Количество солнечного тепла и

Если бы каждый квадратный сантиметр земной поверхно­сти, перпендикулярной солнечным лучам, при среднем расстоя­нии Земли от Солнца, равном почти 150 миллионам км, и при отсутствии атмосферы получал в 1 мин. 1,88 кал, то в течение года при тех же условиях он получил бы до 1000 ккал тепла. Но так как Земля близка по форме к шару и солнечные лучи не везде падают отвесно, да при этом всегда освещена только половина земного шара, то за год на 1 см2 на верхней границе атмосферы поступает в среднем лишь четвертая часть назван­ной величины, т. е. около 250 ккал/см2. Из этого количества солнечного тепла поверхностью земли и атмосферой погло­щается до 140—150 ккал/см2год.
Количество тепла, получаемого от Солнца земной поверх­ностью, зависит прежде всего от угла падения солнечных лу­чей. Чем отвеснее падают солнечные лучи, т. е. чем больше высота солнца над горизонтом, тем меньше путь солнечных лучей в атмосфере (рис. 12) и тем большее количество энергии приходится на единицу площади, и, наоборот, чем меньше угол падения, тем больше путь солнечных лучей в атмосфере и тем меньше энергии приходится на единицу площади.

При прохождении через атмосферу солнечные лучи теряют тем больше энергии, чем длиннее их путь

Максимальное количество солнечной радиации поступает на единицу горизонтальной поверхности земли, перпендикуляр­ной солнечным лучам, тогда, когда солнце находится в зените, т. е. когда угол падения солнечных лучей равен 90°.
В табл. 5 приведены рассчитанные суммы солнечной радиа­ции для летнего и зимнего солнцестояния при отсутствии атмо­сферы. Из данных этой таблицы следует, что при отсутствии атмосферы в дни летнего солнцестояния Арктика получала бы солнечного тепла 1110 кал /см2 сутки, т. е. больше, чем эквато­риальная зона, где суточная сумма тепла составляла бы всего лишь 814 кал/см2.

Расчеты показывают, что при так называемой идеальной атмосфере (абсолютно сухой и чистой) поверхность Земли в вы­соких и даже средних широтах летом получала бы больше тепла, чем в экваториальной зоне. Согласно расчетам, в послед­них числах июня при отсутствии облаков и при средней про­зрачности атмосферы на Северный полюс поступало бы около 670 кал/см2 сутки, на широту 55° 630 кал/см2 сутки, а в эквато­риальную зону лишь около 500 кал/см2 сутки.
В экваториальной зоне количество солнечного тепла не ис­пытывает больших сезонных колебаний (табл. 5). В то же время в средних широтах оно уменьшается в несколько раз, а на Северном полюсе поступление тепла вовсе прекращается в период сентябрь — март.
Такое распределение солнечной радиации объясняется тем, что в Полярном бассейне летом солнце круглые сутки не захо­дит за горизонт, а зимой не появляется над горизонтом, в то время как в экваториальной зоне продолжительность светлого времени суток в течение года не испытывает заметных колеба­ний и равна приблизительно 12 час. Поэтому в течение года низкие широты получают больше тепла, чем средние и высокие широты.
Чтобы выяснить, в какой степени количество энергии, посту­пающей на перпендикулярную солнечным лучам поверхность, зависит от угла их падения, обратимся к табл. 6, составленной Н. Н. Калитиным.

В этой таблице приводятся теоретически вычисленные дан­ные о количестве солнечной радиации, приходящей на перпен­дикулярную поверхность, в зависимости от высоты солнца над горизонтом при полном отсутствии атмосферы (солнечная постоянная) и при прохождении солнечных лучей через иде­альную атмосферу, а также данные, полученные непосредственно из наблюдений при наличии реальной атмосферы при средней прозрачности ее.
Как видно из табл. 6, по сравнению с солнечной постоянной интенсивность радиации даже при условии идеальной атмо­сферы заметно меньше и, конечно, она еще меньше при усло­вии реальной атмосферы. При высоте солнца, равной 20°, интен­сивность солнечной радиации по сравнению с солнечной посто­янной уменьшается почти вдвое, а при высоте солнца 60° — на 30%. Резкое уменьшение интенсивности солнечной радиации в реальной атмосфере происходит главным образом из-за со­держания в ней водяного пара и пыли, обладающих поглощательной способностью.
Так обстоит дело с приходом солнечного тепла на перпен­дикулярную лучам поверхность.
Фактически на единицу горизонтальной поверхности прихо­дится гораздо меньше солнечной энергии. Так, при падении лучей солнца под углом 30° количество радиации, поступающей на 1 см2 горизонтальной поверхности, по сравнению с данными, приведенными в табл. 6, уменьшается в 2 раза, а при высоте солнца 5° — почти в 12 раз. Поток солнечной радиации, посту­пающей на горизонтальную поверхность, быстро убывает от эк­ватора к полюсам.
В дни весеннего и осеннего равноденствия в полдень на эк­ваторе солнце бывает в зените, а на полюсах — на горизонте (рис. 13, а).

