Солнечная энергия

Солнечная энергия - это энергия солнечного излу­чения.

 Астрономические понятия, связанные с движением солнца по небесной сфере.

Небесная сфера

Небесная сфера (н.с.) - это воображаемая сфе­ра произвольного радиуса, на которую проектиру­ются небесные светила, в т. ч. Солнце. В зависи­мости от решаемой задачи центр небесной сферы может быть помещен в точку, где находится наб­людатель (топоцентрическая н.с.) и т.д.

Зенит

Зенит - точка на небесной сфере, определяе­мая по нормали к поверхности наблюдения.

Зенитный угол - это угол между направлени­ем на Солнце и вертикалью.

Примечание: Для земного наблюдателя с точки, имеющей широту ср, вертикальная линия пересе­кает небесную сферу в двух точках: зенит и надир.

Высота Солнца

Высота Солнца - это угол h между направлени­ем на Солнце и горизонтальной поверхностью.

h = 90° - qг.

Азимут

Азимут (у) - это отк­лонение от меридиана проекции на горизон­тальную плоскость нор­мали к поверхности приемника (у = 0 для плоскости, ориентиро­ванной строго на юг; у > 0 - ориентированной к за­паду от направления строго на юг; у < 0 - к востоку. Для горизон­тальной плоскости по­лагаем у = 0).

Горизонт, ось мира, небес­ный экватор и по­люсы мира

Плоскость, проходя­щая через центр небес­ной сферы, перпендику­лярно вертикали, пере­секает сферу по кругу, называемому истинным горизонтом.

Прямая, проходящая через центр сферы па­раллельно оси вращения Земли, называется осью мира, а точки пересечения ее с небесной сферой -северным и южным полюсами мира.

Плоскость, проходящая через центр небесной сферы перпендикулярно оси мира, пересекает сферу по большому кругу, называемому небесным экватором. 

Склонение Солнца

Склонение - это угловое положение Солнца в солнечный полдень относительно плоскости не­бесного экватора (положительное для северного полушария).

Угол между направлением к Солнцу и экватори­альной плоскостью является мерой и причиной се­зонных изменений.

 Примечание: в северном полушарии плавно меняется от +23,45° в период летнего солн­цестояния до -23,45° в период зимнего солнцес­тояния.

 Часовой угол

Угол между меридианом, проходящим через Северный Полюс солнце, и меридианом точки наблюдения. Часовой угол описывает позицию солнца в данный момент времени.

Часовой угол w равен нулю в солнечный пол­день; каждый час соответствует 15° долготы, при­чем значения часового угла до полудня считаются положительными, а после полудня - отрицатель­ными (например, w =+15 в 11.00 и w = -37,5 в 14.30).

Равноденствие

Периоды в году, когда ось вращения Земли ока­зывается перпендикулярной к линии, соединяю­щей центры Земли и Солнца, т. е. когда в полдень угол между направлением на Солнце и плос­костью небесного экватора равен 0, называется равноденствием. Весеннее равноденствие    - 21 марта и осеннее - 23 сентября.

Солнцестояние

Периоды в году, когда угол между направлени­ем на Солнце и плоскостью небесного экватора по абсолютной величине максимален, +23,45^о - в день летнего солнцестояния (22 июня) и - 23,45^о -в день зимнего

солнцестояния (22 декабря).

Угол падения потока излучения (q)

Угол между направлением потока излучения и нормалью к поверхности приемника называется углом падения лучей.

Солнечное излучение: термины.

Солнечная постоянная

Интенсивность солнечного излучения, падаю­щего на площадку, перпендикулярную этому пото­ку и расположенную вне атмосферы Земли на рас­стоянии 1,496*10⁸ км от Солнца (среднее расстоя­ние от Земли до Солнца).

Солнечная постоянная G  равна 1353 Вт/м².

Примечания: В действительности плот­ность потока излучения, достигающего верх­ней границы атмосферы, отличается от сол­нечной постоянной вследствие флуктуаций потока солнечной энергии менее чем на ± 1,5% и вследствие предсказуемых изменений рас­стояния Земля - Солнце, вызванных слабой элиптичностью земной орбиты, на ± 4% в течение года.

Примечание: В среднем около 30% интенсив­ности космического солнечного излучения от­ражается обратно в космическое простран­ство. Большую часть излучения отражают об­лака, меньшую снег и лед на поверхности Зем­ли. Плотность оставшегося потока коротко­волнового солнечного излучения составляет примерно (1-р0)-1,3 кВт/м2 ~ 1 кВт/м2.

