Изчисляване на плосък слънчев колектор
Практиката показва, че средно 900 W топлинна енергия на квадратен метър от повърхност, инсталирана перпендикулярно на ярка слънчева светлина (с безоблачно небе). Ще изчислим SC въз основа на модел с площ от 1 m². Лицевата страна е матирана, черна (има близо 100% поглъщане на топлинна енергия). Задната страна е изолирана с 10 см слой експандиран полистирол. Необходимо е да се изчислят топлинните загуби, които възникват на обратната, сенчеста страна. Коефициент на топлоизолация от експандиран полистирол - 0,05 W / m × градус. Като знаем дебелината и приемем, че температурната разлика от противоположните страни на материала е в рамките на 50 градуса, изчисляваме топлинните загуби:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Приблизително същите загуби се очакват от краищата и тръбите, тоест общото количество ще бъде 50 вата. Безоблачното небе е рядкост и трябва да се вземе предвид и ефектът от отлаганията на мръсотия върху колектора. Следователно ще намалим количеството топлинна енергия на 1 m² до 800 W. Водата, използвана като топлоносител в плоски SC, има топлинен капацитет от 4200 J/kg × deg или 1,16 W/kg × deg. Това означава, че за да се повиши температурата на един литър вода с един градус, ще са необходими 1,16 W енергия. Като се имат предвид тези изчисления, получаваме следната стойност за нашия модел на слънчев колектор от 1 m² площ:
Закръгляваме за удобство до 700 / kg × deg. Този израз показва количеството вода, което може да се нагрее в колектор (модел 1 m²) за един час. Това не отчита топлинните загуби от предната страна, които ще се увеличават при затопляне. Тези загуби ще ограничат нагряването на охлаждащата течност в слънчевия колектор в рамките на 70-90 градуса. В тази връзка стойността от 700 може да се приложи при ниски температури (от 10 до 60 градуса). Изчислението на слънчевия колектор показва, че система от 1 m² е в състояние да загрее 10 литра вода на 70 градуса, което е напълно достатъчно, за да осигури на къща топла вода. Можете да намалите времето за загряване на водата, като намалите обема на слънчевия колектор, като запазите площта му. Ако броят на хората, живеещи в къщата, изисква по-голям обем вода, трябва да се използват няколко колектора от тази зона, които са свързани в една система. За да може слънчевата светлина да действа върху радиатора възможно най-ефективно, колекторът трябва да бъде ориентиран под ъгъл към линията на хоризонта, равен на географската ширина на района. Това вече беше обсъдено в статията Как да изчислим мощността на слънчевите панели, важи същият принцип. Средно са необходими 50 литра топла вода, за да се осигури живот на един човек. Като се има предвид, че водата преди нагряване е с температура около 10 °C, температурната разлика е 70 - 10 = 60 °C. Количеството топлина, необходимо за загряване на водата, е както следва:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW енергия.
Разделяйки W на количеството слънчева енергия на 1 m² повърхност в дадена област (данни от хидрометеорологични центрове), получаваме площта на колектора. Изчисляването на слънчев колектор за отопление се извършва по подобен начин. Но обемът на водата (охладителната течност) е необходим повече, което зависи от обема на отопляваното помещение. Може да се заключи, че подобряването на ефективността на този тип водна отоплителна система може да се постигне чрез намаляване на обема и едновременно с това увеличаване на площта.
Технологии за лед
Разработват се редица технологии, при които ледът се произвежда по време на непиковите периоди и по-късно се използва за охлаждане. Например, климатизацията може да бъде направена по-икономична, като се използва евтино електричество през нощта за замразяване на водата и след това се използва охлаждащата мощност на леда през деня, за да се намали количеството енергия, необходимо за поддържане на климатика. Съхранението на топлинна енергия с помощта на лед използва високата топлина на топене на водата. В исторически план ледът е бил транспортиран от планините до градовете, за да се използва като охлаждаща течност. Един метричен (= 1 m3) тон вода може да съхранява 334 милиона джаула (J) или 317 000 британски топлинни единици (93 kWh).Сравнително малко устройство за съхранение може да съхранява достатъчно лед, за да охлади голяма сграда за цял ден или седмица.
