Расчет плоского солнечного коллектора
Практика показывает, что на квадратный метр поверхности, установленной перпендикулярно ярким солнечным лучам, приходится в среднем 900 Вт тепловой энергии (при безоблачном небе). Расчет СК будем производить на основе модели площадью 1 м². Лицевая сторона – матовая, черная (обладает близким к 100% поглощением тепловой энергии). Тыльная сторона утеплена 10 см слоем пенополистирола. Требуется рассчитать теплопотери, которые происходят на обратной, теневой стороне. Коэффициент теплоизоляции пенополистирола – 0,05 Вт/м × град. Зная толщину и предположив, что разница температур на противоположных сторонах материала – в пределах 50 градусов, высчитаем теплопотери:
0,05/0,1 × 50 = 25 Вт.
Такие же приблизительно потери ожидаются со стороны торцов и труб, то есть суммарное количество составит 50 Вт. Безоблачным небо бывает редко, кроме того следует учитывать влияние налета грязи на коллекторе. Поэтому снизим количество тепловой энергии, приходящейся на 1 м², до 800 Вт. Вода, используемая в качестве теплоносителя в плоских СК, обладает теплоемкостью, равной 4200 Дж/кг × град или 1,16 Вт/ кг × град. Это означает, что для того, чтобы повысить температуру одного литра воды на один градус, потребуется затратить 1,16 Вт энергии. Учитывая эти расчеты, получаем следующую величину для нашей модели солнечного коллектора 1 м² площади:
Округляем для удобства до 700 /кг × град. Это выражение обозначает количество воды, которое можно нагреть в коллекторе (модель площадью 1 м²) в течение часа. При этом не учитываются потери тепла с лицевой стороны, которые будут возрастать по мере разогрева. Эти потери будут ограничивать разогрев теплоносителя в солнечном коллекторе в пределах 70-90 градусов. В связи с этим, величина 700 может быть применена к низким температурам (от10 до 60 градусов). Расчет солнечного коллектора показывает, что система площадью 1 м² способна нагреть 10 литров воды на 70 градусов, что вполне достаточно для обеспечения дома горячей водой. Можно уменьшить время нагревания воды за счет уменьшения объема солнечного коллектора при сохранении его площади. Если же количество проживающих в доме требует большего объема воды – следует применить несколько коллекторов такой площади, которые соединяют в одну систему. Для того, чтобы солнечный свет воздействовал на радиатор максимально эффективно, коллектор необходимо ориентировать под углом к линии горизонта, равным широте местности. Об этом уже говорилось в статье Как рассчитать мощность солнечных батарей, действует тот же самый принцип. В среднем, для обеспечения жизнедеятельности одного человека необходимо 50 л горячей воды. Учитывая, что вода до подогрева имеет температуру около 10 °С, разница температур составляет 70 – 10 = 60 °С. Количество тепла для подогрева воды необходимо следующее:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50× 60 = 3,48 кВт энергии.
Разделив W на количество солнечной энергии, приходящейся на 1 м² поверхности в данной местности (данные гидрометцентров), получим площадь коллектора. Расчет солнечного коллектора для отопления производится аналогично. Но объем воды (теплоносителя) необходим больший, что зависит от объема обогреваемого помещения. Можно сделать вывод, что улучшения эффективности водонагревательной системы такого типа возможно достичь методом уменьшения объема и одновременном увеличении площади.
Технологии с использованием льда
Разрабатывается ряд технологий, где лед производится во внепиковые периоды и позднее используется для охлаждения. К примеру, кондиционирование воздуха может быть экономичнее за счет использования дешевого электричества ночью для заморозки воды и последующего использования холодильной мощности льда днем для уменьшения количества энергии, требуемой для поддержания кондиционирования воздуха. Аккумулирование тепловой энергии с применением льда использует высокую теплоту плавления воды. Исторически лед перевозили с гор в города, чтобы использовать его, как охладитель. Одна метрическая (= 1 м3) тонна воды может хранить 334 миллиона джоулей (Дж) или 317 000 Британских термических единиц (93 кВт*ч). Относительно небольшой накопитель может хранить достаточно льда, чтобы охлаждать крупное здание целый день или неделю.
