Интенсивность солнечного излучения на поверхности земли

Солнечное излучение, распространяясь со скоростью 300000км/с, через 8 мин достигает орбиты Земли, отстоящей от Солнца на 150*10⁶ км. Его исходная интенсивность настолько велика, что даже на таком расстоянии она составляет около 1300 Вт/м² . Хотя Земле до­стается лишь малая доля солнечной энергии, но и ее достаточно, что­бы в десятки тысяч раз перекрыть существующую потребность в энер­гии всего земного шара.

На поверхность Земля попадает лишь 50% радиации Солнца, остальная часть поглощается облаками и самой поверхностью Земли (рис. 1. ) [2].

Современные мировые энергетические потребности можно покрыть за счет солнечной энергии, падающей на площадь 20 тыс.км² , что сос­тавляет 0,005 % земной поверхности. Если принять КПД солнечных энергетических устройств не более 10% , то территория Белоруссии могла бы удовлетворить мировые энергетические потребности.

В среднем годовое количество солнечной радиации, поступающей на поверхность Земли, составляет 2000-2500 кВт*ч/м² в зонах пустынь и 1000-1500 кВт*ч/м² в районах высоких широт. Необходимо отме­тить, что солнечная радиация распределяется на поверхности Земли гораздо равномернее, чем другие источники. По сравнению с тради­ционными источниками, солнечная энергия обладает малой плотностью и поэтому ее необходимо концентрировать для функционирования сов­ременных энергетических и технологических систем с помощью лиоконцентраторов. Интенсивность зависит от двух, факторов: угла накло­на лучей к плоскости поверхности в данной точке и длины пути лу­чей в атмосфере. Оба эти фактора зависят от высоты Солнца h. Интенсивность облучения определяется выражением:

Е =J· cos i,

где J - интенсивность излучения, падающего на горизонтальную поверхность;

i - угол наклона луча к нормали этой поверхности.

В действительности полная энергия падающего излучения превышает прямую составляющую, так как присутствует еще и рассеянная (диффузная) составляющая, в которую входит излучение, рассеянное различными компонентами атмосферы.

Рис.1. Прохождение солнечных лучей через атмосферу Земли:

Т - отражение от поверхности Земли;

2 - отражение облаками;

3 - поглощение самой атмосферой,

4 - рассеивание атмосферой с достижением земной поверхности;

5 - доля излучения, достигающая поверхности Земли

Рассеянное излучение составляет значительную долю полной энергии (при низких высотах Солнца она может достигать половины ее) ( табл.1 ).

Энергетический спектр рассеянной составляющей излучения несколько сдвинут в сторону более коротких волн по сравнению со спектром прямой составляющей, поскольку именно в области коротких волн рассеяние излучения в атмосфере максимально.

Обоснование использования солнечной радиации оценивается общей энергией, получаемой на поверхности земли в данное время дня и го­да. При этом учитывается вклад рассеянной компоненты излучения в общем объеме энергии. Интенсивность прямой составляющей рассчитыва­ется с учетом временных колебаний воздушной массы и изменения пу­ти лучей в атмосфере. Точность такого расчета зависят от состояния атмосферы (ее загрязнения, тумана, облачности и т.д.). Эти явле­ния уменьшают прямую составляющую, однако рассеянная компонента может значительно возрасти. При плотной облачности до Земли дохо­дит лишь рассеянная компонента.

Наилучшим методом оценки мощности солнечной радиации является непосредственное долговременное измерение ее интенсивности в различных зонах земного шара. В настоящее время существует несколько метеорологических станций, на которых непрерывно регистрируют инсоляцию.

Однако ориентировочные расчеты можно произвести для горизонтальной поверхности в любой точке земного шара. Для любого време­ни суток, заданного углом t из уравнения (1); можно получить высоту Солнца h [1].

(1)