В допълнение към използването на лед за директно охлаждане, той се използва и в термопомпи, които захранват отоплителни системи. В тези области фазовите енергийни промени осигуряват много сериозен топлопроводим слой, близо до долния температурен праг, при който може да работи термопомпа, използваща топлината на водата. Това позволява на системата да се справи с най-големите отоплителни натоварвания и увеличава времето, през което елементите на източника на енергия могат да връщат топлината към системата.
Ендотермични и екзотермични химични реакции
Технология за сол хидрат
Пример за експериментална технология за съхранение на енергия, базирана на енергията на химичните реакции, е технология, базирана на солни хидрати. Системата използва енергията на реакцията, създадена в случай на хидратация или дехидратация на соли. Той работи чрез съхраняване на топлина в резервоар, съдържащ 50% разтвор на натриев хидроксид. Топлината (например получена от слънчев колектор) се съхранява поради изпаряването на водата по време на ендотермична реакция. Когато отново се добави вода, топлината се отделя по време на екзотермичната реакция при 50°С (120F). В момента системите работят с ефективност от 60%. Системата е особено ефективна за сезонно съхранение на топлинна енергия, тъй като изсушената сол може да се съхранява дълго време при стайна температура без загуба на енергия. Контейнерите с дехидратирана сол могат дори да бъдат транспортирани на различни места. Системата има по-висока енергийна плътност от топлината, съхранявана във водата, и нейният капацитет ви позволява да съхранявате енергия за няколко месеца или дори години.
През 2013 г. холандският технологичен разработчик TNO представи резултатите от проекта MERITS за съхраняване на топлина в контейнер за сол. Топлината, която може да бъде доставена от слънчевия колектор към плоския покрив, изпарява водата, съдържаща се в солта. Когато отново се добави вода, топлината се отделя практически без загуба на енергия. Контейнер с няколко кубични метра сол може да съхранява достатъчно термохимична енергия, за да отоплява къща през цялата зима. При температури като в Холандия, средно устойчива на топлина ферма ще изисква приблизително 6,7 GJ енергия през зимата. За съхраняване на толкова много енергия във вода (с температурна разлика от 70C) ще са необходими 23 m3 вода в изолиран резервоар, което е повече, отколкото повечето домове могат да съхраняват. При използването на соленохидратна технология с енергийна плътност около 1 GJ/m3, 4-8 m3 биха били достатъчни.
От 2016 г. изследователи от няколко страни провеждат експерименти, за да определят най-добрия вид сол или смес от соли. Ниското налягане вътре в контейнера изглежда е най-доброто за пренос на мощност. Особено обещаващи са органичните соли, така наречените "йонни течности". В сравнение с литиево-халогенните сорбенти, те причиняват много по-малко проблеми в среда с ограничени ресурси и в сравнение с повечето халиди и натриев хидроксид, те са по-малко каустични и нямат отрицателно въздействие чрез емисии на въглероден диоксид.
Молекулни химични връзки
В момента се проучва възможността за съхраняване на енергия в молекулярни химични връзки. Вече е постигната енергийна плътност, еквивалентна на литиево-йонните батерии.
Разпределение на радиацията на границата на атмосферата
За климатологията въпросът за разпределението на притока и връщането на радиация по земното кълбо представлява значителен интерес. Помислете първо за разпределението на слънчевата радиация върху хоризонтална повърхност "на границата на атмосферата". Може да се каже още: „при липса на атмосфера“. По този начин приемаме, че няма нито поглъщане, нито разсейване на радиацията, нито отразяването й от облаците. Разпределението на слънчевата радиация на границата на атмосферата е най-простото.Той наистина съществува на височина от няколко десетки километра. Това разпределение се нарича слънчев климат.
Известно е как се променя слънчевата константа през годината и съответно количеството радиация, идваща към Земята. Ако определим слънчевата константа за действителното разстояние на Земята от Слънцето, то със средна годишна стойност от 1,98 cal/cm2 min. ще бъде равно на 2,05 кал/см2 мин. през януари и 1,91 кал/см2 мин. през юли.