Помимо применения льда для прямого охлаждения, он также используется в тепловых насосах, на которых работают системы отопления. В этих сферах изменения энергии фазы обеспечивают очень серьезный теплопроводный слой, близкий к нижнему порогу температур, при котором может работать тепловой насос, использующий теплоту воды. Это позволяет системе переносить серьезнейшие отопительные нагрузки и увеличивать промежуток времени, в течение которого элементы источников энергии могут возвращать тепло в систему.
Эндотермические и экзотермические химические реакции
Технология на основе гидратов солей
Примером экспериментальной технологии накопления энергии на основе энергии химических реакций является технология на основе гидратов солей. Система использует энергию реакции, создаваемой в случае гидратации или дегидратации солей. Это работает благодаря хранению тепла в резервуаре, содержащем 50 %-ный раствор гидроксида натрия. Тепло (к примеру, получаемое с солнечного коллектора) хранится за счет испарения воды в ходе эндотермической реакции. Когда воду добавляют вновь, в ходе экзотермической реакции при 50C (120F) высвобождается тепло. На данный момент системы работают с КПД в 60 %. Система особенно эффективна для сезонного накопления тепловой энергии, так как высушенная соль может храниться при комнатной температуре длительное время без потерь энергии. Контейнеры с обезвоженной солью даже могут перевозиться в различные места. Система обладает большей плотностью энергии, чем тепло, накопленное в воде, а ее мощность позволяет хранить энергию в течение нескольких месяцев или даже лет.
В 2013 году голландский разработчик технологий «TNO» представил результаты проекта «MERITS» по хранению тепла в контейнере с солью. Тепло, которое может доставляться с солнечного коллектора на плоскую крышу, выпаривает воду, содержащуюся в соли. Когда воду добавляют снова, тепло высвобождается практически без потерь энергии. Контейнер с несколькими кубометрами соли может хранить достаточно термохимической энергии, чтобы обогревать дом всю зиму. При температурном режиме, как в Нидерландах, среднее теплоустойчивое хозяйство потребует за зиму примерно 6,7 ГДж энергии. Чтобы сохранить столько энергии в воде (при разнице температур в 70C), потребовалось бы 23 м3 воды в изолированном резервуаре, что превышает возможности хранения большинства домов. С использованием технологии на основе гидрата солей с плотностью энергии около 1 ГДж/м3, достаточно было бы 4-8 м3.
По состоянию на 2016 год, исследователи из нескольких стран проводят эксперименты по определению наилучшего типа соли или смеси солей. Низкое давление внутри контейнера кажется наилучшим для передачи энергии. Особенно перспективными являются органические соли, так называемые «ионные жидкости». По сравнению с сорбентами на основе галида лития они вызывают гораздо меньше проблем в условиях ограниченных природных ресурсов, а в сравнении с большинством галидов и гидроксидом натрия – менее едки и не дают негативного воздействия через выбросы углекислого газа.
Молекулярные химические связи
На данный момент исследуется возможность хранения энергии в молекулярных химических связях. Уже достигнута плотность энергии, эквивалентная ионно-литиевым батареям.
Распределение радиации на границе атмосферы
Для климатологии представляет существенный интерес вопрос о распределении притока и отдачи радиации по Земному шару. Рассмотрим сначала распределение солнечной радиации на горизонтальную поверхность «на границе атмосферы». Можно было бы также сказать: «в отсутствии атмосферы». Этим мы допускаем, что нет ни поглощения, ни рассеяния радиации, ни отражения ее облаками. Распределение солнечной радиации на границе атмосферы является простейшим. Оно действительно существует на высоте нескольких десятков километров. Указанное распределение называют солярным климатом.
