же единицах, что и солнечное, т. е. в калориях с 1 см 2 поверхности в 1 мин. Наблюдения показали, что величина земного излучения невелика. Обычно она достигает 15-18 сотых калории. Но, действуя непрерывно, она может дать значительный тепловой эффект.

Наиболее сильное земное излучение получается при безоблачном небе и хорошей прозрачности атмосферы. Облачность (особенно низкие облака) значительно уменьшает земное излучение и часто доводит его до нуля. Здесь можно сказать, что атмосфера вместе с облаками является хорошим «одеялом», предохраняющим Землю от чрезмерного остывания. Части атмосферы подобно участкам земной поверхности излучают энергию в соответствии с их температурой. Эта энергия носит название атмосферной радиации. Интенсивность атмосферной радиации зависит от температуры излучающего участка атмосферы, а также от количества водяных паров и углекислого газа, содержащихся в воздухе. Атмосферная радиация относится к труппе длинноволновой. Распространяется она в атмосфере во всех направлениях; некоторое количество ее достигает земной поверхности и поглощается ею, другая часть уходит в межпланетное пространство.

О приходе и расходе энергии Солнца на Земле. Земная поверхность, с одной стороны, получает солнечную энергию в виде прямой и рассеянной радиации, а с другой стороны, теряет часть этой энергии в виде земной радиации. В результате прихода и расхода солнечной’ энергии получается какой-то результат. В одних случаях этот результат может быть положительным, в других отрицательным. Приведем примеры того и другого.

8 января. День безоблачный. На 1 см 2 земной поверхности поступило за сутки 20 кал прямой солнечной радиации и 12 кал рассеянной радиации; всего, таким образом, получено 32 кал. За это же время в силу излучения 1 см? земной поверхности потерял 202 кал. В результате, выражаясь языком бухгалтерии, в балансе имеется потеря 170 кал (отрицательный баланс).

6 июля. Небо почти безоблачно. От прямой солнечной радиации получено 630 кал, от рассеянной радиации 46 кал. Всего, следовательно, земная поверхность получила на 1 см 2 676 кал. Путем земного излучения потеряно 173 кал. В балансе прибыль на 503 кал (баланс положительный).

Из приведенных примеров, помимо всего прочего, совершенно ясно, почему в умеренных широтах зимой холодно, а летом тепло.

Использование солнечной радиации для технических и бытовых целей. Солнечная радиация является неисчерпаемым природным источником энергии. О величине солнечной энергии на Земле можно судить по такому примеру: если, например, использовать тепло солнечной радиации, падающей только на 1/10 часть площади СССР, то можно получить энергию, равную работе 30 тыс. Днепрогэсов.

Люди издавна стремились использовать даровую энергию солнечной радиации для своих нужд. К настоящему времени создано много различных гелиотехнических установок, работающих на использовании солнечной радиации и получивших большое применение в промышленности и для удовлетворения бытовых нужд населения. В южных районах СССР в промышленности и в коммунальном хозяйстве на основе широкого использования солнечной радиации работают солнечные водонагреватели, кипятильники, опреснители соленой воды, гелиосушилки (для сушки фруктов), кухни, бани, теплицы, аппараты для лечебных целей. Широко используется солнечная радиация на курортах для лечения и укрепления здоровья людей.

— Источник—

Половинкин, А.А. Основы общего землеведения/ А.А. Половинкин.- М.: Государственное учебно-педагогическое издательство министерства просвещения РСФСР, 1958.- 482 с.

Post Views: 469

К природным излучений относятся излучения Солнца, атмосферы и земной поверхности.

Параметры солнечного излучения

Солнце представляет собой раскаленный шар диаметром 1,392 109 м, масса которой составляет 1,991 1030 кг. Расстояние между Солнцем и Землей равна 1,496 1011 м. Температура Солнца в центре - 2 107 ° С, на поверхности - 6000 ° С. При такой высокой температуры происходит ионизация молекул солнечного среды и ядерные реакции. Эти процессы сопровождаются выделением большого количества энергии.

К основным параметрам солнечного излучения относятся интенсивность, спектральный состав и периодичность.

Интенсивность солнечного излучения

Наблюдение за Солнцем с помощью пиргелиометра

спутника Nimbus позволило определить интенсивность солнечного излучения в пределах 1369-1375 Вт / м2 (среднее значение 1373 Вт / м2). Эта величина получила название солнечной постоянной.

Общая мощность солнечного излучения составляет для сферы радиусом d = 1,496 1011 м (расстояние между Солнцем и Землей):

Радиус земного шара равен .

Площадь поперечного сечения м2.

Площадь всей поверхности Земли составляет м2.

Мощность солнечного излучения на поверхности Земли (учитываем, что Земля вращается и площадь облучаемого в 4 раза меньше, чем вся площадь поверхности):

Следовательно, интенсивность солнечного излучения, падающего на земную поверхность, равна:

В Украине средняя интенсивность солнечного излучения варьирует от 185-215 Вт / м2 (Крым) до 115-145 Вт / м2 (Полесье).

Солнечное излучение по интенсивности распределяется так: две трети в виде прямого солнечного света, одна треть в виде диффузно рассеянного света (рис. 11.1).

Рис. 11.1.

Прямое солнечное излучение соответствует тому излучению, измеряется на земной поверхности перпендикулярно ей за исключением диффузного излучения.

Диффузное излучение соответствует излучению, рассеивается на частицах атмосферы или отражается от них.

Прямая солнечная инсоляция равна солнечной постоянной за исключением потери на поглощение и рассеивание. Солнечная стала зависит от расстояния между Солнцем и Землей, солнечных циклов; потери солнечного излучения зависят от времени дня (возвышение Солнца), облачного покрова, содержания влажности и различных загрязнителей.

Излучающие свойства Солнца описываются уравнением:

(11.1)

где - суммарная энергетическая освещенность солнечным излучением земной поверхности, Вт / м2; - энергетическая освещенность земной поверхности прямым солнечным излучением, Вт / м2, а - то же, но диффузным солнечным излучением, Вт / м2.

Средние значения суммарной энергетической освещенности и за счет диффузного солнечного излучения составляют: = 900 Вт / м2; = 200 Вт / м2 (чистое небо) = 800 Вт / м2; = 350 Вт / м2 (небо наполовину покрыт кучевыми облаками) = 300 Вт / м2 (небо полностью покрыто облаками) .

Солнечная интенсивность распределяется так: 19 % прямого солнечного излучения поглощается атмосферой, в частности такими газами как озон, двуокись углерода, водная пара, кислород, азот; 20% солнечного излучения отражается облаками; 6% рассеивается атмосферой; 4% отражается земной поверхностью; 51% поглощается земной поверхностью (грунтом и водой), после чего это излучение появляется в виде латентной теплоты (23 %), ощутимой теплоты (7%), инфракрасного излучения земной поверхности (21%). Около 23 % составляет диффузное солнечное излучение. На интенсивность солнечного излучения влияют время года, время суток, широта, расстояние между Солнцем и Землей, поглощение солнечного излучения земной атмосферой.

Спектральный состав солнечного излучения

Спектр солнечного излучения составляет 200-5000 нм; максимум излучения приходится на 500 нм. Спектр солнечного излучения, достигающего земной поверхности состоит из ультрафиолетовой (100-400 нм), видимой (380-760 нм) и инфракрасной (более 760 нм) частей (табл. 11.1). На ультрафиолетовую часть спектра приходится 5%, на видимую 35% и на инфракрасную - 60% солнечного излучения.

11.1. Диапазоны спектра оптического излучения

Периодичность солнечного излучения

Циклические изменения солнечной активности известны как солнечные циклы. Различают солнечные циклы с периодичностью 11, 22, 87, 210 и 2300.

Солнечная энергия

Параметры солнечного излучения

Прежде всего необходимо оценить потенциальные энергетические возможности солнечного излучения. Здесь наибольшее значение имеет его общая удельная мощность у поверхности Земли и распределение этой мощности по разным диапазонам излучения.

Мощность солнечного излучения

Мощность излучения Солнца, находящегося в зените, у поверхности Земли оценивается примерно в 1350 Вт/м2. Простой расчёт показывает, что для получения мощности 10 кВт необходимо собрать солнечное излучение с площади всего лишь 7.5 м2. Но это — в ясный полдень в тропической зоне высоко в горах, где атмосфера разрежена и кристально прозрачна. Как только Солнце начинает склоняться к горизонту, путь его лучей сквозь атмосферу увеличивается, соответственно, возрастают и потери на этом пути. Присутствие в атмосфере пыли или паров воды, даже в неощутимых без специальных приборов количествах, ещё более снижает поток энергии. Однако и в средней полосе в летний полдень на каждый квадратный метр, ориентированный перпендикулярно солнечным лучам, приходится поток солнечной энергии мощностью примерно 1 кВт.

Конечно, даже небольшая облачность резко уменьшает энергию, достигающую поверхности, особенно в инфракрасном (тепловом) диапазоне. Тем не менее, часть энергии всё равно проникает сквозь тучи. В средней полосе при сильной облачности в полдень мощность солнечного излучения, дошедшего до поверхности Земли, оценивается примерно в 100 Вт/м2 и лишь в редких случаях при особо плотной облачности может опускаться ниже этой величины. Очевидно, что в таких условиях для получения 10 кВт необходимо полностью, без потерь и отражения, собрать солнечное излучение уже не с 7.5 м2 земной поверхности, а с целой сотки (100 м2).