Прямое излучение

Прямым излучением называется поступающее к Земле от Солнца излучения без изменения нап­равления, в виде почти параллельных лучей. Пря­мое излучение на перпендикулярнуюлучам пове­рхность S, прямое излучение на горизонтальную поверхность S`=S*sin h.

Диффузное (рассеянное) излучение

Диффузным (рассеянным) излучением D назы­вается поступающее от Солнца излучение после изменения его направления вслед­ствие отражения и рассеяния атмосферой.

Суммарное излучение

Сумма прямого и диффузного (рассеяного) излучения на горизонтальной (Q = S`+D) или наклонной поверхности в дан­ный момент времени.

 Плотность потока (интенсив­ность) излучения

Количество энергии, переносимой в единицу времени (поток энергии) через единичную площадку, называется плот­ностью потока или интенсивностью излуче­ния.

Условное обозначение I_e. Единица измерения в системе СИ: ватт на квадратный метр (Вт/м²).

  Период облучения

Период  воздействия  на  поверхность суммарного солнечного излучения.

Примечание: Период облучение имеет важ­ное значение в области применения солнечной энергии. Максимальное, минимальное и сред­нее значения за долгий промежуток времени в большинстве случаев определяется местными метеорологическими станциями.

Иррадиация (энергетическая экспози­ция) облучаемой поверхности

Энергия излучения, приходящая на единицу площади за определенный промежуток времени и выражаемая в джоулях на м² (Дж/м²).

Используются также и другие единицы измере­ния: киловатт-час на м² (кВт-ч/м²), ватт-час на м² (Вт-ч/м²).

Примечание: Термин иррадиация обычно ис­пользуется относительно определенного вре­менного периода (день, месяц, сезон, год).

Коэффициент плотности потока излу­чения

Отношение фактической интенсивности облу­чения к теоретическому максимуму возможной плотности потока излучения.

Примечание: Теоретический максимум воз­можной интенсивности излучения может быть определен длительным рядом измерений для данного участка и необходимой корректи­ровкой с учетом эффекта орографических по­мех, растительности, застройки смежных территорий и т.п.

 Плотность потока солнечного излу­чения с учетом временного интегрирования

Для проектировки и функционирования устано­вок с использованием солнечной энергии этот по­казатель требуется для:

-    определения предполагаемой работоспо­собности установки,

-    оценки энергосберегающего оборудова­ния,

-    оценки возможной дополнительной энер­гетической поддержки,

-    для получения информации о таких вре­менных характеристиках, как:

-    коэффициент летней/зимней иррадиации,

-    средней месячной/дневной иррадиации,

-    коэффициент иррадиации за неделю/день,

-    средний ежегодный поток солнечного излу­чения (иррадиации),

-    максимальный и минимальный ежегодный поток солнечного излучения (иррадиации).

 Суточный и сезонный показатели поступления потока излучения

На основе результатов длительных испытаний устанавливают среднее значение иррадиации для:

-         летних и зимних суток,

-         летних и зимних месяцев

Примечание: Помимо среднего значения представляет интерес минимальное значение иррадиации. Так, в европейсих широтах показа­тели иррадиации колеблются от 6 в летние месяцы до 1 - зимой. Дневной показатель в за­висимости от периода (зима или лето) сос­тавляет от 24 до 1. Указанные величины при­водятся с учетом многолетних испытаний и являются средне статистическими.

Примечание: Полученные в результате мно­гократных измерений эти показатели могут быть важными при проектировании (програм­мировании) установки для заданного интерва­ла времени. В большинстве случаев, значение показателя соответствует средней интен­сивности потока излучения, но при прогнози­ровании, как допустимые, могут использо­ваться и минимальные ее значения. Это также может быть использовано при сравнении летних и зимних значений.

Среднегодовая иррадиация, создаваемая потоком излучения

Полученная в результате многократных изме­рений, плотность потока (интенсивность) излуче­ния. Выражается в ваттах на единицу площади по­верхности (Вт/м² ).

Общая среднегодовая (интегрированная по времени) интенсивность потока излучения - ирра­диация - выражается в ватт-часах на единицу пло­щади поверхности как средняя интенсивность по­тока излучени (Вт.ч/м² ).

Спектр солнечного излучения

Солнечный спектр можно разделить на три ос­новные области:

       1.   ультрафиолетовое излучение (l<0,38 мкм) 9% интенсивности солнечной радиации – его можно разделить на отдельные участки:

  -  коротковолновая ультрафиолетовая об­ласть (l<0,3 мкм), солнечного излучения практи­чески полностью отсутствует на уровне моря всле­дствие поглощения молекулами О₂, О₃, О, N₂ и их ионами в атмосфере;

  -  ближний ультрафиолетовый диапазон (0,3 мкм<l<0,38 мкм). Проходит очень малая доля из­лучения, но вполне достаточная для загара;

     2.  видимое излучение (0,38 мкм<l<0,75 мкм). Чистая атмосфера практически полностью пропус­кает видимое излучение и становится "окном", отк­рытым для прихода на Землю солнечной энергии. Около половины (45%) потока солнечного излуче­ния приходится на этот спектральный диапазон;

    3.  инфракрасное излучение (0,75 мкм<l<2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходится почти пловина (46%) интенсивности космического сол­нечного излучения.