Следователно, северното полукълбо през летния ден получава малко по-малко радиация на границата на атмосферата, отколкото южното полукълбо през летния си ден.
Количеството радиация, получено на ден на границата на атмосферата, зависи от времето на годината и географската ширина на мястото. Под всяка географска ширина сезонът определя продължителността на притока на радиация. Но при различни географски ширини продължителността на дневната част от деня по едно и също време е различна.
На полюса слънцето изобщо не залязва през лятото и не изгрява 6 месеца през зимата. Между полюса и полярния кръг слънцето не залязва през лятото и не изгрява през зимата за период от шест месеца до един ден. На екватора денят винаги продължава 12 часа. От полярния кръг до екватора дневните часове намаляват през лятото и се увеличават през зимата.
Но притокът на слънчева радиация върху хоризонтална повърхност зависи не само от продължителността на деня, но и от височината на слънцето. Количеството радиация, пристигащо до границата на атмосферата на единица хоризонтална повърхност, е пропорционално на синуса на височината на слънцето. А височината на слънцето не само се променя на всяко място през деня, но зависи и от времето на годината. Височината на слънцето на екватора варира през цялата година от 90 до 66,5°, в тропиците от 90 до 43°, в полярните кръгове от 47 до 0° и на полюсите от 23,5 до 0°.
Сферичността на Земята и наклонът на екваториалната равнина спрямо равнината на еклиптиката създават сложно разпределение на радиационния приток по географските ширини на границата на атмосферата и нейните промени през годината.
През зимата притокът на радиация намалява много бързо от екватора към полюса, през лятото намалява много по-бавно. В този случай максимумът през лятото се наблюдава в тропика, а притокът на радиация донякъде намалява от тропика към екватора. Малката разлика в притока на радиация между тропическите и полярните ширини през лятото се обяснява с факта, че въпреки че височините на слънцето в полярните ширини са по-ниски през лятото, отколкото в тропиците, продължителността на деня е дълга. Следователно в деня на лятното слънцестоене, при липса на атмосфера, полюсът ще получи повече радиация от екватора. Въпреки това, в близост до земната повърхност, в резултат на затихването на радиацията от атмосферата, отразяването й от облаците и т.н., летният приток на радиация в полярните ширини е значително по-малък, отколкото в по-ниските ширини.
На горната граница на атмосферата извън тропиците има един годишен радиационен максимум по време на лятното слънцестоене и един минимум по време на зимното слънцестоене. Но между тропиците притокът на радиация има два максимума на година, дължащи се на онези времена, когато слънцето достига най-високата си височина на обяд. На екватора това ще бъде в дните на равноденствията, в други вътрешнотропични ширини - след пролетното и преди есенното равноденствие, като се отдалечава от времето на равноденствията, толкова по-голяма е географската ширина. Амплитудата на годишното изменение на екватора е малка, вътре в тропиците е малка; в умерените и високите географски ширини е много по-голям.
Разпределение на топлината и светлината на Земята
Слънцето е звездата на Слънчевата система, която е източник на огромно количество топлина и ослепителна светлина за планетата Земя. Въпреки факта, че Слънцето е на значително разстояние от нас и само малка част от излъчването му достига до нас, това е напълно достатъчно за развитието на живота на Земята. Нашата планета се върти около слънцето в орбита. Ако Земята се наблюдава от космически кораб през годината, тогава може да се забележи, че Слънцето винаги осветява само едната половина на Земята, следователно там ще има ден, а по това време ще има нощ на противоположната половина. Земната повърхност получава топлина само през деня.
Земята ни се затопля неравномерно. Неравномерното нагряване на Земята се обяснява с нейната сферична форма, така че ъгълът на падане на слънчевия лъч в различните области е различен, което означава, че различните части на Земята получават различно количество топлина. На екватора слънчевите лъчи падат вертикално и те силно нагряват Земята.Колкото по-далеч от екватора, ъгълът на падане на лъча става по-малък и следователно тези територии получават по-малко топлина. Същият мощен лъч слънчева радиация загрява много по-малка площ близо до екватора, тъй като пада вертикално. Освен това лъчите, попадащи под по-малък ъгъл от екватора, прониквайки в атмосферата, преминават по-дълъг път в нея, в резултат на което част от слънчевите лъчи се разпръскват в тропосферата и не достигат до земната повърхност. Всичко това показва, че с отдалечаването от екватора на север или юг температурата на въздуха намалява, тъй като ъгълът на падане на слънчевия лъч намалява.