Известно, как меняется в течение года солнечная постоянная и, стало быть, количество радиации, приходящее к Земле. Если определять солнечную постоянную для фактического расстояния Земли от Солнца, то при среднем годовом значении 1,98 кал/см2 мин. она будет равна 2,05 кал/см2 мин. в январе и 1,91 кал/см2 мин. в июле.
Стало быть, северное полушарие за летний день получает на границе атмосферы несколько меньше радиации, чем южное полушарие за свой летний день.
Количество радиации, получаемое за сутки на границе атмосферы, зависит от времени года и широты места. Под каждой широтой время года определяет продолжительность притока радиации. Но под разными широтами продолжительность дневной части суток в одно и то же время разная.
На полюсе солнце летом не заходит вовсе, а зимой не восходит в течение 6 месяцев. Между полюсом и полярным кругом солнце летом не заходит, а зимой не восходит в течение периода от полугода до одних суток. На экваторе дневная часть суток всегда продолжается 12 часов. От полярного круга до экватора дневное время суток летом убывает и зимой возрастает.
Но приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит не только от продолжительности дня, а еще и от высоты солнца. Количество радиации, приходящее на границе атмосферы на единицу горизонтальной поверхности, пропорционально синусу высоты солнца. А высота солнца не только меняется в каждом месте в течение дня, но зависит и от времени года. Высота солнца на экваторе меняется в течение года от 90 до 66,5°, на тропиках — от 90 до 43°, на полярных кругах — от 47 до 0° и на полюсах от 23,5 до 0°.
Шарообразность Земли и наклон плоскости экватора к плоскости эклиптики создают сложное распределение притока радиации по широтам на границе атмосферы и его изменения в течение года.
Зимой приток радиации очень быстро убывает от экватора к полюсу, летом — гораздо медленнее. При этом максимум летом наблюдается на тропике, а от тропика к экватору приток радиации несколько убывает. Малая разница в притоке радиации между тропическими и полярными широтами летом объясняется тем, что хотя высоты солнца в полярных широтах летом ниже, чем в тропиках, но зато велика продолжительность дня. В день летнего солнцестояния полюс поэтому получал бы в отсутствии атмосферы больше радиации, чем экватор. Однако у земной поверхности в результате ослабления радиации атмосферой, отражения ее облачностью и т.д., летний приток радиации в полярных широтах существенно меньше, чем в более низких широтах.
На верхней границе атмосферы вне тропиков имеется в годовом ходе один максимум радиации, приходящийся на время летнего солнцестояния, и один минимум, приходящийся на время зимнего солнцестояния. Но между тропиками приток радиации имеет два максимума в году, приходящиеся на те сроки, когда солнце достигает наибольшей полуденной высоты. На экваторе это будет в дни равноденствий, в других внутритропических широтах — после весеннего и перед осенним равноденствием, отодвигаясь тем больше от сроков равноденствий, чем больше широта. Амплитуда годового хода на экваторе мала, внутри тропиков невелика; в умеренных и высоких широтах она значительно больше.
Распределение тепла и света на Земле
Солнце — звезда Солнечной системы, которая является для планеты Земля источником громадного количества тепла и ослепительного света. Несмотря на то, что Солнце находится от нас на значительном расстоянии и до нас доходит лишь небольшая часть его излучения, этого вполне достаточно для развития жизни на Земле. Наша планета вращается вокруг Солнца по орбите. Если с космического корабля наблюдать Землю в течение года, то можно заметить, что Солнце всегда освещает только какую-либо одну половину Земли, следовательно, там будет день, а на противоположной половине в это время будет ночь. Земная поверхность получает тепло только днем.
