Лекции 5-6
Лекция 3 рассматривает принципы расчета потоков излучения, присутствующих на поверхности Земли.
В 1й лекции отмечались гигантские масштабы поступления солнечного излучения на поверхность Земли. Все остальные виды возобновляемой энергии в той или иной мере являются производными от основного «материнского» источника энергии. Если провести расчёты средней доли различных видов возобновляемой энергии на единицу площади поверхности Земли, то свыше 95% будет приходиться на солнечное излучение. Поэтому использованию солнечного излучения, как источника возобновляемой энергии, придаётся первостепенное значение в большинстве случаев. Для конструирования и расчёта преобразователей солнечного излучения важно знать его характеристики: энергетические, временные, геометрические и спектральные.
Природа солнечного излучения. Энергия в нашем Солнце генерируется в его ядре в результате ядерной реакции термоядерного синтеза гелия. Температура в ядре достигает 107 оК. Однако, излучение ядра Солнца поглощается внешними неактивными слоями, которые нагреваются до температуры Т
5800оК – основная доля излучения доходящего до Земли испускается именно этими слоями. Суммарная мощность электромагнитного излучения (исключая энергию потоков высокоэнергетических частиц) доходящего до верхних слоёв атмосферы в среднем составляет 1353 Вт/м2. В течение 11ти летнего и 70ти летнего циклов активности Солнца эта цифра меняется на 
0.15%. Кроме того, в результате эллиптичности
Орбиты Земли, эта величина меняется ещё в пределах 4% в течение года (в январе Земля ближе к Солнцу). Спектральное распределение внеатмосферного излучения близко к распределению излучения АЧТ с температурой 5800оК с максимумом при зелёном свете с l=0.57мкм. Солнечный спектр можно разделить на 3 условные области, связанные со спектральной чувствительностью глаза. Ультрафиолетовое излучение - <0,4 мкм – 9% интенсивности, видимое излучение 
мкм –45%, инфракрасное >0.7 мкм – 46% интенсивности. Солнечная энергия достигает атмосферы в виде направленного потока электромагнитного излучения и корпускул. Однако, на приёмник излучения находящийся на поверхности может попасть прямое излучение, рассеянное атмосферой и отражённое от объектов на земле (так как это показано на рис 3.1.) В ясный летний день в континентальной местности до 90% энергии, поступающей на ориентированный к солнцу приёмник, обеспечивается прямыми лучами. Так что в этом случае, перекрытие прямых лучей, например, небольшим облаком может снизить облучённость приёмника в 10 раз, конечно при отсутствии отражённых лучей (считается, что приёмник излучения расположен на большом вспаханном поле и горизонтально). Однако, не везде и всегда все дни бывают ясными, а воздух чистым. Облака, повышенная влажность, запылённость воздуха – всё это приводит к изменению доли рассеянного излучения и ослаблению интенсивности прямых лучей за счет ослабления их в толще атмосферы. Например, на острове Шмидта 65% годовой суммы освещённости приходится на рассеянное излучение, а 35% - от прямых лучей, в Санкт Петербурге 44 и 55% соответственно, в Давосе 22-78%, в Кзыл-Орде – 12-88%. По этой причине на о. Шмидта необходимо применять приёмники рассчитанные на рассеянное излучение, а в Кзыл-Орде – на прямое. Поскольку на поверхность солнечное излучение поступает, проходя толщу атмосферы, оно, взаимодействуя с газами, частично поглощается и рассеивается. Ультрафиолетовое излучение с длинами волн до 0,3 мкм полностью поглощается газами N2,O2, O3, причём последний определяет ультрафиолетовую границу пропускания излучения атмосферой. Уменьшение концентрации озона в верхних слоях атмосферы, например, за счёт каталической активности летучих соединений хлора, может привести к появлению «озоновых дыр» и опасному увеличению интенсивности ультрафиолетового излучения. Атмосфера нынешнего состава имеет два больших спектральных «окна» пропускания излучения: коротковолновое «окно» от 0,3 до 5 мкм и длинноволновое от 7,5 до 16 мкм, см. рис 3.3. Границы и прозрачность этих окон зависят от
 |
концентрации кислорода О2, паров воды Н2О, углекислого газа СО2 в атмосфере на трассе прямых лучей. Пары воды определяющим образом влияют на ширину и прозрачность 1го окна, поскольку имеют ряд спектральных полос поглощения в области 0,8 –7 мкм. Размеры и прозрачность 2го окна определяются линиями поглощения Н2О, СО2, О2. От прозрачности 2го окна зависит величина «парникового эффекта» – чем меньше ширина и прозрачность 2го окна, тем больше проявляется «парниковый эффект».