Степента на нагряване на земната повърхност се влияе и от факта, че земната ос е наклонена към равнината на орбитата, по която Земята прави пълен оборот около Слънцето, под ъгъл от 66,5 ° и винаги е насочена от северния край към Полярната звезда.
Представете си, че Земята, движеща се около Слънцето, има земна ос, перпендикулярна на равнината на орбитата на въртене. Тогава повърхността на различни географски ширини ще получава постоянно количество топлина през цялата година, ъгълът на падане на слънчевия лъч ще бъде постоянен през цялото време, денят винаги ще бъде равен на нощта, няма да има смяна на сезоните. На екватора тези условия ще се различават малко от сегашните. Наклонът на земната ос оказва значително влияние върху нагряването на земната повърхност, а оттам и върху целия климат, именно в умерените ширини.
През годината, тоест по време на пълното завъртане на Земята около Слънцето, четири дни са особено забележителни: 21 март, 23 септември, 22 юни, 22 декември.
Тропиците и полярните кръгове разделят земната повърхност на пояси, които се различават по слънчевата осветеност и количеството топлина, получена от Слънцето. Има 5 зони на осветяване: северната и южната полярни зони, които получават малко светлина и топлина, тропическата зона с горещ климат и северната и южната умерени зони, които получават повече светлина и топлина от полярните, но по-малко от тропическите.
И така, в заключение, можем да направим общо заключение: неравномерното нагряване и осветяване на земната повърхност са свързани със сферичността на нашата Земя и с наклона на земната ос до 66,5 ° към орбитата на въртене около Слънцето.
Натрупване на топлина в горещи скали, бетон, камъчета и др.
Водата има един от най-високите топлинни мощности - 4,2 J / cm3 * K, докато бетонът има само една трета от тази стойност. Бетонът, от друга страна, може да бъде нагрят до много по-високи температури от 1200C, например чрез електрическо отопление и по този начин има много по-висок общ капацитет. Следвайки примера по-долу, изолиран куб с диаметър приблизително 2,8 m може да бъде в състояние да осигури достатъчно съхранявана топлина за един дом, за да покрие 50% от нуждите от отопление. По принцип това може да се използва за съхраняване на излишната вятърна или фотоволтаична топлинна енергия поради способността на електрическото отопление да достига високи температури.
На ниво окръг проектът Wiggenhausen-Süd в германския град Фридрихсхафен привлече международно внимание. Това е 12 000 m3 (420 000 cu.ft.) стоманобетонно акумулаторно устройство за съхранение на топлина, свързано с 4300 m2 (46 000 кв.
фута), покривайки половината от нуждата от топла вода и отопление за 570 жилища. Siemens изгражда съоръжение за съхранение на топлина близо до Хамбург с капацитет 36 MWh, състоящо се от базалт, нагрят до 600C и генериращ 1,5 MW мощност. Подобна система е предвидена за изграждане в датския град Сорьо, където 41-58% от съхраняваната топлинна енергия с мощност 18 MWh ще бъде прехвърлена в топлофикацията на града, а 30-41% като електроенергия.
Как да изчислим възвръщаемостта на слънчевото отопление
С помощта на таблицата по-долу можете да изчислите колко ще намалеят разходите ви за отопление при използване на слънчеви колектори, колко дълго може да се изплаща тази система и какви ползи могат да бъдат получени при различни периоди на работа. Този модел е разработен за Приморски край, но може да се използва и за оценка на използването на слънчево отопление в Хабаровски край, Амурска област, Сахалин, Камчатка и Южен Сибир.В този случай слънчевите колектори ще имат по-малък ефект през декември-януари на по-високи географски ширини, но общите ползи ще бъдат не по-малко, предвид по-дългия отоплителен сезон.