Наша Земля нагревается неравномерно. Неравномерный нагрев Земли объясняется ее шарообразной формой, поэтому угол падения солнечного луча в разных районах различен, а значит, различные участки Земли получают различное количество тепла. На экваторе солнечные лучи падают отвесно, и они сильно нагревают Землю. Чем дальше от экватора, тем угол падения луча становится меньше, а следовательно, и меньшее количества тепла получают эти территории. Один и тот же по мощности пучок солнечного излучения обогревает у экватора гораздо меньшую площадь, так как он падает отвесно. Кроме того, лучи, падающие под меньшим углом, чем на экваторе,пронизывая атмосферу, проходят в ней больший путь, вследствие чего часть солнечных лучей рассеивается в тропосфере и не доходит до земной поверхности. Все это свидетельствует о том, что при удалении от экватора к северу или к югу уменьшается температура воздуха, так как уменьшается угол падения солнечного луча.
На степень нагрева земной поверхности влияет также и то, что земная ось наклонена к плоскости орбиты, по которой Земля совершает полный оборот вокруг Солнца, под углом 66,5° и все время направлена северным концом в сторону Полярной звезды.
Представим себе, что Земля, двигаясь вокруг Солнца, имеет земную ось, перпендикулярную плоскости орбиты вращения. Тогда бы поверхность на разных широтах получала бы неизменное в течение года количество тепла, угол падения солнечного луча был все время постоянным, всегда день был бы равен ночи, не происходило бы смены времен года. На экваторе эти условия мало отличались бы от нынешних. Существенное влияние на нагрев земной поверхности, а значит, и на весь климат наклон земной оси имеет именно в умеренных широтах.
В течение года, то есть за время полного оборота Земли вокруг Солнца, особо примечательны четыре дня: 21 марта, 23 сентября, 22 июня, 22 декабря.
Тропики и полярные круги разделяют поверхность Земли на пояса, которые различаются между собой солнечной освещенностью и количеством тепла, получаемого от Солнца. Выделяют 5 поясов освещенности: северный и южный полярные, которые получают мало света и тепла, тропический пояс с жарким климатом и северный и южный умеренные пояса, которые получают света и тепла больше, чем полярные, но меньше, чем тропические.
Итак, в заключение можно сделать общий вывод: неравномерный нагрев и освещение земной поверхности связаны с шарообразностью нашей Земли и с наклоном земной оси до 66,5° к орбите вращения вокруг Солнца.
Накопление тепла в горячей породе, бетоне, гальке и т.д.
Вода обладает одной из самых высоких теплоемкостей – 4,2 Дж/см3*К, тогда как бетон обладает лишь одной третью от этого значения. С другой стороны, бетон может нагреваться до гораздо более высоких температур – 1200C за счет, например, электронагрева и, таким образом, обладает гораздо большей общей емкостью. Следуя из примера далее, изолированный куб примерно 2,8 м в поперечнике может оказаться способным обеспечивать достаточный объем хранимого тепла для одного дома, чтобы удовлетворить 50 % потребности в отоплении. В принципе, это может быть использовано для хранения избыточной ветряной или фотоэлектрической тепловой энергии благодаря способности электронагрева к достижению высоких температур
На уровне округов международное внимание привлек проект «Виггенхаузен-Зюд» в немецком городе Фридрисхафене. Это – железобетонный теплоаккумулятор объемом в 12 000 м3 (420 000 куб.фт.), соединенный с комплексом солнечных коллекторов площадью 4 300 м2 (46 000 квадр
фт), наполовину обеспечивающих потребность в горячей воде и отоплении у 570 домов. Компания «Siemens» строит под Гамбургом хранилище тепла емкостью 36 МВТ*ч, состоящее из базальта, разогретого до 600C, и выработкой энергии в 1,5 МВт. Схожая система планируется для постройки в датском городе Сорё, где 41-58 % накопленного тепла емкостью в 18 МВт*ч будет передаваться для центрального теплоснабжения города, а 30-41 % — как электричество.
Как произвести расчет окупаемости солнечного отопления
Используя таблицу ниже, можно рассчитать насколько сократятся ваши расходы на отопление при использовании солнечных коллекторов, за какое время эта система может окупиться и какую выгоду можно получить за различные сроки эксплуатации. Данная модель разработана для Приморского края, но может также использоваться для оценки использования солнечного отопления в Хабаровском крае, Амурской области, Сахалина, Камчатки и южной части Сибири. В этом случае солнечные коллекторы будут иметь меньший эффект в декабре-январе в более высоких широтах, но общие выгоды будут не меньшими, учитывая более длительный отопительный сезон.
