Beräkning av en platt solfångare
Praxis visar att i genomsnitt 900 W värmeenergi per kvadratmeter av en yta installerad vinkelrätt mot starkt solljus (med en molnfri himmel). Vi kommer att beräkna SC på basis av en modell med en yta på 1 m². Framsidan är matt, svart (har nära 100% absorption av värmeenergi). Baksidan är isolerad med ett 10 cm lager expanderad polystyren. Det krävs att man beräknar de värmeförluster som uppstår på den omvända, skuggiga sidan. Värmeisoleringskoefficient för expanderad polystyren - 0,05 W / m × grader. Genom att känna till tjockleken och anta att temperaturskillnaden på motsatta sidor av materialet är inom 50 grader, beräknar vi värmeförlusten:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Ungefär samma förluster förväntas från ändarna och rören, det vill säga den totala mängden blir 50 watt. Molnfri himmel är sällsynt, och effekten av smutsavlagringar på uppsamlaren bör också beaktas. Därför kommer vi att minska mängden termisk energi per 1 m² till 800 W. Vatten som används som värmebärare i plana SCs har en värmekapacitet på 4200 J/kg × grader eller 1,16 W/kg × grader. Det betyder att för att höja temperaturen på en liter vatten med en grad, krävs det 1,16 W energi. Med dessa beräkningar får vi följande värde för vår solfångarmodell på 1 m² yta:
Vi rundar för bekvämlighet upp till 700 / kg × grader. Detta uttryck anger mängden vatten som kan värmas upp i en kollektor (modell 1 m²) under en timme. Detta tar inte hänsyn till värmeförlusten från framsidan, som kommer att öka när den värms upp. Dessa förluster kommer att begränsa uppvärmningen av kylvätskan i solfångaren inom 70-90 grader. I detta avseende kan värdet 700 tillämpas på låga temperaturer (från 10 till 60 grader). Beräkningen av solfångaren visar att ett system på 1 m² kan värma upp 10 liter vatten med 70 grader, vilket är tillräckligt för att förse ett hus med varmvatten. Du kan minska tiden för uppvärmning av vatten genom att minska volymen på solfångaren samtidigt som dess yta bibehålls. Om antalet personer som bor i huset kräver en större volym vatten, bör flera samlare av detta område användas, som är anslutna till ett system. För att solljus ska verka på radiatorn så effektivt som möjligt måste kollektorn vara orienterad i en vinkel mot horisontlinjen lika med områdets latitud. Detta har redan diskuterats i artikeln Hur man beräknar effekten av solpaneler, samma princip gäller. I genomsnitt behövs 50 liter varmvatten för att säkerställa en persons liv. Givet att vattnet före uppvärmning har en temperatur på ca 10 °C är temperaturskillnaden 70 - 10 = 60 °C. Mängden värme som behövs för att värma vatten är som följer:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW energi.
Om vi dividerar W med mängden solenergi per 1 m² yta i ett givet område (data från hydrometeorologiska centra), får vi kollektorarean. Beräkningen av en solfångare för uppvärmning utförs på liknande sätt. Men volymen vatten (kylvätska) behövs mer, vilket beror på volymen av det uppvärmda rummet. Man kan dra slutsatsen att en förbättring av effektiviteten hos denna typ av vattenvärmesystem kan uppnås genom att minska volymen och samtidigt öka arean.
Isteknik
Ett antal tekniker utvecklas där is produceras under lågtrafik och senare används för kylning. Till exempel kan luftkonditionering göras mer ekonomisk genom att använda billig el på natten för att frysa vatten och sedan använda kylkraften från is under dagen för att minska mängden energi som krävs för att underhålla luftkonditioneringen. Lagringen av termisk energi med hjälp av is använder den höga fusionsvärmen av vatten. Historiskt sett transporterades is från bergen till städerna för att användas som kylmedel. Ett metriskt (= 1 m3) ton vatten kan lagra 334 miljoner joule (J) eller 317 000 brittiska termiska enheter (93 kWh).En relativt liten förvaringsenhet kan lagra tillräckligt med is för att kyla en stor byggnad under en hel dag eller vecka.
Förutom att använda is för direkt kylning, används den även i värmepumpar som driver värmesystem. I dessa områden ger fasenergiförändringar ett mycket allvarligt värmeledande skikt, nära den lägre temperaturtröskel vid vilken en värmepump som använder vattenvärme kan arbeta. Detta gör att systemet kan hantera de tyngsta värmebelastningarna och öka den tid som energikällelementen kan återföra värme till systemet.