В таблице приведены краткие усреднённые данные по энергии солнечного излучения для некоторых городов России с учётом климатических условий (частоты и силы облачности) на единицу горизонтальной поверхности. Детализация этих данных, дополнительные данные для ориентаций панелей, отличных от горизонтальной, а также данные для других областей России и стран бывшего СССР приведены на отдельной странице .

Город	месячный минимум (декабрь)	месячный максимум (июнь или июль)	суммарно за год
Архангельск	4 МДж / м 2 (1.1 кВт·ч / м 2)	575 МДж / м 2 (159.7 кВт·ч / м 2)	3.06 ГДж / м 2 (850 кВт·ч / м 2)
Астрахань	95.8 МДж / м 2 (26.6 кВт·ч / м 2)	755.6 МДж / м 2 (209.9 кВт·ч / м 2)	4.94 ГДж / м 2 (1371 кВт·ч / м 2)
Владивосток	208.1 МДж / м 2 (57.8 кВт·ч / м 2)	518.0 МДж / м 2 (143.9 кВт·ч / м 2)	4.64 ГДж / м 2 (1289.5 кВт·ч / м 2)
Екатеринбург	46 МДж / м 2 (12.8 кВт·ч / м 2)	615 МДж / м 2 (170.8 кВт·ч / м 2)	3.76 ГДж / м 2 (1045 кВт·ч / м 2)
Москва	42.1 МДж / м 2 (11.7 кВт·ч / м 2)	600.1 МДж / м 2 (166.7 кВт·ч / м 2)	3.67 ГДж / м 2 (1020.7 кВт·ч / м 2)
Новосибирск		638 МДж / м 2 (177.2 кВт·ч / м 2)	4.00 ГДж / м 2 (1110 кВт·ч / м 2)
Омск	56 МДж / м 2 (15.6 кВт·ч / м 2)	640 МДж / м 2 (177.8 кВт·ч / м 2)	4.01 ГДж / м 2 (1113 кВт·ч / м 2)
Петрозаводск	8.6 МДж / м 2 (2.4 кВт·ч / м 2)	601.6 МДж / м 2 (167.1 кВт·ч / м 2)	3.10 ГДж / м 2 (860.0 кВт·ч / м 2)
Петропавловск-Камчатский	83.9 МДж / м 2 (23.3 кВт·ч / м 2)	560.9 МДж / м 2 (155.8 кВт·ч / м 2)	3.95 ГДж / м 2 (1098.4 кВт·ч / м 2)
Ростов-на-Дону	80 МДж / м 2 (22.2 кВт·ч / м 2)	678 МДж / м 2 (188.3 кВт·ч / м 2)	4.60 ГДж / м 2 (1278 кВт·ч / м 2)
Санкт-Петербург	8 МДж / м 2 (2.2 кВт·ч / м 2)	578 МДж / м 2 (160.6 кВт·ч / м 2)	3.02 ГДж / м 2 (840 кВт·ч / м 2)
Сочи	124.9 МДж / м 2 (34.7 кВт·ч / м 2)	744.5 МДж / м 2 (206.8 кВт·ч / м 2)	4.91 ГДж / м 2 (1365.1 кВт·ч / м 2)
Южно-Сахалинск	150.1 МДж / м 2 (41.7 кВт·ч / м 2)	586.1 МДж / м 2 (162.8 кВт·ч / м 2)	4.56 ГДж / м 2 (1267.5 кВт·ч / м 2)

Неподвижная панель, размещённая под оптимальным углом наклона, способна воспринять в 1.2 .. 1.4 раза больше энергии по сравнению с горизонтальной, а если она будет поворачиваться вслед за Солнцем, то прибавка составит 1.4 .. 1.8 раза. В этом можно убедиться, с разбивкой по месяцам для неподвижных панелей, ориентированных на юг под разными углами наклона, и для систем, отслеживающих движение Солнца. Особенности размещения солнечных панелей более подробно обсуждаются ниже .

Прямое и рассеянное солнечное излучение

Различают рассеянное и прямое солнечное излучение. Для эффективного восприятия прямого солнечного излучения панель должна быть ориентирована перпендикулярно потоку солнечного света. Для восприятия рассеянного излучения ориентация не так критична, так как оно достаточно равномерно приходит почти со всего небосвода — именно так освещается земная поверхность в пасмурные дни (по этой причине в пасмурную погоду предметы не имеют чётко оформленной тени, а вертикальные поверхности, такие как столбы и стены домов, практически не отбрасывают видимую тень).

Соотношение прямого и рассеянного излучения сильно зависит от погодных условий в разные сезоны. Например, в Москве зима пасмурная, и в январе доля рассеянного излучения превышает 90% от общей инсоляции. Но даже московским летом рассеянное излучение составляет почти половину от всей солнечной энергии, достигающей земной поверхности. В то же время в солнечном Баку и зимой, и летом доля рассеянного излучения составляет от 19 до 23% общей инсоляции, а около 4/5 солнечного излучения, соответственно, является прямым. Более подробно соотношение рассеянной и полной инсоляции для некоторых городов приведено на отдельной странице .

Распределение энергии в солнечном спектре

Солнечный спектр является практически непрерывным в крайне широком диапазоне частот — от низкочастотного радиоволнового до сверхвысокочастотного рентгеновского и гамма-излучения. Безусловно, трудно одинаково эффективно улавливать столь разные виды излучения (пожалуй, это можно осуществить лишь теоретически с помощью «идеального абсолютно чёрного тела»). Но это и не надо — во-первых, само Солнце в разных частотных диапазонах излучает с различной силой, а во-вторых, не всё, что излучило Солнце, достигает поверхности Земли — отдельные участки спектра в значительной степени поглощаются разными компонентами атмосферы — преимущественно озоновым слоем, парами воды и углекислым газом.

Поэтому нам достаточно определить те диапазоны частот, в которых наблюдается наибольший поток солнечной энергии у поверхности Земли, и использовать именно их. Традиционно солнечное и космическое излучение разделяется не по частоте, а по длине волны (это связано со слишком большими показателями степени для частот этого излучения, что весьма неудобно — видимому свету в герцах соответствует 14-й порядок). Посмотрим же зависимость распределения энергии от длины волны для солнечного излучения.

Диапазоном видимого света считается участок длин волн от 380 нм (глубокий фиолетовый) до 760 нм (глубокий красный). Всё, что имеет меньшую длину волны, обладает более высокой энергией фотонов и подразделяется на ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма- диапазоны излучения. Невзирая на высокую энергию фотонов, самих фотонов в этих диапазонах не так уж много, поэтому общий энергетический вклад этого участка спектра весьма мал. Всё, что имеет бóльшую длину волны, обладает меньшей по сравнению с видимым светом энергией фотонов и подразделяется на инфракрасный диапазон (тепловое излучение) и различные участки радиодиапазона. Из графика видно, что в инфракрасном диапазоне Солнце излучает практически столько же энергии, как и в видимом (уровни меньше, зато диапазон шире), а вот в радиочастотном диапазоне энергия излучения очень мала.

Таким образом, с энергетической точки зрения нам достаточно ограничиться видимым и инфракрасным частотными диапазонами, а также ближним ультрафиолетом (где-то до 300 нм, более коротковолновый жёсткий ультрафиолет практически полностью поглощается в так называемом озоновом слое, обеспечивая синтез этого самого озона из атмосферного кислорода). А львиная доля солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, сосредоточена в диапазоне длин волн от 300 до 1800 нм.

Ограничения при использовании солнечной энергии

Главные ограничения, связанные с использованием солнечной энергии, вызваны её непостоянством — солнечные установки не работают ночью и малоэффективны в пасмурную погоду. Это очевидно практически всем.

Однако есть и ещё одно обстоятельство, которое особенно актуально для наших довольно северных широт — это сезонные различия в продолжительности дня. Если для тропической и экваториальной зоны длительность дня и ночи слабо зависит от времени года, то уже на широте Москвы самый короткий день меньше самого длинного почти в 2.5 раза! Про приполярные области я уже не говорю... В результате в ясный летний день солнечная установка под Москвой может произвести энергии не меньше, чем на экваторе (солнце пониже, зато день длиннее). Однако зимой, когда потребность в энергии особенно высока, её выработка, наоборот, снизится в несколько раз. Ведь помимо короткого светового дня, лучи низкого зимнего солнца даже в полдень должны проходить гораздо более толстый слой атмосферы и потому теряют на этом пути существенно больше энергии, чем летом, когда солнце стоит высоко и лучи идут сквозь атмосферу почти отвесно (выражение «холодное зимнее солнце» имеет самый прямой физический смысл). Тем не менее, это вовсе не означает, что солнечные установки в средней полосе и даже в гораздо более северных районах совсем бесполезны — хотя зимой от них мало пользы, эато в период длинных дней, как минимум полгода между весенним и осенним равноденствиями, они вполне эффективны.