В первой таблице введите параметры вашего дома, системы отопления и цены на энергоносители. Все поля, что помечены зеленым можно изменять и моделировать существующий или планируемый дом.
Сначала введите в первой графе отапливаемую площадь вашего дома.
Затем оцените качество теплоизоляции здания и способ отопления, выбрав соответствующие значения.
Укажите число членов семьи и расход горячей воды — это поможет оценить выгоды от горячего водоснабжения солнечных коллекторов.
Введите цены на ваш обычный источник энергии для отопления — электроэнергию, дизельное топливо или уголь.
Введите значение обычного заработка члена семьи, который в вашем хозяйстве занимается отоплением. Это помогает оценить трудозатраты за отопительный сезон и играет особенно большую роль для твердотопливных систем, где требуется привозить и разгружать уголь, забрасывать в топку, выбрасывать золу и т. п.
Цена системы солнечных коллекторов будет определена автоматически, исходя из заданных вами параметров здания. Эта цена является приблизительной — реальные затраты на установку и параметры оборудования солнечного отопления могут отличаться и рассчитываются специалистами индивидуально в каждом случае.
В графе «Расходы на установку» можно ввести стоимость оборудования и установки традиционной системы отопления — существующей или планируемой
Если система уже установлена, то можно ввести «0».
Обратите внимание на количество расходов за отопительный сезон и сравните с вашими обычными расходами. Если они различаются, то попробуйте изменить параметры.
В графе «Расходы на отопление за сезон» системы отопления на угле принимают в расчет денежное выражение затрат труда. Если вы не хотите их принимать в расчет, то можете уменьшить значение заработка члена семьи, занятого отоплением. Трудозатраты в меньшей степени учитываются для жидкотопливных систем и не учитываются для систем электрокотлов. Регулировка работы солнечных коллекторов осуществляется автоматически и не требует постоянного внимания.
В графе «Срок эксплуатации» по умолчанию стоит 20 лет — это обычный срок работы систем солнечного отопления с солнечными коллекторами. В зависимости от условий эксплуатации солнечные коллекторы могут служить и дольше этого срока. Вы можете изменять срок эксплуатации и в графе ниже будет отражаться разница между затратами на установку и содержание и выгодой от использования солнечных коллекторов для отопления. Таким образом вы увидите насколько сократятся расходы на отопление и за какой срок эта разница позволит окупить затраты на установку солнечных коллекторов.
Итоговые результаты являются приблизительными, но дают хорошее представление о том сколько может стоить система солнечного отопления и за какое время она может окупить себя
Обратите внимание, что расходы за отопительный сезон можно значительно сократить, используя солнечные коллекторы, систему «теплых полов» и улучшая теплоизоляцию здания. Также расходы на отопление можно уменьшить, если заранее проектировать здание для использования солнечного отопления и применяя технологии экодома
svetdv.ru
Что такое солнечное тепло
С глубокой древности люди прекрасно понимали роль Солнца в своей жизни. Практически у всех народов оно выступало в качестве главного или одного из главных божеств, дарящего жизнь и свет всему живому. Сегодня человечество намного лучше представляет, откуда берётся солнечное тепло.
С точки зрения науки наше Солнце – это жёлтая звезда, которая является светилом для всей нашей планетной системы. Свою энергию оно черпает в ядре – центральной части огромного раскалённого шара, где протекают невообразимые по мощи реакции термоядерного синтеза при температуре, измеряемой миллионами градусов. Радиус ядра составляет не больше четвёртой части общего радиуса Солнца, но именно в ядре вырабатывается лучистая энергия, малой доли которой оказывается достаточно, чтобы поддерживать жизнь на нашей планете.