Планета Земля находится в термодинамическом равновесии с окружающим её пространством, так что, сколько энергии излучения на неё падает, столько же и уходит в пространство. Однако спектральные диапазоны этих уравновешенных потоков различны: падает на Землю излучение в области 0.2 –2.5 мкм, а уходит с планеты в области 5-20 мкм, кстати, уходящий поток с поверхности планеты тоже можно использовать для выработки энергии, т. е. в качестве источника возобновляемой энергии. Любой объект, находящийся на поверхности Земли, обменивается лучистой энергией с окружающими его областями: земная кора (почва), воздух, космическое пространство вне атмосферы. Доля энергии уходящей в космическое пространство за атмосферу (безвозвратно) определяется шириной и прозрачностью 2го окна, поскольку температура обычных (пассивных) объектов лежит в области 250 –350оК и спектральный максимум их излучательной способности лежит в области 8 –12 мкм длин волн. Следовательно, радиационные потери тепла объектом зависят от состояния атмосферы, особенно её влажности, причем гораздо сильнее, чем радиационные поступления от солнца через 1е окно. Для упрощенного расчета радиационных потерь вводят понятие «температуры неба» - температуру очень высокого условного купола, с которым осуществляется только лучистый энергообмен. Для данной местности в данное время и при данной погоде можно измерить радиационные потери калиброванного объекта и определить разницу температур DТ между поверхностью объекта и «небом». Для оценочных расчётов радиационных потерь можно пользоваться эмпирическими данными: при обложной облачности DТ=1-3оК, ясная погода на уровне моря у морского побережья – 4-8оК, умеренно –континентальный климат в ясную погоду - 8 – 15 оК и зависит от высоты местности, пустыни и высокогорья в ясную погоду 15-25 оК. Зная DТ и температуру объекта можно рассчитать радиационные потери по формулам 2.9 и 2.10 второй лекции. Таким образом, для горячей горизонтальной площадки мощность радиационных потерь может достигать величины –200 вт/м2. Если площадка не горизонтальная, а наклонена к горизонту, то радиационные потери уменьшаются пропорционально косинусу половины угла нормали к площадке с зенитным направлением - [b/2 по рис 3.5]. Формула справедлива для углов меньше 60о.