Особенно интересно применение солнечных установок для приведения в действие всё шире рас-прос-тра-ня-ю-щих-ся, но весьма «прожорливых» кондиционеров. Ведь чем сильнее светит солнце, тем жарче и тем нужнее кондиционер. Но в таких условиях и солнечные установки способны выработать больше энергии, причём эта энергия будет использована кондиционером именно «здесь и сейчас», её не надо аккумулировать и хранить! К тому же совсем необязательно преобразовывать энергию в электрическую форму — абсорбционные тепловые машины используют тепло непосредственно, а это значит, что вместо фотоэлектрических батарей можно использовать солнечные коллекторы , наиболее эффективные как раз в ясную жаркую погоду. Правда, я считаю, что кондиционеры незаменимы лишь в жарких безводных регионах и во влажном тропическом климате, а также в современных городах независимо от их месторасположения. Грамотно спроектированный и построенный загородный дом не только в средней полосе, но и на большей части юга России не нуждается в столь энергетически прожорливом, громоздком, шумном и капризном устройстве.

К сожалению, в условиях городской застройки индивидуальное использование более-менее мощных солнечных установок со сколько-нибудь заметной практической пользой возможно лишь в редких случаях особо удачного стечения обстоятельств. Впрочем, я не считаю городскую квартиру полноценным жильём, поскольку её нормальное функционирование зависит от слишком большого количества факторов, не доступных непосредственному контролю жильцов по чисто техническим причинам, а потому в случае выхода из строя на более-менее длительное время хотя бы одной из систем жизнеобеспечения современного многоквартирного дома условия там не будут приемлемы для жизни (скорее, квартиру в многоэтажке надо рассматривать как своего рода гостиничный номер, который жильцы выкупили в бессрочное пользование или арендуют у муниципалитета). Зато за городом особое внимание к солнечной энергии может быть более чем оправданным даже на маленьком участке в 6 соток.

Особенности размещения солнечных панелей

Выбор оптимальной ориентации солнечных панелей является одним из важнейших вопросов при практическом использовании солнечных установок любого типа. К сожалению, на различных сайтах, посвящённых солнечной энергии, этот аспект рассматривается очень мало, хотя пренебрежение им способно снизить эффективность панелей до неприемлемого уровня.

Дело в том, что угол падения лучей на поверхность сильно влияет на коэффициент отражения, а следовательно, на долю невоспринятой солнечной энергии. Например, для стекла при отклонении угла падения от перпендикуляра к его поверхности до 30° коэффициент отражения практически не меняется и составляет чуть менее 5%, т.е. более 95% падающего излучения проходят внутрь. Далее рост отражения становится заметным, и к 60° доля отражённого излучения увеличивается вдвое — почти до 10%. При угле падения 70° отражается около 20% излучения, а при 80° — 40%. Для большинства других веществ зависимость степени отражения от угла падения имеет примерно тот же характер.

Ещё важнее так называемая эффективная площадь панели, т.е. перекрываемое ею сечение потока излучения. Она равна реальной площади панели, умноженной на синус угла между её плоскостью и направлением потока (или, что то же самое, на косинус угла между перепендикуляром к панели и направлением потока). Поэтому, если панель перпендикулярна потоку, её эффективная площадь равна её реальной площади, если поток отклонился от перпендикуляра на 60° — половине реальной площади, а если поток параллелен панели, её эффективная площадь равна нулю. Таким образом, существенное отклонение потока от перпендикуляра к панели не только увеличивает отражение, но снижает её эффективную площадь, что обуславливает очень заметное падение выработки.

Очевидно, что для наших целей наиболее эффективна постоянная ориентация панели перпендикулярно потоку солнечных лучей. Но это потребует изменения положения панели в двух плоскостях, поскольку положение Солнца на небе зависит не только от времени суток, но и от времени года. Хотя такая система, безусловно, технически возможна, она получается весьма сложной, а потому дорогой и не слишком надёжной.

Однако вспомним, что при углах падения до 30° коэффициент отражения на границе «воздух-стекло» минимален и практически неизменен, а в течении года угол максимального подъёма Солнца над горизонтом отклоняется от среднего положения не более чем на ±23°. Эффективная площадь панели при отклонении от перпендикуляра на 23° также остаётся достаточно большой — не менее 92% от её реальной площади. Поэтому можно ориентироваться на среднегодовую высоту максимального подъёма Солнца и практически без потери эффективности ограничиться вращением лишь в одной плоскости — вокруг полярной оси Земли со скоростью 1 оборот в сутки. Угол наклона оси такого вращения относительно горизонтали равен географической широте места. Например, для Москвы, расположенной на широте 56°, ось такого вращения должна быть наклонена на север на 56° относительно поверхности (или, что то же самое, отклонена от вертикали на 34°). Такое вращение организовать уже гораздо проще, однако для безпрепятственного вращения большой панели нужно немало места. Кроме того, необходимо либо организовать скользящее соединение, позволяющее отводить от постоянно вращающейся панели всю полученную ею энергию, либо ограничиться гибкими коммуникациями с фиксированным соединением, но обеспечить автоматический возврат панели обратно в ночное время, — в противном случае не избежать перекручивания и обрыва отводящих энергию коммуникаций. Оба решения резко повышают сложность и снижают надёжность системы. При возрастании мощности панелей (а значит, их размеров и веса) технические проблемы усложняются в геометрической прогрессии.

В связи со всем вышеизложенным, практически всегда панели индивидуальных солнечных установок монтируются неподвижно, что обеспечивает относительную дешевизну и высочайшую надёжность установки. Однако здесь особенно важным становится выбор угла размещения панели. Рассмотрим эту проблему на примере Москвы .

Оранжевая линия — при отслеживании положения Солнца вращением вокруг полярной оси (т.е. параллельно земной оси); синий — неподвижная горизонтальная панель; зелёный — неподвижная вертикальная панель, ориентированная на юг; красный — неподвижная панель, наклонённая на юг под углом 40° к горизонту.

Посмотрим на диаграммы инсоляции для различных углов установки панелей. Конечно, панель, поворачивающаяся вслед за Солнцем, вне конкуренции (оранжевая линия). Однако даже в длинные летние дни её эффективность превышает эффективность неподвижных горизонтальной (синяя) и наклонённой под оптимальным углом (красная) панелей всего лишь примерно на 30%. Но в эти дни тепла и света и так хватает! А вот в наиболее энергодефицитный период с октября по февраль преимущество поворотной панели над неподвижными минимально и практически неощутимо. Правда, в это время компанию наклонной панели составляет не горизонтальная, а вертикальная панель (зелёная линия). И это не удивительно — низкие лучи зимнего солнца скользят по горизонтальной панели, но хорошо воспринимаются почти перпендикулярной им вертикальной. Поэтому в феврале, ноябре и декабре вертикальная панель по своей эффективности превосходит даже наклонную и почти не отличается от поворотной. В марте и октябре день более длинный, и поворотная панель уже начинает уверенно (хотя и не очень сильно) превосходить любые неподвижные варианты, но эффективность наклонной и вертикальной панелей практически одинакова. И лишь в период длинных дней с апреля по август горизонтальная панель по полученной энергии опережает вертикальную и приближается к наклонной, а в июне даже чуть превосходит её. Летний проигрыш вертикальной панели закономерен — ведь, скажем, день летнего равноденствия длится в Москве более 17 часов, а в передней (рабочей) полусфере вертикальной панели Солнце может находиться не более 12 часов, остальные 5 с лишним часов (почти треть светового дня!) оно находится позади неё. Если же учесть, что при углах падения более 60° доля отражённого от поверхности панели света начинает стремительно расти, а её эффективная площадь сокращается в два раза и более, то время эффективного восприятия солнечного излучения для такой панели не превышает 8 часов — то есть менее 50% от общей продолжительности дня. Именно этим объясняется факт стабилизации производительности вертикальных панелей в течении всего периода длинных дней — с марта по сентябрь. И наконец, несколько особняком стоит январь — в этом месяце производительность панелей всех ориентаций практически одинакова. Дело в том, что этот месяц в Москве очень пасмурный, и более 90% всей солнечной энергии приходится нарассеянное излучение , а для такого излучения ориентация панели не слишком важна (главное, не направить её в землю). Однако несколько солнечных дней, всё же бывающих в январе, снижают выработку горизонтальной панели на 20% по сравнению с остальными.

Какой же угол наклона выбрать? Всё зависит от того, когда именно Вам нужна солнечная энергия. Если Вы хотите пользоваться ею только в тёплый период (скажем, на даче), то стоит выбрать так называемый «оптимальный» угол наклона, перпендикулярный к среднему положению Солнца в период между весенним и осенним равноденствиями. Он примерно на 10° .. 15° меньше географической широты и для Москвы составляет 40° .. 45°. Если же энергия Вам нужна круглогодично, то следует «выжимать» максимум именно в энергодефицитные зимние месяцы, а значит, надо ориентироваться на среднее положение Солнца между осенним и весенним равноденствиями и размещать панели ближе к вертикали — на 5° .. 15° больше географической широты (для Москвы это будет 60° .. 70°). Если же по архитектурным или конструктивным соображениям выдержать такой угол невозможно и надо выбирать между углом наклона в 40° и меньше или вертикальной установкой, следует предпочесть вертикальное положение. При этом «недобор» энергии в длинные летние дни не так критичен — в этот период полно естественного тепла и света, и потребность в выработке энергии обычно не так велика, как зимой и в межсезонье. Естественно, наклон панели должен быть ориентирован на юг, хотя отклонение от этого направления на 10° .. 15° к востоку или к западу мало что меняет и потому вполне допустимо.