Выделенная энергия поступает в наружные слои Солнца через конвективную зону и достигает фотосферы – излучающей поверхности звезды. Температура фотосферы приближается к 6 тысячам градусов, именно она преобразует и испускает в пространство лучистую энергию, которую получает наша планета. Фактически мы живём за счёт постепенного, медленного пережигания звёздной плазмы, из которой состоит Солнце.
Спектральный состав солнечной радиации
На интервал длин волн между 0,1 и 4 мк приходится 99% всей энергии солнечной радиации. Всего 1% остается на радиацию с меньшими и большими длинами волн, вплоть до рентгеновых лучей и радиоволн.
Видимый свет занимает узкий интервал длин волн, всего от 0,40 до 0,75 мк. Однако в этом интервале заключается почти половина всей солнечной лучистой энергии (46%). Почти столько же (47%) приходится на инфракрасные лучи, а остальные 7% — на ультрафиолетовые.
В метеорологии принято выделять коротковолновую и длинноволновую радиацию. Коротковолновой называют радиацию в диапазоне длин волн от 0,1 до 4 мк. Она включает, кроме видимого света, еще ближайшую к нему по длинам волн ультрафиолетовую и инфракрасную радиацию. Солнечная радиация на 99% является такой коротковолновой радиацией. К длинноволновой радиации относят радиацию земной поверхности и атмосферы с длинами волн от 4 до 100-120 мк.
Интенсивность прямой солнечной радиации
Радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от солнечного диска, называют прямой солнечной радиацией, в отличие от радиации, рассеянной в атмосфере. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на любую поверхность на Земле в виде пучка параллельных лучей, исходящего как бы из бесконечности. Даже Земной шар в целом так мал в сравнении с расстоянием от Солнца, что всю солнечную радиацию, падающую на него, без заметной погрешности можно считать пучком параллельных лучей.
Приток прямой солнечной радиации на земную поверхность или на любой вышележащий уровень в атмосфере характеризуется интенсивностью радиации I, т. е. количеством лучистой энергии, поступающим за единицу времени (одну минуту) на единицу площади (один квадратный сантиметр), перпендикулярной к солнечным лучам.
Рис. 1. Приток солнечной радиации на поверхность, перпендикулярную к лучам (АВ), и на горизонтальную поверхность (АС).
Легко понять, что единица площади, расположенной перпендикулярно к солнечным лучам, получит максимально возможное в данных условиях количество радиации. На единицу горизонтальной площади придется меньшее количество лучистой энергии:
I’ = I sinh
где h — высота солнца (рис. 1).
Все виды энергии взаимно эквивалентны. Поэтому лучистую энергию можно выразить в единицах любого вида энергии, например в тепловых или механических. Естественно выражать ее в тепловых единицах, потому что измерительные приборы основаны на тепловом действии радиации: лучистая энергия, почти полностью поглощаемая в приборе, переходит в тепло, которое и измеряется. Таким образом, интенсивность прямой солнечной радиации будет выражаться в калориях на квадратный сантиметр в минуту (кал/см2мин).
Производство электроэнергии
Солнечная энергетика работает за счет преобразования солнечного света в электроэнергию. Это может происходить или непосредственно, с использованием фотовольтаики, или косвенно, с использованием систем концентрированной солнечной энергии (англ.), в которых линзы и зеркала собирают солнечный свет с большой площади в тонкий луч, а механизм слежения отслеживает положение Солнца. Фотовольтаика превращает свет в электрический ток с помощью фотоэффект.
Предполагают, что солнечная энергетика станет крупнейшим источником электроэнергии к 2050 году, в которой на долю фотовольтаики и концентрированной солнечной энергии будет приходиться 16 и 11 % мирового производства электроэнергии соответственно.