Примечание: l - длина волны солнечного излучения.

Примечание: Все три области спектра от­носятся к коротковолновому излучению. Вклад в поток солнечной радиации излучения с длиной волны больше 2,5 мкм пренебрежимо мал, а в области спектра дальнего инфракрасного диа­пазона (l>12 мкм) атмосфера практически полностью непрозрачна.

Примечание: Более 20% солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и углекислым газом. Концентрация СО₂ в атмосфере относительно постоянна и сос­тавляет около 0,03%, а концентрация паров воды меняется очень сильно - почти до 4%. По­этому изменение спектрального распределе­ния солнечного излучения в основном зависит от влажности и запыленности атмосферы да­же в отсутствие облаков. Эти факторы мож­но оценить с помощью индекса ясности К_Т.

Воздушная масса атмосферы (АМ)

m = secq_{z           .}

 Воздушная масса, характеризующая увеличе­ние длины пути при наклонном падении луча под углом qz , называется оптической массой и обоз­начается символом АМ.

 Излучательная способность

Излучательная способность поверхности излу­чения e есть отношение плотностей потоков излу­чения, испускаемых соответственно данной пове­рхностью и поверхностью эквивалентного черного тела с той же температурой.

Примечание: Излучательная способность реальных тел зависит в общем случае от их температуры.

Примечание: Абсолютно черное тело есть объект, поверхность которого поглощает все падающее на него излучения.

Примечание: Никакое реальное тело не мо­жет излучать больше энергии, чем эквивале­нтное ему по форме и размерам черное тело при такой же температуре.

Поглощательная способность (ко­эффициент поглощения)

Поглощательная способность или коэффици­ент поглощения a равен отношению поглощенной веществом или поверхностью части падающего потока излучения ко всему потоку излучения.

Примечание: Коэффициент поглощения за­висит от спектрального состава падающего излучения.

Примечание: Никакое реальное тело не мо­жет поглощать больше энергии, чем эквивале­нтное ему по форме и размерам черное тело при такой же температуре.

 Коэффициент пропускания

Коэффициент пропускания t равен отношению прошедшей через вещество части падающего по­тока излучения ко всему потоку излучения.

Отражательная способность (коэф­фициент отражения)

Отражательная способность или коэффициент отражения r равен отношению отраженной от по­верхности вещества части падающего потока из­лучения ко всему потоку излучения.

Коэффициент мутности атмосферы

Коэффициент, характеризующий количество аэрозолей, находящихся в воздухе, по отношению к нормативному их содержанию. Он позволяет вы­числять ослабление непосредственного излуче­ния, вызванное аэрозолями, для определенной длины волны, а также для любой другой длины волны солнечного спектра, если известен ее диа­пазон рассеивания.

Примечание: используются следующие ко­эффициенты мутности :

- коэффициент Ангстрема, соответствую­щий длине волны 1 мкм, который находится в диапазоне от 0,02 (чистая атмосфера) до 0,2 (загрязненная атмосфера).

-  коэффициент Шеппа

-  коэффициент Валко.

Все эти коэффициенты рассматривают эффект только от наличия аэрозолей в воздухе, принимая во внимание, что ослабление солнечного излуче­ния зависит также от молекулярной диффузии и поглощения атмосферными газами (озон, водяной пар, углекислый газ и т.д.).

 Индекс ясности

Индекс ясности К_Т представляет собой отноше­ние лучистой энергии прямого излучения, пришед­шей на горизонтальную поверхность за опреде­ленный период времени (обычно за один день), к энергии, пришедшей за тот же период времени на параллельную поверхность, расположенную вне атмосферы.

Самые ясные дни характеризуются оптической массой m=1 и соответственно К_Т=0,8. Для таких дней доля диффузной составляющей излучения равна примерно 0,2; она увеличивается до 1,0 в пасмурные дни (К_Т=0). В солнечные дни при нали­чии в атмосфере значительного количества аэро­золей или при небольшой облачности рассеянная составляющая может достигать 0,5, т.е. К_Т=0,5.

Ясное небо

Состояние неба без облаков, которое соответ­ствует минимальному значению коэффициента или фактора мутности.