Положение Земли по отношению к солнечным лучам в различные сезоны года

В день летнего солнцестояния в северном полушарии высота солнца на экваторе 66,5°, на северном тропике 90°, а на Север­ном полюсе лишь 23,5°. В это время в Арктике солнце не захо­дит за горизонт и вступает в силу полярный день, а Антарк­тика погружается в полярную ночь (рис. 13, б).
В день зимнего солнцестояния в Арктике солнце находится за горизонтом (полярная ночь), а в Антарктике наблюдается полярный день( рис. 13, в). Однако как на Северном, так и на Южном полюсе в полярный день лучи солнца падают под наи­меньшим углом. Продолжительность периода с полярным днем, как и с полярной ночью, равна приблизительно половине года. Поэтому в низких широтах Земли, где высота солнца в тече­ние всего года наибольшая, значительно теплее, чем в средних и особенно в высоких широтах северного и южного полушарий. Этим же объясняется наибольший нагрев земной поверхности в полдень, когда солнечные лучи падают на нее под наиболь­шим углом.

Количество солнечного тепла и света, поступающего на земную поверхность, зависит от угла падения солнечных лучей. Чем выше Солнце над горизонтом, тем выше угол падения солнечных лучей, тем больше солнечной энергии получает подстилающая поверхность.

Угол падения — такой угол, под которым луч света падает на другую поверхность.

Подстилающая поверхность — компоненты земной поверхности, осуществляющие тепло- и влагообмен с атмосферой и влияют на ее состояние.

Друзья, вы часто спрашиваете, поэтому напоминаем! 😉

Авиабилеты — сравнить цены от всех авиакомпаний и агентств можно тут!

Отели — не забываем проверять цены от всех сайтов бронирования! Не переплачивайте. Это тут!

Аренда авто — тоже агрегация цен от всех прокатчиков, все в одном месте, идем сюда!

Солнечная тепловая энергия
1. Введение
2. Солнечный водонагреватель на крыше

Длины волн солнечного излучения

Солнце — огромный реактор ядерного синтеза, который превращает водород в гелий в количестве 4 миллиона тонн за секунду. Оно излучает тепловую энергию благодаря своей высокой внешней температуре — приблизительно 6000°C. Часть поступающего солнечного света (приблизительно 1/3) просто отражается от поверхности Земли. Остальной свет поглощается и в конечном счете нагревает Землю за счет инфракрасной длинноволновой части спектра. Земля получает столько энергии, сколько необходимо для стабильного энергоснабжения и нагрева для сохранения сохранения жизни людей.

Мы видим солнечное излучение как белый свет. Фактически же в нем есть широкий спектр длин волн, от «коротковолнового» инфракрасный (длиннее, чем видимый красный свет) до ультрафиолетового (короче, чем видимый фиолетовый). Распределение длин волн четко определен температурой поверхности Солнца:

Ниже приведу перевод надписей на рисунке "Поглощение и отражение солнечной энергии Землей":

Земля, которая имеет среднюю атмосферную температуру -20°C и внешнюю температуру поверхности 15°C, излучает энергию длинноволнового инфракрасного диапазона в космическое пространство, средняя температура которого всего лишь на несколько градусов выше абсолютного ноля (-273°C). Мы часто забываем про эту теплопотерю, но она хорошо заметна ясными ночами в мороз, когда тепло уходит сначала в верхние слои атмосферы, а затем в космос.

Как можно увидеть, большинство эффектов низкотемпературной солнечной энергии зависят от нашей способности использовать стекло и другие материалы с селективными свойствами, которые позволяют солнечному излучению проходить внутрь, но блокировать отражение длинноволнового инфракрасного излучения. Сбор солнечной энергии для высокотемпературных устройств, как например движущиеся поезда, большей частью использует сконцентрированную сложными зеркалами солнечную энергию.