Коммерческие электростанции на концентрированной солнечной энергии впервые появились в 1980-х годах. После 1985 года установка этого типа SEGS (англ.) в пустыне Мохаве (Калифорния) 354 МВт стала крупнейшей солнечной электростанцией в мире. Среди других солнечных электростанций этого типа СЭС Солнова (англ.) (150 МВт) и СЭС Андасол (англ.) (100 МВт), обе в Испании. Среди крупнейших электростанций на фотовольтаїці (англ.): Agua Caliente Solar Project (250 МВт) в США, и Charanka Solar Park (221 МВТ) в Индии. Проекты мощностью более 1 ГВт находятся на стадии разработки, но большинство установок на фотовольтаїці, мощностью до 5 КВт, имеют небольшой размер и расположены на крышах.По состоянию на 2013 год на солнечную энергию приходилось менее 1 % от электроэнергии в мировой сети.
Виды солнечной радиации
В атмосфере солнечная радиация на пути к поверхности земли частично поглощается, а частично рассеивается и отражается от облаков и земной поверхности. В атмосфере наблюдается три вида солнечной радиации: прямая, рассеянная и суммарная.
Прямая солнечная радиация — радиация, приходящая к земной поверхности непосредственно от диска Солнца. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на любую поверхность на Земле в виде пучка параллельных лучей, исходящего как бы из бесконечности. Даже весь земной шар в целом так мал в сравнении с расстоянием до Солнца, что всю солнечную радиацию, падающую на него, без заметной погрешности можно считать пучком параллельных лучей.
На верхнюю границу атмосферы приходит только прямая радиация. Около 30 % падающей на Землю радиации отражается в космическое пространство. Кислород, азот, озон, диоксид углерода, водяные пары (облака) и аэрозольные частицы поглощают 23 % прямой солнечной радиации в атмосфере. Озон поглощает ультрафиолетовую и видимую радиацию. Несмотря на то, что его содержание в воздухе очень мало, он поглощает всю ультрафиолетовую часть радиации (это примерно 3 %)
Таким образом, у земной поверхности ее вообще не наблюдается, что очень важно для жизни на Земле
Прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу также рассеивается. Частица (капля, кристалл или молекула) воздуха, находящаяся на пути электромагнитной волны, непрерывно «извлекает» энергию из падающей волны и переизлучает ее по всем направлениям, становясь излучателем энергии.
Около 25 % энергии общего потока солнечной радиации проходя через атмосферу, рассеивается молекулами атмосферных газов и аэрозолем и превращается в атмосфере в рассеянную солнечную радиацию. Таким образом рассеянная солнечная радиация — солнечная радиация, претерпевшая рассеяние в атмосфере. Рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу, так как лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени.
Так как первоисточником рассеянной радиации является прямая солнечная радиация, поток рассеянной зависит от тех же факторов, которые влияют на поток прямой радиации. В частности, поток рассеянной радиации возрастает по мере увеличение высоты Солнца и наоборот. Он возрастает также с увеличением в атмосфере количества рассеивающих частиц, т.е. со снижением прозрачности атмосферы, и уменьшается с высотой над уровнем моря в связи с уменьшение количества рассеивающих частиц в вышележащих слоях атмосферы. Очень большое влияние на рассеянную радиацию оказывают облачность и снежный покров, которые за счет рассеяния и отражения падающей на них прямой и рассеянной радиации и повторного рассеяния их в атмосфере могут в несколько раз увеличить рассеянную солнечную радиацию.
Рассеянная радиация существенно дополняет прямую солнечную радиацию и значительно увеличивает поступление солнечной энергии на земную поверхность. Особенно велика ее роль в зимнее время в высоких широтах и в других районах с повышенной облачностью, где доля рассеянной радиации может превышать долю прямой. Например, в годовой сумме солнечной энергии на долю рассеянной радиации приходится в Архангельске — 56 %, в Санкт-Петербурге — 51 %.