Горизонтальное размещение солнечных панелей на всей территории России неэффективно и абсолютно неоправдано. Помимо слишком большого снижения выработки энергии в осенне-зимний период, на горизонтальных панелях интенсивно скапливается пыль, а зимой ещё и снег, и удалить их оттуда можно только с помощью специально организованной уборки (как правило, вручную). Если же наклон панели превышает 60°, то снег на её поверхности задерживается мало и обычно быстро осыпается сам по себе, а тонкий слой пыли хорошо смывается дождями.

Поскольку в последнее время цены на солнечное оборудование снижаются, может оказаться выгодным вместо единого поля солнечных панелей, ориентированного на юг, использовать два с большей суммарной мощностью , ориентированных на смежные (юго-восток и юго-запад) и даже противоположные (восток и запад) стороны света. Это обеспечит более равномерную выработку в солнечные дни и повышенную выработку в пасмурную погоду, при том, что остальное оборудование останется рассчитанным на прежнюю, относительно невысокую мощность, а потому будет более компактным и дешёвым.

И последнее. Стекло, поверхность которого не гладкая, а имеет специальный рельеф, способно гораздо более эффективно воспринимать боковой свет и передавать его на рабочие элементы солнечной панели. Наиболее оптимальным представляется волнообразный рельеф с ориентацией выступов и впадин с севера на юг (для вертикальных панелей — сверху вниз), — своеобразная линейная линза. Рифлёное стекло способно увеличить выработку неподвижной панели на 5% и более.

Традиционные типы установок для использования солнечной энергии

Время от времени появляются сообщения о строительстве очередной солнечной электростанции (СЭС) или опреснительной установки. По всему миру, от Африки до Скандинавии, применяются тепловые солнечные коллекторы и фотоэлектрические солнечные батареи. Эти методы использования солнечной энергии развиваются уже не один десяток лет, им посвящено множество сайтов в Интернете. Поэтому здесь я рассмотрю их в самых общих чертах. Впрочем, один важнейший момент в Интернете практически не освещается — это выбор конкретных параметров при создании индивидуальной системы солнечного энергоснабжения. Между тем этот вопрос не так прост, как кажется на первый взгляд. Пример выбора параметров для системы на солнечных батареях приведён на отдельной странице .

Солнечные батареи

Вообще говоря, под «солнечной батареей» можно понимать любой набор одинаковых модулей, воспринимающих солнечное излучение и объединённых в единое устройство, в том числе чисто тепловых, но традиционно этот термин закрепился именно за панелями фотоэлектрических преобразователей. Поэтому под термином «солнечная батарея» практически всегда подразумевается фотоэлектрическое устройство, непосредственно преобразующие солнечное излучение в электрический ток. Эта технология активно развивается с середины XX века. Огромным стимулом для её развития стало освоение космического пространства, где конкуренцию солнечным батареям по производимой мощности и длительности работы в настоящее время могут составить лишь малогабаритные ядерные источники энергии. За это время эффективность преобразования солнечных батарей возросла с одного-двух процентов до 17% и более в массовых относительно дешёвых моделях и свыше 42% в опытных образцах. Значительно увеличился срок службы и надёжность работы.

Достоинства солнечных батарей

Главное достоинство солнечных батарей — их предельная конструктивная простота и полное отсутствие подвижных деталей. Как следствие этого — небольшой удельный вес и неприхотливость в сочетании с высокой надёжностью, а также максимально простой монтаж и минимальные требования к обслуживанию во время эксплуатации (обычно достаточно лишь удалять с рабочей поверхности грязь по мере её накопления). Представляя собой плоские элементы малой толщины, они вполне успешно размещаются на обращённом к солнцу скате крыши или на стене дома, практически не требуя для себя какого-то дополнительного места и возведения отдельных громоздких конструкций. Единственное условие — ничто не должно затенять их в течении как можно большего времени.

Ещё одно важнейшее достоинство — это то, что энергия вырабатывается сразу в виде электричества — в наиболее универсальной и удобной на сегодняшний день форме.

К сожалению, ничто не вечно — эффективность фотоэлектрических преобразователей падает в течение срока службы. Полупроводниковые пластины, из которых обычно состоят солнечные батареи, со временем деградируют и утрачивают свои свойства, в результате и без того не слишком высокий КПД солнечных батарей становится ещё меньше. Длительное воздействие высоких температур ускоряет этот процесс. Сначала я отмечал это как недостаток фотоэлектрических батарей, тем более, что «севшие» фотоэлементы восстановить невозможно. Однако вряд ли какой-нибудь механический электрогенератор сможет продемонстрировать хотя бы 1% работоспособности всего лишь через 10 лет непрерывной работы — скорее всего он гораздо раньше потребует серьёзного ремонта из-за механического износа если не подшипников, то щёток, — а современные фотопреобразователи способны сохранять свою эффективность десятилетиями. По оптимистичным оценкам, за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшается всего на 10%, а значит, если не вмешаются другие факторы, то даже через 100 лет сохранится почти 2/3 от первоначальной эффективности. Впрочем, для массовых коммерческих фотоэлементов на поли- и монокристаллическом кремнии честные изготовители и продавцы приводят несколько другие цифры старения — через 20 лет следует ожидать утраты до 20% эффективности (тогда теоретически через 40 лет эффективность составит 2/3 от первоначальной, сократится вдвое за 60 лет, а через 100 лет останется чуть менее 1/3 от исходной производительности). В общем, нормальный срок службы для современных фотопреобразователей составляет не менее 25 .. 30 лет, так что деградация не так критична, и гораздо важнее вовремя стирать с них пыль...

Если же батареи установить таким образом, чтобы естественное запыление практически отсутствовало либо своевременно смывалось естественными же дождями, то они смогут работать без какого-либо обслуживания в течение многих лет. Возможность столь долгой эксплуатации в необслуживаемом режиме — ещё одно важнейшее преимущество.

Наконец, солнечные батареи способны вырабатывать энергию с рассвета до заката даже в пасмурную погоду, когда тепловые солнечные коллекторы имеют температуру, лишь незначительно отличающуюся от температуры окружающего воздуха. Конечно, по сравнению с ясным солнечным днём их производительность падает во много раз, но лучше хоть что-то, чем совсем ничего! В связи с этим особенно интересны разработки батарей с максимумом преобразования энергии в тех диапазонах, где облака меньше всего поглощают солнечное излучение. Кроме того, при выборе солнечных фотопреобразователей следует обращать внимание на зависимость вырабатываемого ими напряжения от освещённости — она должна быть как можно меньшей (при снижении освещённости в первую очередь должен падать ток, а не напряжение, поскольку иначе для получения хоть какого-то полезного эффекта в пасмурные дни придётся использовать недешёвое дополнительное оборудование, принудительно повышающее напряжение до минимально достаточного для зарядки аккумуляторов и работы инверторов).

Недостатки солнечных батарей

Конечно, и недостатков у солнечных батарей немало. Помимо зависимости от погоды и времени суток, можно отметить следующее.

Невысокий КПД. Тот же солнечный коллектор при правильном выборе формы и материала поверхности способен поглотить почти всё попавшее на него солнечное излучение практически во всём спектре частот, несущих заметную энергию, — от дальнего инфракрасного до ультрафиолетового диапазона. Солнечные батареи же преобразуют энергию избирательно — для рабочего возбуждения атомов требуются определённые энергии фотонов (частоты излучения), поэтому в одних полосах частот преобразование идёт очень эффективно, а другие частотные диапазоны для них бесполезны. Кроме того, энергия уловленных ими фотонов используется квантово — её «излишки», превышающие нужный уровень, идут на вредный в данном случае нагрев материала фотопреобразователя. Во многом именно этим и объясняется их невысокий КПД.
Кстати, неудачно выбрав материал защитного покрытия, можно заметно снизить эффективность работы батареи. Дело усугубляется тем, что обычное стекло довольно хорошо поглощает высокоэнергетическую ультрафиолетовую часть диапазона, а для некоторых типов фотоэлементов весьма актуален именно этот диапазон, — энергия инфракрасных фотонов для них слишком мала.

Чувствительность к высокой температуре. С повышением температуры эффективность работы солнечных батарей, как и почти всех других полупроводниковых приборов, снижается. При температурах выше 100..125°С они вообще могут временно потерять работоспособность, а ещё больший нагрев грозит их необратимым повреждением. К тому же повышенная температура ускоряет деградацию фотоэлементов. Поэтому необходимо принимать все меры для снижения нагрева, неизбежного под палящими прямыми солнечными лучами. Обычно производители ограничивают номинальный диапазон рабочих температур фотоэлементов до +70°..+90°С (имеется в виду нагрев самих элементов, а температура окружающего воздуха, естественно, должна быть гораздо ниже).
Дополнительно осложняет ситуацию то, что чувствительная поверхность довольно хрупких фотоэлементов часто закрывается защитным стеклом или прозрачным пластиком. Если между защитным покровом и поверхностью фотоэлемента останется воздушная прослойка, то образуется своеобразный «парник», усугубляющий перегрев. Правда, увеличив расстояние между защитным стеклом и поверхностью фотоэлемента и соединив сверху и снизу эту полость с атмосферой, можно организовать конвекционный поток воздуха, естественным образом охлаждающий фотоэлементы. Однако на ярком солнце и при высокой температуре наружного воздуха этого может оказаться недостаточно, к тому же такой метод способствует ускоренному запылению рабочей поверхности фотоэлементов. Поэтому солнечная батарея даже не очень больших размеров может потребовать специальной системы охлаждения. Справедливости ради надо сказать, что подобные системы обычно легко автоматизируются, а привод вентилятора или помпы потребляет лишь малую долю вырабатываемой энергии. При отсутствии яркого солнца большого нагрева нет и охлаждение вообще не требуется, так что энергия, сэкономленная на приводе системы охлаждения, может быть использована для других целей. Следует заметить, что в современных панелях заводского изготовления защитное покрытие обычно плотно прилегает к поверхности фотоэлементов и отводит тепло наружу, но в самодельных конструкциях механический контакт с защитным стеклом может привести к повреждению фотоэлемента.