В първата таблица въведете параметрите на вашата къща, отоплителната система и цените на енергията. Всички полета, които са маркирани в зелено, могат да бъдат модифицирани и да симулират съществуваща или планирана къща.
Първо въведете отопляемата зона на вашата къща в първата колона.
След това оценете качеството на топлоизолацията на сградата и начина на отопление, като изберете подходящите стойности.
Посочете броя на членовете на семейството и консумацията на топла вода - това ще помогне да се оцени ползите от захранването с топла вода на слънчевите колектори.
Въведете цени за обичайния ви източник на енергия за отопление - електричество, дизел или въглища.
Въведете стойността на обичайния доход на член на семейството, който се занимава с отопление във вашето домакинство. Това помага да се оцени разходите за труд за отоплителния сезон и играе особено важна роля за системите за твърдо гориво, където е необходимо да се внасят и разтоварват въглища, да се хвърлят в пещта, да се изхвърлят пепелта и др.
Цената на слънчевата колекторна система ще бъде определена автоматично, въз основа на зададените от Вас параметри на сградата. Тази цена е приблизителна - действителните разходи за монтаж и параметри на оборудването за слънчево отопление може да се различават и се изчисляват от специалисти индивидуално за всеки отделен случай.
В колоната "Разходи за монтаж" можете да въведете цената на оборудването и монтажа на традиционна отоплителна система - съществуваща или планирана
Ако системата вече е инсталирана, можете да въведете "0".
Обърнете внимание на размера на разходите за отоплителния сезон и сравнете с обичайните си разходи. Ако са различни, опитайте да промените настройките.
В колоната „Разходи за отопление на сезон“ отоплителните системи с въглища отчитат паричната стойност на разходите за труд. Ако не искате да ги вземете предвид, можете да намалите стойността на дохода на член на семейството, участващ в отоплението. Разходите за труд се считат в по-малка степен за системите с течно гориво и не се вземат предвид за електрическите котелни системи. Регулирането на слънчевите колектори се извършва автоматично и не изисква постоянно внимание.
В колоната "Срок на живот" по подразбиране е 20 години - това е обичайният живот на слънчевите отоплителни системи със слънчеви колектори. В зависимост от условията на работа слънчевите колектори могат да издържат повече от този период. Можете да промените живота и графиката по-долу ще отразява разликата между разходите за инсталация и поддръжка и ползите от използването на слънчеви колектори за отопление. Така ще видите колко ще се намалят разходите за отопление и колко дълго тази разлика ще позволи да се възстановят разходите за инсталиране на слънчеви колектори.
Крайните резултати са приблизителни, но дават добра представа колко може да струва една слънчева отоплителна система и колко време може да се изплати сама.
Моля, имайте предвид, че разходите за отоплителния сезон могат да бъдат значително намалени чрез използване на слънчеви колектори, системи за подово отопление и подобряване на топлоизолацията на сградата. Също така разходите за отопление могат да бъдат намалени, ако сградата е проектирана предварително за използване на слънчево отопление и използване на технологии за еко къщи.
svetdv.ru
Какво е слънчева топлина
От древни времена хората са били добре наясно с ролята на Слънцето в живота им. В почти всички народи той е действал като главно или едно от главните божества, давайки живот и светлина на всички живи същества. Днес човечеството има много по-добра представа откъде идва слънчевата топлина.
От гледна точка на науката нашето Слънце е жълта звезда, която е светило за цялата ни планетарна система.Той черпи енергията си от ядрото - централната част на огромна гореща топка, където се провеждат реакции на термоядрен синтез с невъобразима мощност при температура, измервана в милиони градуси. Радиусът на ядрото е не повече от една четвърт от общия радиус на Слънцето, но именно в ядрото се генерира лъчиста енергия, малка част от която е достатъчна, за да поддържа живота на нашата планета.
Освободената енергия навлиза във външните слоеве на Слънцето през конвективната зона и достига до фотосферата – излъчващата повърхност на звездата. Температурата на фотосферата се приближава до 6000 градуса, тя преобразува и излъчва в космоса лъчистата енергия, която нашата планета получава. Всъщност ние живеем благодарение на постепенното, бавно изгаряне на звездната плазма, която изгражда Слънцето.