Прямое и рассеянное излучение

Когда лучи солнца проходят атмосферу, часть света рассеивается — в количестве, которое зависит от облачности. Эта часть рассеянного света доходит до поверхности земли. Этот рассеянный свет также освещает небо. Небольшую его часть его мы видим как голубой цвет ясного неба, но бóльшую – как белый цвет облаков.

То, что мы обычно называем солнечным светом – это та часть света, которая идет прямо от солнца. Ее также называют «прямым излучением». В ясные дни энергетическая плотность такого света может достигать 1 киловатта на квадратный метр (1 кВт*м -2 ). Эта величина взята за точку отсчета и названа «1 sun». Эта единица используется для оценки солнцесборников. В северной Европе и в некоторых городах южной Европы пиковые энергетические плотности на практике составляют около 900-1000 Ватт на квадратный метр.

В северной Европе в среднем за год приблизительно 50% солнечной радиации рассеивается, и 50% — это «прямой свет». В южной Европе, где уровни солнечного освещения выше, большинство света – прямой свет, особенно летом. Как рассеянное, так и прямое излучение нагревают тепловые приборы, но только прямое излучение может быть сфокусировано, чтобы производить очень высокие температуры. Но в то же время именно рассеянное излучение обеспечивает дневное естественное освещение в зданиях, особенно с окнами, ориентированными на север.

Применимость солнечного излучения

Интерес к солнечной энергии побудил начать точные измерения солнечных ресурсов и составлять солнечные карты. Для этого обычно используют солариметры (этот прибор также иногда называют пирариометр, pyrariometer):

Эти приборы содержат тщательно откалиброванные термоэлектрические элементы, закрытые стеклянной крышкой, которая направлена на небосвод. Напряжение в них изменяется пропорционально поступлению световой энергии. Колебания записываются электронным способом.

Наибольшее количество измерений солариметров отражают общее количество солнечной энергии, попадающей на их горизонтальные поверхности. Более детальные измерения разделяют прямое и рассеянное излучение. Эти данные могут быть математически преобразованы для расчета плотности излучения на наклоненные и вертикальные поверхности.

Так того и следовало ожидать, измерения показали, что среднегодовое солнечное освещение горизонтальных поверхностей наиболее высоко возле экватора, свыше 2000 киловатт-часов на квадратный метр за год (кВт*час*м -2 за год), и особенно высоко в пустынях. Эти области освещены лучше, чем северная Европа, которая обычно получает только около 1000 кВт*час*м -2 за год. Многие экспериментальные проекты, как например солнечные тепловые электростанции, строилось в таких районах, как южная Франции или Испании, где радиационные уровни составляют около 1500 кВт*час*м -2 за год, или на юге США, где уровни могут достигать 2500 кВт*час*м -2 за год.

Очевидно, что в Европе лето более солнечное, чем зима, но каковы средние величины солнечной энергии?

В середине июля солнечное освещение горизонтальной поверхности в северной Европе (например, в Ирландии, Великобритании, Дании и северной Германии) между 4,5 и 5 кВт*час*м -2 за день:

Солнечное излучение на горизонтальной поверхности (кВт*час на квадратный метр за день), Европа, июль.

Пять киловатт-часов — достаточно энергии, чтобы нагреть воду для горячей ванны. По британским местным ценам 2003 года на топливо нам пришлось бы заплатить приблизительно 15 пенсов за это количества тепла, если мы использовали нормальный газовый паровой котел или непиковое электричество. В южной Европе (Испания, Италия и Греция) в июле солнечные радиационные уровни выше — между 6 и 7,5 кВт*час*м -2 за день.

Зимой, однако, количество солнечного излучения намного ни-же. В январе средняя величина в северной Европе может быть в 10 раз меньше, чем в июле — около 0,5 кВт*час*м -2 за день, а вот в южной Европе, возможно ощутимо бóльшее освещение (1,5-2 кВт*час*м -2 за день):

Солнечное излучение на горизонтальной поверхности (кВт на 1 м 2 за день), Европа, январь.

Это означает, что в северной Европе нам нужно использовать оборудование, которое требуют наибольших энергозатрат летом. В южной Европе солнечного света достаточно и зимой, чтобы весь год использовать одно и то же оборудование.