Чувствительность к неравномерности засветки. Как правило, для получения на выходе батареи напряжения, более-менее удобного для использования (12, 24 и более вольт), фотоэлементы соединяются в последовательные цепочки. Ток в каждой такой цепочке, а следовательно, и её мощность, определяется самым слабым звеном — фотоэлементом с худшими характеристиками или с наименьшей освещённостью. Поэтому если хотя бы один элемент цепочки оказывается в тени, он существенно снижает выработку всей цепочки — потери несоразмерны затенению (более того, при отсутствии защитных диодов такой элемент начнёт рассеивать мощность, вырабатываемую остальными элементами!). Избежать непропорционального снижения выработки можно, лишь соединив все фотоэлементы параллельно, однако тогда на выходе батареи будет слишком большой ток при слишком малом напряжении — обычно для отдельных фотоэлементов оно составляет всего 0.5 .. 0.7 В в зависимости от их типа и величины нагрузки.

Чувствительность к загрязнениям. Даже малозаметный слой грязи на поверхности фотоэлементов или защитного стекла может поглотить существенную долю солнечного света и заметно снизить выработку энергии. В пыльном городе это потребует частой очистки поверхности солнечных батарей, особенно установленных горизонтально или с небольшим наклоном. Безусловно, такая же процедура необходима и после каждого снегопада, и после пыльной бури... Однако вдали от городов, промышленных зон, оживлённых дорог и других сильных источников пыли при угле наклона 45° и более дожди вполне способны смывать естественное запыление с поверхности панелей, «автоматически» поддерживая их в достаточно чистом состоянии. Да и снег на таком уклоне, к тому же обращённом на юг, даже в весьма морозные дни обычно долго не задерживается. Так что вдали от источников атмосферных загрязнений панели солнечных батарей могут годами успешно работать вообще без какого-либо обслуживания, было бы солнце в небе!

Наконец, последнее, но важнейшее из препятствий для широкого и повсеместного распространения фотоэлектрических солнечных батарей — их довольно высокая цена. Себестоимость элементов солнечной батареи в настоящее время составляет минимум 1$/Вт (1 кВт —1000$), и это для малоэффективных модификаций без учёта стоимости сборки и монтажа панелей, а также без учёта цены аккумуляторов, контроллеров зарядки и инверторов (преобразователей вырабатываемого низковольтного постоянного тока к бытовому или промышленному стандарту). В большинстве случаев для минимальной оценки реальных затрат эти цифры следует умножить в 3-5 раз при самостоятельной сборке из отдельных фотоэлементов и в 6-10 раз при покупке готовых комплектов оборудования (плюс стоимость монтажа).

Из всех элементов системы энергоснабжения на фотоэлектрических батареях самый короткий срок службы имеют аккумуляторы, однако производители современных необслуживаемых аккумуляторов утверждают, что в так называемом буферном режиме они проработают порядка 10 лет (или отработают традиционные 1000 циклов сильной зарядки-разрядки — если считать по одному циклу в сутки, то в таком режиме их хватит на 3 года). Отмечу, что стоимость аккумуляторов обычно составляет лишь 10-20% от общей стоимости всей системы, а стоимость инверторов и контроллеров заряда (и то, и другое — сложные электронные изделия, и потому существует некоторая вероятность их выхода из строя) — ещё меньше. Таким образом, принимая во внимание длительный срок службы и возможность работы в течении долгого времени без какого-либо обслуживания, фотопреобразователи за свою жизнь вполне могут окупиться не один раз, и не только в отдалённых районах, но и в обжитых местностях — если тарифы на электричество продолжат расти нынешними темпами!

Солнечные тепловые коллекторы

Название «солнечные коллекторы» закрепилось за устройствами, использующими непосредственный нагрев солнечным теплом, — как одиночными, так и наращиваемыми (модульными). Простейший образец теплового солнечного коллектора — чёрный водяной бак на крыше вышеупомянутого дачного душа (кстати, эффективность нагрева воды в летнем душе можно заметно повысить, соорудив вокруг бака мини-парничок хотя бы из полиэтиленовой плёнки; желательно, чтобы между плёнкой и стенками бака сверху и сбоку оставался зазор в 4-5 см).

Однако современные коллекторы мало похожи на такой бак. Обычно они представляют собой плоские конструкции из тонких зачернённых трубок, уложенных в виде решётки или змейкой. Трубки могут крепиться на зачернённом же теплопроводящем листе-подложке, который улавливает солнечное тепло, попадающее в промежутки между ними — это позволяет уменьшить общую длину трубок без потери эффективности. Для снижения теплопотерь и повышения нагрева коллектор сверху может быть закрыт листом стекла или прозрачного сотового поликарбоната, а с обратной стороны теплораспределяющего листа бесполезные потери тепла предотвращает слой теплоизоляции — получается своеобразная «теплица». По трубке движется нагреваемая вода или другой теплоноситель, который может собираться в накопительном термоизолированном баке. Движение теплоносителя происходит под действием насоса или самотёком за счёт разности плотностей теплоносителя до и после теплового коллектора. В последнем случае для более-менее эффективной циркуляции требуется тщательный выбор уклонов и сечений труб и размещение самого коллектора как можно ниже. Но обычно коллектор размещается в тех же местах, где и солнечная батарея — на солнечной стене или на солнечном склоне крыши, правда дополнительно где-то надо разместить и накопительный бак. Без такого бака при интенсивном разборе тепла (скажем, если надо наполнить ванну или принять душ) ёмкости коллектора может не хватить, и через небольшое время из крана потечёт чуть подогретая водичка.

Защитное стекло, конечно, несколько снижает эффективность коллектора, поглощая и отражая несколько процентов солнечной энергии, даже если лучи падают перпендикулярно. Когда же лучи попадают на стекло под небольшим углом к поверхности, коэффициент отражения может приближаться к 100%. Поэтому при отсутствии ветра и необходимости лишь небольшого нагрева относительно окружающего воздуха (на 5-10 градусов, скажем, для полива огорода) «открытые» конструкции могут быть более эффективны, чем «остеклённые». Но как только требуется разность температур в несколько десятков градусов или если поднимается даже не очень сильный ветер, теплопотери открытых конструкций стремительно возрастают, и защитное стекло при всех своих недостатках становится необходимостью.

Важное замечание — необходимо учитывать, что в жаркий солнечный день при отсутствии разбора вода может перегреться выше температуры кипения, поэтому в конструкции коллектора необходимо принять соответствующие меры предосторожности (предусмотреть предохранительный клапан). В открытых коллекторах без защитного стекла такого перегрева обычно можно не опасаться.

В последнее время начинают широко использоваться солнечные коллекторы на так называемых тепловых трубках (не путать с «тепловыми трубками», применяемыми для отвода тепла в системах охлаждения компьютеров!). В отличие от рассмотренной выше конструкции, здесь каждая нагреваемая металлическая трубка, по которой циркулирует теплоноситель, впаяна внутрь стеклянной трубки, а из промежутка между ними откачан воздух. Получается аналог термоса, где за счёт вакуумной теплоизоляции теплопотери уменьшаются в 20 раз и более. В результате, по утверждению производителей, при морозе в -35°С снаружи стекла, вода во внутренней металлической трубке со специальным покрытием, поглощающим максимально широкий спектр солнечного излучения, нагревается до +50..+70°С (перепад более 100°С).Эффективное поглощение в сочетании с отличной теплоизоляцией позволяют нагревать теплоноситель даже в пасмурную погоду, хотя мощность нагрева, конечно, в разы меньше, чем при ярком солнце. Ключевым моментом здесь является обеспечение сохранности вакуума в зазоре между трубками, то есть вакуумной герметичности стыка стекла и металла, в очень широком диапазоне температур, достигающем 150°С, в течение всего срока эксплуатации, составляющего многие годы. По этой причине при изготовлении таких коллекторов не обойтись без тщательного согласования коэффициентов температурного расширения стекла и металла и высокотехнологичных производственных процессов, а значит, в кустарных условиях вряд ли удастся сделать полноценную вакуумную тепловую трубку. Но более простые конструкции коллекторов без проблем изготавливаются самостоятельно, хотя, конечно, их эффективность несколько меньше, особенно зимой.

Помимо описанных выше жидкостных солнечных коллекторов, существуют и другие интересные типы конструкций: воздушные (теплоноситель — воздух, и замерзание ему не страшно), «солнечные пруды» и пр. К сожалению, большинство исследований и разработок по солнечным коллекторам посвящено именно жидкостным моделям, поэтому альтернативные виды серийно практически не производятся и сведений о них не так уж много.