Спектрален състав на слънчевата радиация
Интервалът на дължината на вълната между 0,1 и 4 микрона представлява 99% от общата енергия на слънчевата радиация. Само 1% остава за излъчване с по-къси и по-дълги дължини на вълната, до рентгенови лъчи и радиовълни.
Видимата светлина заема тесен диапазон от дължини на вълните, само от 0,40 до 0,75 микрона. Този интервал обаче съдържа почти половината от цялата слънчева лъчиста енергия (46%). Почти същото количество (47%) е в инфрачервените лъчи, а останалите 7% са в ултравиолетовите.
В метеорологията е прието да се прави разлика между късовълнова и дълговълнова радиация. Късовълнова радиация се нарича излъчване в диапазона на дължината на вълната от 0,1 до 4 микрона. Той включва, освен видимата светлина, най-близките до нея ултравиолетови и инфрачервени лъчи по дължини на вълните. Слънчевата радиация е 99% като късовълнова радиация. Дълговълновото излъчване включва излъчване на земната повърхност и атмосферата с дължини на вълната от 4 до 100-120 микрона.
Интензитет на пряка слънчева радиация
Радиацията, идваща на земната повърхност директно от слънчевия диск, се нарича пряка слънчева радиация, за разлика от радиацията, разпръсната в атмосферата. Слънчевата радиация се разпространява от Слънцето във всички посоки. Но разстоянието от Земята до Слънцето е толкова голямо, че директната радиация пада върху всяка повърхност на Земята под формата на лъч от успоредни лъчи, излъчвани сякаш от безкрайността. Дори земното кълбо като цяло е толкова малко в сравнение с разстоянието от Слънцето, че цялата слънчева радиация, падаща върху него, може да се разглежда като лъч от успоредни лъчи без забележима грешка.
Притокът на директна слънчева радиация към земната повърхност или към всяко по-високо ниво в атмосферата се характеризира с интензитета на радиацията аз, т.е. количеството лъчиста енергия, влизаща за единица време (една минута) на единица площ (един квадратен сантиметър), перпендикулярна на слънчевите лъчи.
Ориз. 1. Притокът на слънчева радиация към повърхността, перпендикулярна на лъчите (АБ) и на хоризонтална повърхност (AC).
Лесно е да се разбере, че единица площ, разположена перпендикулярно на слънчевите лъчи, ще получи максимално възможно количество радиация при дадени условия. Единица хоризонтална площ ще има по-малко количество лъчиста енергия:
I' = I sinh
където з е височината на слънцето (фиг. 1).
Всички видове енергия са взаимно еквивалентни. Следователно лъчистата енергия може да бъде изразена в единици от всякакъв вид енергия, например в топлинна или механична. Естествено е да се изрази в топлинни единици, тъй като измервателните уреди се основават на топлинния ефект на излъчването: лъчистата енергия, почти напълно погълната от уреда, се превръща в топлина, която се измерва. Така интензитетът на пряката слънчева радиация ще бъде изразен в калории на квадратен сантиметър в минута (cal/cm2min).
Производство на енергия
Слънчевата енергия работи чрез преобразуване на слънчевата светлина в електричество.Това може да се случи или директно, с помощта на фотоволтаици, или индиректно, като се използват концентрирани слънчеви енергийни системи, в които лещите и огледалата събират слънчевата светлина от голяма площ в тънък лъч, а механизъм за проследяване проследява позицията на Слънцето. Фотоволтаиците преобразуват светлината в електричество, използвайки фотоелектричния ефект.
Предвижда се слънчевата енергия да стане най-големият източник на електроенергия до 2050 г., като фотоволтаиците и концентрираната слънчева енергия ще представляват съответно 16% и 11% от световното производство на електроенергия.