Суммарная солнечная радиация — это сумма потоков прямой и рассеянной радиаций, поступающих на горизонтальную поверхность. До восхода и после захода Солнца, а также днем при сплошной облачности суммарная радиация полностью, а при малых высотах Солнца преимущественно состоит из рассеянной радиации. При безоблачном или малооблачном небе с увеличением высоты Солнца доля прямой радиации в составе суммарной быстро возрастает и в дневные часы поток ее многократно превышает поток рассеянной радиации. Облачность в среднем ослабляет суммарную радиацию (на 20-30 %), однако при частичной облачности, не закрывающей солнечного диска, поток ее может быть больше, чем при безоблачном небе. Существенно увеличивает поток суммарной радиации снежный покров за счет увеличения потока рассеянной радиации.
Суммарная радиация, падая на земную поверхность, большей частью поглощается верхним слоем почвы или более толстым слоем воды (поглощенная радиация) и переходит в тепло, а частично отражается (отраженная радиация) .
Тепловые пояса
В зависимости от количества солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли, на земном шаре выделяют 7 тепловых поясов: жаркий, два умеренных, два холодных и два пояса вечного мороза. Границами тепловых поясов являются изотермы. Жаркий пояс с севера и юга ограничен средними годовыми изотермами +20 °С (рис. 9). Два умеренных пояса к северу и югу от жаркого пояса ограничены со стороны экватора средней годовой изотермой +20 °С, а со стороны высоких широт — изотермой +10 °С (средней температурой воздуха самых теплых месяцев — июля в Северном и января в Южном полушариях). Северная граница совпадает примерно с границей распространения лесов. Два холодных пояса к северу и югу от умеренного пояса в Северном и Южном полушариях лежат между изотермами +10 °С и 0 °С самого теплого месяца. Два пояса вечного мороза ограничены изотермой 0 °С самого теплого месяца от холодных поясов. Царство вечных снегов и льдов простирается к Северному и Южному полюсам.
Результаты измерений прямой солнечной радиации
При неизменной прозрачности атмосферы интенсивность прямой солнечной радиации зависит от оптической массы атмосферы, т. е. в конечном счете от высоты солнца. Поэтому в течение дня солнечная радиация должна сначала быстро, потом медленнее нарастать от восхода солнца до полудня и сначала медленно, потом быстро убывать от полудня до захода солнца.
Но прозрачность атмосферы в течение дня меняется в некоторых пределах. Поэтому кривая дневного хода радиации даже в совершенно безоблачный день обнаруживает некоторые неправильности.
Различия в интенсивности радиации в полдень в первую очередь связаны с различиями в полуденной высоте солнца, которая зимой меньше, чем летом. Минимальная интенсивность в умеренных широтах приходится на декабрь, когда высота солнца всего меньше. Но максимальная интенсивность приходится не на летние месяцы, а на весенние. Дело в том, что весной воздух наименее замутнен продуктами конденсации и мало запылен. Летом запыление возрастает, а также увеличивается содержание водяного пара в атмосфере, что несколько уменьшает интенсивность радиации.
Максимальные значения интенсивности прямой радиации для некоторых пунктов таковы (в кал/см2мин): Бухта Тикси 1,30, Павловск 1,43, Иркутск 1,47, Москва 1,48, Курск 1,51, Тбилиси 1,51, Владивосток 1,46, Ташкент 1,52.
Из этих данных видно, что максимальные значения интенсивности радиации очень мало растут с убыванием географической широты, несмотря на рост высоты солнца. Это объясняется увеличением влагосодержания, а отчасти и запылением воздуха в южных широтах. На экваторе максимальные значения радиации не очень превышают летние максимумы умеренных широт. В сухом воздухе субтропических пустынь (Сахара) наблюдались, однако, значения до 1,58 кал/см2 мин.
С высотой над уровнем моря максимальные значения радиации возрастают вследствие уменьшения оптической массы атмосферы при той же высоте солнца. На каждые 100 м высоты интенсивность радиации в тропосфере увеличивается на 0,01-0,02 кал/см2 мин. Мы уже говорили, что максимальные значения интенсивности радиации, наблюдающиеся в горах, достигают 1,7 кал/см2 мин и более.
Загрузка...