Достоинства солнечных коллекторов

Важнейшее достоинство солнечных коллекторов — простота и относительная дешевизна изготовления их вполне эффективных вариантов, сочетающаяся с неприхотливостью в эксплуатации. Необходимый минимум для того, чтобы сделать коллектор своими руками — это несколько метров тонкой трубы (желательно медной тонкостенной — её можно согнуть с минимальным радиусом) и немного чёрной краски, хотя бы битумного лака. Сгибаем трубку змейкой, красим чёрной краской, размещаем в солнечном месте, подключаем к водяной магистрали, — и вот простейший солнечный коллектор уже готов! При этом змеевику легко можно придать почти любую конфигурацию и максимально использовать всё выделенное для коллектора место. Наиболее эффективным зачернением, которое можно нанести в кустарных условиях и которое к тому же очень устойчиво к высоким температурам и прямому солнечному свету, является тонкий слой сажи. Однако сажа легко стирается и смывается, потому для такого зачернения обязательно потребуется защитное стекло и специальные меры, чтобы предотвратить возможное попадание конденсата на покрытую сажей поверхность.

Другое важнейшее достоинство коллекторов заключается в том, что в отличии от солнечных батарей, они способны уловить и преобразовать в тепло до 90% попавшего на них солнечного излучения, а в самых удачных случаях — и более. Поэтому не только в ясную погоду, но и при лёгкой облачности КПД коллекторов превосходит КПД фотоэлектрических батарей. Наконец, в отличие от фотоэлектрических батарей, неравномерность засветки поверхности не вызывает непропорционального снижения эффективности коллектора — важен лишь общий (интегральный) поток излучения.

Недостатки солнечных коллекторов

Зато солнечные коллекторы более чувствительны к погоде, чем солнечные батареи. Даже на ярком солнце свежий ветер способен во много раз снизить эффективность нагрева открытого теплообменника. Защитное стекло, конечно, резко сокращает потери тепла от ветра, но в случае плотной облачности и оно бессильно. В пасмурную ветреную погоду толку от коллектора практически нет, а солнечная батарея хоть немного энергии, да вырабатывает.

Среди других недостатков солнечных коллекторов прежде всего выделю их сезонность. Достаточно коротких весенних или осенних ночных заморозков, чтобы образовавшийся в трубах нагревателя лёд создал опасность их разрыва. Конечно, это можно исключить, подогревая холодными ночами «тепличку» со змеевиком сторонним источником тепла, однако в таком случае общая энергетическая эффективность коллектора легко может стать отрицательной! Другой вариант — двухконтурный коллектор с антифризом во внешнем контуре — не потребует расхода энергии на подогрев, но будет намного сложнее одноконтурных вариантов с прямым нагревом воды как в изготовлении, так и при эксплуатации. Воздушные конструкции в принципе не могут замёрзнуть, но там есть другая проблема — низкая удельная теплоёмкость воздуха.

И всё же, пожалуй, главный недостаток солнечного коллектора заключается в том, что он является именно нагревательным прибором, причём хотя промышленно изготовленные образцы при отсутствии разбора тепла могут нагреть теплоноситель до 190..200°С, обычно достигаемая температура редко превышает 60..80°С. Поэтому использовать добытое тепло для получения существенных объёмов механической работы или электрической энергии весьма затруднительно. Ведь даже для работы самой низкотемпературной паро-водяной турбины (например той, которую в своё время описал В.А.Зысин) необходимо перегреть воду хотя бы до 110°С! А непосредственно в виде тепла энергия, как известно, долго не хранится, да и при температуре менее 100°С её обычно можно использовать лишь в горячем водоснабжении и отоплении дома. Впрочем, с учётом низкой стоимости и простоты изготовления это может быть вполне достаточной причиной для обзаведения собственным солнечным коллектором.

Справедливости ради нужно отметить, что «нормальный» рабочий цикл тепловой машины можно организовать и при температурах ниже 100°С — либо если температуру кипения понизить, снижая давление в испарительной части с помощью откачки оттуда пара, либо использовав жидкость, температура кипения которой лежит между температурой нагрева солнечного коллектора и температурой окружающего воздуха (оптимально — 50..60°С). Правда, я могу вспомнить лишь одну не экзотическую и относительно безопасную жидкость, более-менее удовлетворяющую этим условиям — это этиловый спирт, в нормальных условиях кипящий при 78°С. Очевидно, что в таком случае обязательно придётся организовывать замкнутый цикл, решая множество связанных с этим проблем. В некоторых ситуациях перспективным может быть применение двигателей с внешним нагревом (двигателей Стирлинга). Интересным в этом плане может быть и использование сплавов с эффектом памяти формы, о которых на этом сайте рассказано в статье И.В.Найгеля — им для работы достаточно температурного перепада всего в25-30°С.

Концентрация солнечной энергии

Повышение эффективности солнечного коллектора прежде всего заключается в устойчивом повышении температуры нагреваемой воды выше температуры кипения. Для этого обычно применяется концентрация солнечной энергии на коллекторе с помощью зеркал. Именно такой принцип лежит в основе большинства солнечных электростанций, различия заключаются лишь в количестве, конфигурации и размещении зеркал и коллектора, а также в методах управления зеркалами. В результате в точке фокусировки вполне возможно достижение температуры даже не в сотни, а в тысячи градусов, — при такой температуре уже может происходить прямое термическое разложение воды на водород и кислород (полученный водород можно сжигать ночью и в пасмурные дни)!

К сожалению, эффективная работа подобной установки невозможна без сложной системы управления зеркалами-концентраторами, которые должны отслеживать постоянно изменяющееся положение Солнца на небе. В противном случае уже через несколько минут точка фокусировки покинет коллектор, который в таких системах часто имеет весьма небольшие размеры, и нагрев рабочего тела прекратится. Даже использование зеркал-параболоидов решает проблему лишь частично — если их периодически не доворачивать вслед за Солнцем, то через несколько часов оно уже не будет попадать в их чашу или станет освещать лишь её край — толку от этого будет немного.

Самый простой способ концентрации солнечной энергии в «домашних» условиях — это горизонтально положить зеркало возле коллектора так, чтобы большую часть дня «солнечный зайчик» попадал на коллектор. Интересный вариант — использовать в качестве такого зеркала поверхность специально созданного возле дома водоёма, особенно если это будет не обычный водоём, а «солнечный пруд» (хотя сделать это непросто, а эффективность отражения будет гораздо меньше, чем у обычного зеркала). Хороший результат может дать создание системы вертикальных зеркал-концентраторов (эта затея обычно гораздо более хлопотная, но в некоторых случаях вполне оправданной может оказаться простая установка большого зеркала на соседней стене, если она образует с коллектором внутренний угол, — всё зависит от конфигурации и местоположения здания и коллектора).

Перенаправление солнечного излучения с помощью зеркал может повысить и выработку фотоэлектрической батареи. Но при этом возрастает её нагрев, а он может вывести батарею из строя. Поэтому в данном случае приходится ограничиваться относительно небольшим выигрышем (на несколько десятков процентов, но не в разы), и нужно тщательно контролировать температуру батареи, особенно в жаркие ясные дни! Именно из-за опасности перегрева некоторые производители фотоэлектрических батарей прямо запрещают эксплуатацию своих изделий при повышеной освещённости, созданной с помощью дополнительных отражателей.

Преобразование солнечной энергии в механическую

Традиционные типы солнечных установок не подразумевают непосредственного получения механической работы. К солнечной батарее на фотопреобразователях для этого надо подключить электродвигатель, а при использовании теплового солнечного коллектора перегретый пар (а для перегрева вряд ли удастся обойтись без зеркал-концентраторов) надо подать на вход паровой турбины или в цилиндры паровой машины. Коллекторы с относительно небольшим нагревом могут преобразовывать тепло в механическое движение более экзотическими способами, например с помощью актуаторов из сплавов с эффектом памяти формы .

Тем не менее, существуют и установки, предполагающее преобразование солнечного тепла в механическую работу, непосредственно заложенное в их конструкцию. Причём размеры и мощность их самые разные — это и проект огромной солнечной башни высотой в сотни метров, и скромный солнечный насос, которому самое место на дачном участке.

Источник информации: Осадчий Геннадий Борисович

Размещено 22.10.2012

Для определения основных и второстепенных факторов, влияющих на эффективность аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным прудом, базовым модулем ряда систем и установок энергетики возобновляемых источников энергии (ВИЭ) , обратимся к рисунку 1 - где приведено параллельное и последовательное продвижение теплоты Солнца к горячему рассолу солнечного соляного пруда. А также происходящие изменения значений различных видов солнечного излучения и их суммарного значения на этом пути.

Рисунок 1 – Гистограмма изменения интенсивности солнечного излучения (энергии) на пути к горячему рассолу солнечного соляного пруда.

Для оценки эффективности активного использования различных видов солнечного излучения определимся с тем, какие из природных, техногенных и эксплуатационных факторов оказывают позитивное, а какие негативное влияние на концентрацию (увеличение поступления) солнечного излучения в пруд и аккумулирование его горячим рассолом.

Земля и атмосфера получают от Солнца в год 1,3∙10 24 кал тепла. Оно измеряется интенсивностью, т.е. количеством лучистой энергии (в калориях), которое поступает от Солнца за единицу времени на площадь поверхности, перпендикулярную солнечным лучам.