Търговските електроцентрали, използващи концентрирана слънчева енергия, се появяват за първи път през 80-те години на миналия век. След 1985 г. 354 MW SEGS инсталация от този тип в пустинята Мохаве (Калифорния) се превърна в най-голямата слънчева електроцентрала в света. Други слънчеви електроцентрали от този тип включват Solnova (150 MW) и Andasol (100 MW), и двете в Испания. Сред най-големите фотоволтаични електроцентрали (на английски) са Agua Caliente Solar Project (250 MW) в САЩ и Charanka Solar Park (221 MW) в Индия. Проекти над 1 GW са в процес на разработка, но повечето фотоволтаични инсталации до 5 kW са малки и са на покрива.Към 2013 г. слънчевата енергия представлява по-малко от 1% от електроенергията в глобалната мрежа.
Видове слънчева радиация
В атмосферата слънчевата радиация по пътя си към земната повърхност се абсорбира частично, а частично се разсейва и отразява от облаците и земната повърхност. В атмосферата се наблюдават три вида слънчева радиация: пряка, дифузна и обща.
Директна слънчева радиация - излъчване, идващо на земната повърхност директно от слънчевия диск. Слънчевата радиация се разпространява от Слънцето във всички посоки. Но разстоянието от Земята до Слънцето е толкова голямо, че директната радиация пада върху всяка повърхност на Земята под формата на лъч от успоредни лъчи, излъчвани сякаш от безкрайността. Дори цялото земно кълбо като цяло е толкова малко в сравнение с разстоянието до Слънцето, че цялата слънчева радиация, падаща върху него, може да се счита за лъч от успоредни лъчи без забележима грешка.
Само директното излъчване достига горната граница на атмосферата. Около 30% от радиацията, падаща на Земята, се отразява в космоса. Кислород, азот, озон, въглероден диоксид, водна пара (облаци) и аерозолни частици абсорбират 23% от пряката слънчева радиация в атмосферата. Озонът абсорбира ултравиолетовата и видимата радиация. Въпреки факта, че съдържанието му във въздуха е много малко, той абсорбира цялата ултравиолетова радиация (около 3%)
Така той изобщо не се наблюдава на земната повърхност, което е много важно за живота на Земята.
Директната слънчева радиация по пътя си през атмосферата също се разсейва. Частица (капка, кристал или молекула) въздух, която се намира по пътя на електромагнитна вълна, непрекъснато „извлича“ енергия от падащата вълна и я излъчва отново във всички посоки, превръщайки се в енергиен емитер.
Около 25% от енергията на общия поток слънчева радиация, преминаващ през атмосферата, се разсейва от атмосферните газови молекули и аерозол и се превръща в атмосферата в разсеяна слънчева радиация. По този начин, разсеяната слънчева радиация е слънчева радиация, която е претърпяла разсейване в атмосферата. Разсеяната радиация идва на земната повърхност не от слънчевия диск, а от цялата твърд. Разсеяното лъчение се различава от прякото по своя спектрален състав, тъй като лъчите с различни дължини на вълната се разсейват в различна степен.
Тъй като основният източник на дифузна радиация е пряката слънчева радиация, потокът на дифузната радиация зависи от същите фактори, които влияят на потока на директната радиация. По-специално, потокът от разсеяна радиация се увеличава с увеличаване на височината на Слънцето и обратно.Нараства и с увеличаване на броя на разсейващите се частици в атмосферата, т.е. с намаляване на прозрачността на атмосферата и намалява с височината над морското равнище поради намаляване на броя на разсейващите се частици в горните слоеве на атмосферата. Облачността и снежната покривка оказват много голямо влияние върху дифузната радиация, която поради разсейването и отразяването на падащата върху тях пряка и дифузна радиация и повторното им разсейване в атмосферата може да увеличи дифузната слънчева радиация няколко пъти.
Разсеяната радиация значително допълва пряката слънчева радиация и значително увеличава притока на слънчева енергия към земната повърхност. Ролята му е особено голяма през зимата на високи географски ширини и в други райони с висока облачност, където фракцията на дифузната радиация може да надвишава частта на пряката радиация. Например, в годишното количество слънчева енергия, разсеяната радиация представлява 56% в Архангелск и 51% в Санкт Петербург.