 |
Поскольку в большинстве случаев поступающая на приёмник энергия солнца определяется прямыми лучами, для правильной оценки освещённости приёмной площадки, необходимо, прежде всего, уметь рассчитывать освещённость от прямых лучей. Интенсивность прямых лучей зависит от географических координат местности, времени года, времени суток, геометрии площадки – от этих параметров, прежде всего, зависит угол между лучами и нормалью к площадке (угол падения излучения). Для того, что бы все их учесть нужно, обратиться к геометрии Земли и её орбиты вокруг Солнца. Время – принято считать, что Солнце «в зените» находится в полдень в 12 часов местного времени, однако в каждой местности установлено своё «декретное время» и оно, конечно, не совпадает с истинным астрономическим временем. Для точного расчета астрономического времени необходимо знать долготу местности. Алма-Ата находится на 77 меридиане. Значит она всего на 2о дальше от середины 5го часового пояса (по Гринвичу). На один час приходится 15о долготы, значит на 2о приходится 8 минут времени. Все благоразумные страны СНГ зимой сдвинули «декретом» полдень на 1 час к вечеру и летом на 2 часа к вечеру. Таким образом, астрономический полдень в Алма-Ате летом наступает в 13 часов 52 минуты, а зимой 12 часов 52 минуты. Для того чтобы рассчитать время облучения площадки, необходимо определять в каждый день длительность светлой части суток. Этот параметр зависит от широты местности и календарной даты. В каждый день календаря солнечное склонение меняется от минимального 22 декабря (-23.5) до максимального 22 июня (23,5). В
 |
любой день календаря склонение можно рассчитать по формуле 3.2, а долготу дня или светлую часть суток из выражения 3.3. Положение солнца на небосводе определяется часовым углом солнца и считается по соотношению 3.4, здесь ts-местное астрономическое время.
Освещённость площадки приёмника зависит от угла падения солнечного излучения на неё и степени ослабления излучения атмосферной толщей. Угол падения прямого излучения на площадку приёмника рассчитывается из геометрических соображений в системе Земля – Солнце. Ослабление солнечного излучения на атмосферной трассе определяется экспериментально или полуэмпирическими соотношениями. На рис.3.4 демонстрируется зависимость интенсивности и спектра прямых солнечных лучей в зависимости от длины атмосферной трассы или часового угла солнца для континентальной местности с широтой 40о. [Влияние высоты солнца на спектральное распределение солнечной энергии у поверхности земли. 1- солнечная энергия за пределами атмосферы, 2 –для экваториальных областей, 3 –для местности с широтой 40о в полдень, 4 – вечером с зенитным углом 60о, 5- с зенитным углом 75о, 6- с зенитным углом 80о.]
Полуэмпирическое соотношение для расчёта освещённости горизонтальной площадки прямыми лучами в каждый момент времени определяется соотношением 3.5 
[3.5] , в этом соотношении
отражает функциональную зависимость солнечной постоянной G от атмосферной толщины (атмосферной массы) m. В свою очередь m зависит от зенитного угла 
, для углов меньше 60о m рассчитывается из соотношения 3.6 
[3.6], для других углов:
80о- 5.6; 85о-10.4; 90о – 35.9. При m =1 
. Для большинства расчётов справедливо соотношение 3.7 
[3.7]
Угол q между направлением прямых лучей солнечного излучения и произвольно сориентированным плоским приёмником в любое время ищется из соотношения 3.8 по рис. 3.5. Частные случаи представлены соотношениями 3.9 и 3.10. Все параметры и переменные показаны на рис. 3.5.
Поскольку расчёты освещённости полуэмпирические, во многих случаях (рядом с метеостанциями) легче воспользоваться статистическими экспериментальными данными, которые накапливались несколькими десятилетиями. Некоторые такие данные иллюстрируются на рис 3.6 и рис. 3.7. Эмпирическое соотношение, приведённое под рис. 3.6, позволяет оценить суточную облучённость горизонтальной площадки для континентального климата на различных широтах и при разных склонениях (в любой календарный день). Указанный на рис. 3.7, индекс ясности Кт определяет среднюю за сутки долю прямых лучей, дошедших к поверхности Земли из космоса. Например, из 1353 Вт/м2 прямых лучей дошедших до атмосферы, при индексе ясности 0.5 в полдень до поверхности дойдёт 676 Вт/м2 прямых лучей. Для указанной на рисунке широты всего в полдень на горизонтальную площадку попадает 830 Вт/м2 солнечного излучения (прямого и рассеянного). Поскольку для приведённого на рисунке случая индекс ясности усреднён за весь день, процент прямых лучей в полдень на самом деле будет ещё больше (730 Вт/м2 , а не 676 Вт/м2).
Основные порталы (построено редакторами)