Лучистая энергия Солнца доходит до Земли в виде прямой и рассеянной радиации, т.е. суммарной. Она поглощается земной поверхностью и превращается в тепло не полностью, часть её теряется в виде отраженной радиации.

Прямая и рассеянная (суммарная), отраженная и поглощенная радиация относятся к коротковолновой части спектра. Наряду с коротковолновой радиацией к земной поверхности поступает длинноволновое излучение атмосферы (встречное излучение), в свою очередь земная поверхность излучает длинноволновую радиацию (собственное излучение).

Прямое солнечное излучение относится к основному природному фактору поступления энергии к водной поверхности солнечного соляного пруда.

Солнечная радиация, поступающая на деятельную поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от диска Солнца, называется прямой солнечной радиацией.

Прямая солнечная радиация относится к коротковолновой части спектра (с длинами λ волн от 0,17 до 4 мкм, фактически земной поверхности достигают лучи с длиной волны от 0,29 мкм).

Солнечный спектр можно разделить на три основных области:

Ультрафиолетовое излучение (λ < 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.

Коротковолновая ультрафиолетовая области (λ < 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О2, О3, О, N2 и их ионами;

Ближний ультрафиолет диапазон (0,29 мкм < λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;

Видимое излучение (0,4 мкм < λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.

Видимое излучение чистая атмосфера пропускает практически полностью, и она становится «окном», открытым для прохода на Землю этого вида солнечной энергии. Наличие аэрозолей и загрязнений атмосферы могут быть причинами значительного поглощения излучения этого спектра.

Инфракрасное излучение (λ > 0,7 мкм) - 46 % интенсивности. Ближняя инфракрасная область (0,7 мкм <λ < 2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходится почти половина интенсивности солнечного излучения. Более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО2 (диоксидом углерода). Концентрация СО2 в атмосфере относительно постоянна и составляет 0,03 %, а концентрация паров воды меняется очень сильно - почти до 4 %.

При длинах волн более 2,5 мкм слабое внеземное излучение интенсивно поглощается СО2 и водой, так что только небольшая часть этого диапазона солнечной энергии достигает поверхности Земли.

Дальний инфракрасный диапазон (λ > 12 мкм) солнечного излучения практически не поступает на Землю .

С точки зрения применения солнечной энергии на Земле следует учитывать только излучение в интервале длин волн 0,29 – 2,5 мкм.

Большая часть солнечной энергии за пределами атмосферы приходится на диапазон длин волн 0,2 – 4 мкм, а на поверхности Земли - на диапазон 0,29 – 2,5 мкм .

Проследим, как перераспределяются, в общем виде, потоки энергии, которую дает Земле Солнце. Возьмем 100 условных единиц солнечной мощности (1,36 кВт/м 2), попадающей на Землю, и проследим за их путями в атмосфере. Один процент (13,6 Вт/м 2), короткий ультрафиолет солнечного спектра, поглощается молекулами в экзосфере и термосфере, разогревая их. Ещё три процента (40,8 Вт/м 2) ближнего ультрафиолета поглощаются озоном стратосферы.

Инфракрасный хвост солнечного спектра (4 % или 54,4 Вт/м 2) остается в верхних слоях тропосферы, содержащей пары воды (выше водяного пара практически нет).

Оставшиеся 92 доли солнечной энергии (1,25 кВт/м 2) приходятся на «окно прозрачности» атмосферы 0,29 мкм <λ < 2,5 мкм. Они проникают в плотные приземные слои воздуха. Значительная часть их (45 единиц или 612 Вт/м 2), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи - оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м 2) начального светового потока - достигают поверхности. Она отражает примерно 7 процентов (95,2 Вт/м 2) из этих 47 % (639,2 Вт/м 2) и этот свет по пути в космос отдает ещё 3 единицы (40,8 Вт/м 2) диффузному рассеянному свету неба. Сорок же долей энергии солнечных лучей, и ещё 8 от атмосферы (всего 48 или 652,8 Вт/м 2) поглощаются поверхностью Земли, нагревая сушу и океан.

Рассеянная в атмосфере световая мощность (всего 48 долей или 652,8 Вт/м 2) частично поглощается ею (10 долей или 136 Вт/м 2), а остальное распределяется между поверхностью Земли и космосом. В космическое пространство уходит больше, чем попадает на поверхность, 30 долей (408 Вт/м 2) наверх, 8 долей (108,8 Вт/м 2) вниз.

Это была описана общая, осредненная, картина перераспределения солнечной энергии в атмосфере Земли. Однако, она не позволяет решать частные задачи использования солнечной энергии для удовлетворения потребностей человека в конкретной зоне его проживания и трудовой деятельности и вот почему.

Атмосфера Земли лучше отражает косые солнечные лучи, поэтому часовая инсоляция на экваторе и в средних широтах намного больше чем в высоких.

Значениям высоты Солнца (возвышениям над горизонтом) 90, 30, 20, и 12 ⁰ (воздушная (оптическая) масса (m) атмосферы соответствует 1, 2, 3, и 5) при безоблачной атмосфере соответствует интенсивность около 900, 750, 600 и 400 Вт/м 2 (при 42 ⁰ - m = 1,5, а при 15 ⁰ - m = 4). В действительности полная энергия падающего излучения превышает указанные значения, поскольку она включает не только прямую составляющую, но и рассеянную при воздушных массах 1, 2, 3 и 5 величина рассеянной составляющей интенсивности излучения на горизонтальную поверхность при этих условиях соответственно равна 110, 90, 70 и 50 Вт/м 2 (с коэффициентом 0,3 – 0,7 для вертикальной плоскости, т. к. видна только половина неба). Кроме того, на участках небосклона близких к Солнцу, присутствует «околосолнечный ореол» в радиусе ≈ 5⁰.

В таблице 1 приведены данные по инсоляции для различных регионов Земли.

Таблица 1 – Инсоляция прямой составляющей по регионам для чистой атмосферы.

Из таблицы 1 видно, что дневное количество солнечного излучения максимально не на экваторе, а вблизи 40 ⁰. Подобный факт также является следствием наклона земной оси к плоскости её орбиты. В период летнего солнцестояния Солнце в тропиках почти весь день находится над головой и продолжительность светового дня - 13,5 часов, больше чем на экваторе в день равноденствия. С повышением географической широты продолжительность дня возрастает, и хотя интенсивность солнечного излучения при этом уменьшается, максимальное значение дневной инсоляции приходится на широту около 40 ⁰ и остается почти постоянным (для условий безоблачного неба) вплоть до полярного круга.

Следует подчеркнуть, что данные таблицы 1 справедливы лишь для чистой атмосферы. С учетом облачности и загрязнений атмосферы промышленными отходами, характерных для многих стран мира, приведенные в таблице величины следует уменьшать, по крайней мере, вдвое. Например, для Англии 70 г. XX века, до начала борьбы за охрану окружающей среды, годовое количество солнечной радиации составляло лишь 900 кВт∙ч/м 2 вместо 1700 кВт∙ч/м 2 .

Первые данные, о прозрачности атмосферы на Байкале были получены В.В. Буфалом в 1964г. Он показал, что значения прямой солнечной радиации над Байкалом в среднем на 13 % выше, чем в Иркутске. Средний спектральный коэффициент прозрачности атмосферы на Северном Байкале в летний период составляет для красного, зеленого и синего фильтров соответственно 0,949, 0,906, 0,883. В летний период атмосфера более неустойчива в оптическом отношении, чем зимой, и эта неустойчивость значительно меняется от дополуденных к послеполуденным часам. В зависимости от годового хода ослабления водяным паром и аэрозолями меняется и их вклад в общее ослабление солнечной радиации. В холодную часть года основную роль играют аэрозоли, в теплую - водяной пар. Байкальская котловина и озеро Байкал отличаются сравнительно высокой интегральной прозрачностью атмосферы. При оптической массе m = 2 средние значения коэффициента прозрачности колеблются от 0,73 (летом) до 0,83 (зимой) При этом межсуточные изменения интегральной прозрачности атмосферы велики, особенно в полуденные часы - от 0,67 до 0,77 .

Аэрозоли существенно снижают поступление в акваторию пруда прямого солнечного излучения, причем они поглощают в основном излучение видимого спектра , с той длиной волны, которая беспрепятственно проходит пресный слой пруда, и это для аккумулирования прудом солнечной энергии имеет большое значения. (Слой воды толщиной 1 см практически непрозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны более 1 мкм). Поэтому вода толщиной в несколько сантиметров используется как теплозащитный фильтр. Для стекла длинноволновая граница пропускания инфракрасного излучения составляет - 2,7 мкм.

Большое количество частиц пыли, беспрепятственно переносимое по степи также снижает прозрачность атмосферы.

Электромагнитное излучение испускают все нагретые тела, причем, чем холоднее тело, тем меньше интенсивность излучения и тем дальше в длинноволновую область смещен максимум его спектра. Существует очень простое соотношение λ max X T = c 1 [ c 1 = 0,2898 см∙град. (закон Вина)], с помощью которого легко установить, где находится максимум излучения тела с температурой T (⁰К). Например, человеческое тело, имеющее температуру 37 + 273 = 310 ⁰К, испускает инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения λ max = 9,3 мкм . А стенки, например, гелиосушилки, с температурой 90 ⁰С будут испускать инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения λ = 8 мкм.

Видимое солнечное излучение (0,4 мкм < λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.