Общата слънчева радиация е сумата от потоците на директна и дифузна радиация, пристигаща върху хоризонтална повърхност. Преди изгрев и след залез слънце, както и през деня с продължителна облачност, общата радиация е пълна, а при ниски височини на Слънцето се състои главно от разсеяна радиация. В безоблачно или леко облачно небе, с увеличаване на височината на Слънцето, делът на пряката радиация в състава на общата сума бързо нараства и през деня нейният поток е многократно по-голям от потока на разсеяната радиация. Облачността средно отслабва общата радиация (с 20-30%), но при частична облачност, която не покрива слънчевия диск, нейният поток може да бъде по-голям, отколкото при безоблачно небе. Снежната покривка значително увеличава потока на общата радиация чрез увеличаване на потока на разсеяната радиация.
Общата радиация, падаща върху земната повърхност, се поглъща предимно от горния слой на почвата или по-дебел слой вода (погълната радиация) и се превръща в топлина, а частично се отразява (отразена радиация).
Термични колани
В зависимост от количеството слънчева радиация, навлизаща в земната повърхност, на земното кълбо се разграничават 7 термични зони: гореща, две умерени, две студени и две зони на вечна слана. Границите на термичните зони са изотерми. Горещият пояс е ограничен от средногодишни изотерми от +20°С от север и юг (фиг. 9). Две умерени зони на север и юг от горещата зона са ограничени от страна на екватора със средна годишна изотерма от +20 ° С, а от страната на високите географски ширини от изотерма от +10 ° С (средната температура на въздуха на най-топлите месеци са юли в северното и януари в южното полукълбо). Северната граница съвпада приблизително с границата на разпространение на горите. Двете студени зони на север и на юг от умерения пояс в Северното и Южното полукълбо се намират между +10°C и 0°C изотермите на най-топлия месец. Двата пояса на вечната слана са ограничени от 0°C изотермата на най-топлия месец от студените пояси. Царството на вечния сняг и лед се простира до Северния и Южния полюс.
Резултати от измерване на пряка слънчева радиация
При непроменена прозрачност на атмосферата, интензитетът на пряката слънчева радиация зависи от оптичната маса на атмосферата, т.е. в крайна сметка от височината на слънцето. Следователно през деня слънчевата радиация трябва първо да се увеличава бързо, след това по-бавно от изгрев до обяд и отначало бавно, след това бързо да намалява от обяд до залез.
Но прозрачността на атмосферата през деня варира в определени граници. Следователно кривата на дневния ход на радиацията, дори в напълно безоблачен ден, показва някои нередности.
Разликите в интензитета на радиация по обяд се дължат предимно на разликите във височината на слънцето по обяд, която е по-ниска през зимата, отколкото през лятото. Минималната интензивност в умерените ширини се наблюдава през декември, когато слънцето е най-ниско. Но максималната интензивност не е през летните месеци, а през пролетта.Факт е, че през пролетта въздухът е най-малко замъглен от кондензационни продукти и малко прашен. През лятото запрашенето се увеличава, а съдържанието на водна пара в атмосферата също се увеличава, което донякъде намалява интензивността на радиацията.
Максималните стойности на интензитета на директна радиация за някои точки са както следва (в кал/см2мин): Тикси Бей 1,30, Павловск 1,43, Иркутск 1,47, Москва 1,48, Курск 1,51, Тбилиси 1,51, Владивосток 1, 46, Ташкент 1,52.
От тези данни може да се види, че максималните стойности на интензитета на радиация нарастват много малко с намаляване на географската ширина, въпреки увеличаването на височината на слънцето. Това се обяснява с увеличаването на съдържанието на влага и отчасти с запрашенето на въздуха в южните ширини. На екватора максималните стойности на радиация не надвишават много летните максимуми на умерените ширини. В сухия въздух на субтропичните пустини (Сахара) обаче се наблюдават стойности до 1,58 cal/cm2 min.
С височина над морското равнище максималните стойности на радиация се увеличават поради намаляване на оптичната маса на атмосферата при същата височина на слънцето. На всеки 100 m надморска височина интензитетът на радиация в тропосферата се увеличава с 0,01-0,02 cal/cm2 min. Вече казахме, че максималните стойности на интензитета на радиация, наблюдавани в планините, достигат 1,7 cal/cm2 min и повече.