В свое время большим прогрессом явился переход от электрической лампы накаливания с угольной нитью к современной лампе с вольфрамовой нитью. Все дело в том, что угольную нить можно довести до температуры 2100 ⁰К, а вольфрамовую - до 2500 ⁰К. Почему эти 400 ⁰К так важны? Все дело в том, что цель лампы накаливания - не греть, а давать свет. Следовательно, надо добиться такого положения, чтобы максимум кривой приходился на видимое изучение. Идеалом было бы располагать такой нитью, которая выдерживала бы температуру поверхности Солнца. Но даже переход с 2100 до 2500 ⁰К повышает долю энергии, приходящейся на видимое излучение, от 0,5 до 1,6 % .

Инфракрасные лучи, исходящие от тела, нагретого всего до 60 – 70 ⁰С, каждый может почувствовать, поднося ладонь снизу (для устранения тепловой конвекции).

Приход прямого солнечного излучения в акваторию пруда соответствует его приходу на горизонтальную поверхность облучения. При этом, изложенное выше показывает, неопределенность количественной характеристики прихода в конкретный момент времени, как сезонного, так и суточного. Постоянной характеристикой является только высота Солнца (оптическая масса атмосферы).

Аккумулирование же солнечного излучения земной поверхностью и прудом существенно различаются.

Естественные поверхности Земли обладают различной отражательной (поглощательной) способностью. Так, темные поверхности (чернозем, болота торфяные) имеют низкое значение альбедо около 10 %. (Альбедо поверхности - это отношение потока излучения, отраженного этой поверхностью в окружающее пространство, к потоку, упавшему на неё).

Светлые поверхности (белый песок) обладают большим альбедо, 35 – 40 %. Альбедо поверхностей с травяным покровом колеблются в пределах 15 – 25 %.

Альбедо крон лиственного леса летом равно 14 – 17 %, хвойного леса - 12 – 15 %. Альбедо поверхности уменьшается с увеличением высоты Солнца.

Альбедо же водных поверхностей заключается в пределах 3 – 45 %, в зависимости от высоты Солнца и степени волнения.

При спокойной водной поверхности альбедо зависит только от высоты Солнца (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента отражения солнечного излучения для спокойной водной поверхности от высоты Солнца.

Вступление солнечного излучения и прохождение его через слой воды имеет свои особенности.

В общем виде оптические свойства воды (её растворов) в видимой области солнечного излучения представлены на рисунке 3.

Ф о - поток (мощность) падающего излучения;

Ф отр - поток отраженного водной поверхностью излучения;

Ф погл - поток поглощенного водной массой излучения;

Ф пр - поток прошедшего водную массу излучения.

Коэффициент отражения тела p = Ф отр /Ф о;

Коэффициент поглощения а = Ф пол /Ф о;

Коэффициент пропускания ч = Ф пр /Ф о;

Рисунок 3 – Оптические свойства воды (её растворов) в видимой области солнечного излучения

На плоской границе двух сред воздух - вода наблюдаются явления отражения и преломления света.

При отражении света луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости, и угол отражения равен углу падения. В случае преломления падающий луч, перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, и преломленный луч лежат в одной плоскости. Угол падения a и угол преломления B (рисунок 4) связаны sin a / sin B = n 2 , где n 2 - абсолютный показатель преломления второй среды, n 1 - первой. Поскольку для воздуха n=1 , то формула примет вид sin a / sin B = n 2 .

Рисунок 4 – Преломление лучей при переходе из воздуха в воду

Когда лучи идут из воздуха в воду, то они приближаются к «перпендикуляру падения»; например, луч, падающий на воду под углом к перпендикуляру к поверхности воды, вступает в неё уже под углом, который меньше, чем (рис 4,а). Но когда падающий луч, скользя по поверхности воды, падает на водную поверхность почти под прямым углом к перпендикуляру, например, под углом 89 ⁰ и менее, то он вступает в воду под углом, меньшем чем прямой, а именно под углом всего 48,5 ⁰. Под большим углом к перпендикуляру, чем 48,5 ⁰, луч вступить в воду не может: это для воды «предельный» угол (рисунок 4,б).

Следовательно, лучи, падающие на воду под всевозможными углами, сжимаются под водой в довольно тесный конус с углом раствора 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (рис 4,в).

Кроме того преломление воды зависит от её температуры (таблица 2), однако изменения эти столь не значительны что не могут представлять интереса для инженерной практики, по рассматриваемой теме.

Таблица 2 – Показатель преломления воды при различной температуре t

Проследим теперь за ходом лучей, идущих обратно (из точки Р) - из воды в воздух (рисунок 5). По законам оптики, пути будут те же самые, и все лучи, заключенные в упомянутом 97-градусном конусе, выйдут в воздух под различными углами, распределяясь по всему 180 - градусному пространству над водой.

Подводные лучи, находящиеся вне упомянутого угла (97-градусного) не выйдут из-под воды, а отразятся целиком от её поверхности, как от зеркала.

Если n 2 < n 2 (вторая среда оптически менее плотная), то a < B . Наибольшему значению B = 90 ⁰ соответствует угол падения, определяемый равенством sin a o = n 2 /n 1 . При угле падения a > a o существует только отраженный луч, преломленный луч отсутствует (явление полного внутреннего отражения).

Всякий подводный луч, встречающий поверхность воды под углом, большим «предельного» (т.е. большим 48,5 ⁰), не преломляется, а отражается: он претерпевает «полное внутреннее отражение». Отражение называется в данном случае полным потому, что здесь отражаются все падающие лучи, между тем как даже самое лучшее зеркало из полированного серебра отражает только часть падающих на него лучей, остальную же поглощает. Вода при указанных условиях является идеальным зеркалом. В данном случае речь идет о видимом свете. Вообще говоря, показатель преломления воды, как и других веществ, зависит от длины волны (это явление называется дисперсией). Как следствие этого предельный угол, при котором наступает полное внутреннее отражение, не один и тот же для разных длин волн, но для видимого света при отражении на границе вода - воздух этот угол изменяется меньше чем на 1⁰ .
Благодаря тому, что под большим углом к перпендикуляру, чем 48,5⁰, солнечный луч вступить в воду не может: это для воды «предельный» угол (рисунок 4,б), то водная масса, во всем диапазоне значений высоты Солнца изменяется не столь незначительно, чем воздушная - она всегда меньше

Однако, поскольку, плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, то поглощение солнечного излучения водой будет меняться существенно.

Кроме того, если световое излучение проходит сквозь прозрачную среду, то спектр такого света обладает некоторыми особенностями. Определенные линии в нем сильно ослаблены, т. е. волны соответствующей длины сильно поглощаются рассматриваемой средой. Такие спектры называются спектрами поглощения.

Вид спектра поглощения зависит от рассматриваемого вещества.

Поскольку раствор солей солнечного соляного пруда может содержать различные концентрации хлористых натрия и магния и их отношения, то однозначно говорить о спектрах поглощения нет смысла. Хотя исследований и данных по этому вопросу предостаточно.

Так, например, исследованиями, проведенными в СССР (Ю. Усмановым) по выявлению коэффициента пропускания излучения различных длин волн для воды и раствора хлористого магния различной концентрации получены следующие результаты (рисунок 6). А Б. Дж. Бринквортом показана графическая зависимость поглощения солнечной радиации и монохроматическая плотность потока солнечной радиации (излучения) в зависимости от длин волн (рисунок 7).

Следовательно, количественное поступление прямого солнечного излучения к горячему рассолу пруда, после вступления в воду, будет зависеть: от монохроматической плотности потока солнечной радиации (излучения); от высоты Солнца. А также от альбедо поверхности пруда, от чистоты верхнего слоя солнечного соляного пруда, состоящего из пресной воды, с толщиной обычно 0,1 – 0,3 м, где подавить перемешивание не удается, состава, концентрации и толщины раствора в градиентном слое (изолирующем слое с увеличивающейся книзу концентрацией рассола), от чистоты воды и рассола.

Из рисунков 6 и 7 следует, что вода обладает наибольшей пропускной способностью в видимой области солнечного спектра. Это является очень благоприятным фактором для прохождения солнечной радиации через верхний пресный слой солнечного соляного пруда.

Рисунок 6. Зависимость пропускной способности раствора хлористого магния от концентрации. Рисунок 7. Поглощение солнечной радиации в воде.

Список Литературы:

1. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.;

2. Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии / Дж. Твайделл, А. Уэйр. М.: Энергоатомиздат, 1990. 392 с.;

3. Даффи Дж. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / Дж. А. Даффи, У. А. Бекман. М.: Мир, 1977. 420 с.;

4. Климатические ресурсы Байкала и его бассейна /Н. П. Ладейщиков, Новосибирск, Наука, 1976, 318с.;

5. Пикин С. А. Жидкие кристаллы/ С. А. Пикин, Л. М. Блинов. М.: Наука, 1982. 208 с.;

6. Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра/ А. И. Китайгородский. М.: Наука, 1984. 208 с.;

7. Кухлинг Х. Справочник по физике. / Х. Кухлинг. М.: Мир, 1982. 520 с.;

8. Енохович А. С. Справочник по физике и технике/ А. С. Енохович. М.: Просвещение, 1989. 223 с.;

9 . Перельман Я. И. Занимательная физика. Книга 2 / Я. И. Перельман. М.: Наука, 1986. 272 с.

Обсудить на форуме