Endotermiska och exoterma kemiska reaktioner
Salthydratteknik
Ett exempel på en experimentell energilagringsteknik baserad på energin från kemiska reaktioner är en teknik baserad på salthydrater. Systemet använder energin från reaktionen som skapas vid hydratisering eller uttorkning av salter. Det fungerar genom att lagra värme i en tank som innehåller en 50% natriumhydroxidlösning. Värme (till exempel erhållen från en solfångare) lagras på grund av avdunstning av vatten under en endoterm reaktion. När vatten tillsätts igen frigörs värme under den exoterma reaktionen vid 50C (120F). För närvarande fungerar systemen med en effektivitet på 60 %. Systemet är särskilt effektivt för säsongsbetonad termisk energilagring, eftersom torkat salt kan lagras i rumstemperatur under lång tid utan energiförlust. Behållare med uttorkat salt kan till och med transporteras till olika platser. Systemet har en högre energitäthet än värmen som lagras i vatten, och dess kapacitet gör att du kan lagra energi i flera månader eller till och med år.
2013 presenterade den holländska teknikutvecklaren TNO resultaten av MERITS-projektet för att lagra värme i en saltbehållare. Värmen som kan levereras från solfångaren till det platta taket förångar vattnet som finns i saltet. När vatten tillsätts igen frigörs värme med praktiskt taget ingen energiförlust. En behållare med några kubikmeter salt kan lagra tillräckligt med termokemisk energi för att värma ett hus hela vintern. Med temperaturer som i Nederländerna kommer en genomsnittlig värmetolerant gård att kräva cirka 6,7 GJ energi över vintern. För att lagra så mycket energi i vatten (med en temperaturskillnad på 70C) skulle det krävas 23 m3 vatten i en isolerad tank, vilket är mer än vad de flesta hem kan lagra. Med användning av salthydratteknik med en energitäthet på ca 1 GJ/m3 skulle 4-8 m3 vara tillräckligt.
Från och med 2016 genomför forskare från flera länder experiment för att bestämma den bästa typen av salt eller blandning av salter. Lågt tryck inuti behållaren verkar vara det bästa för kraftöverföring. Särskilt lovande är organiska salter, de så kallade "joniska vätskorna". Jämfört med litiumhalogenidsorbenter orsakar de mycket färre problem i resursbegränsade miljöer, och jämfört med de flesta halogenider och natriumhydroxid är de mindre frätande och har ingen negativ inverkan genom koldioxidutsläpp.
Molekylära kemiska bindningar
Just nu undersöks möjligheten att lagra energi i molekylära kemiska bindningar. En energitäthet motsvarande litiumjonbatterier har redan uppnåtts.
Fördelning av strålning vid atmosfärens gräns
För klimatologin är frågan om fördelningen av strålningens inflöde och retur över jordklotet av stort intresse. Betrakta först fördelningen av solstrålning på en horisontell yta "vid atmosfärens gräns." Man skulle också kunna säga: "i avsaknad av atmosfär." Med detta antar vi att det varken förekommer absorption eller spridning av strålning, eller dess reflektion av moln. Fördelningen av solstrålning vid atmosfärens gräns är den enklaste.Den finns verkligen på flera tiotals kilometers höjd. Denna fördelning kallas solklimatet.
Det är känt hur solkonstanten förändras under året och följaktligen mängden strålning som kommer till jorden. Om vi bestämmer solkonstanten för jordens faktiska avstånd från solen, då med ett årligt medelvärde på 1,98 cal/cm2 min. det blir lika med 2,05 cal/cm2 min. i januari och 1,91 cal/cm2 min. i juli.
Därför får norra halvklotet under en sommardag något mindre strålning vid atmosfärens gräns än södra halvklotet under sin sommardag.
Mängden strålning som tas emot per dag vid atmosfärens gräns beror på tiden på året och platsens latitud. Under varje latitud bestämmer säsongen varaktigheten av inflödet av strålning. Men under olika breddgrader är längden på dagdelen av dagen vid samma tidpunkt olika.
På polen går solen inte ner alls på sommaren och går inte upp på 6 månader på vintern. Mellan polen och polcirkeln går solen inte ner på sommaren och går inte upp på vintern under en period av sex månader till en dag. Vid ekvatorn varar dagtiden alltid 12 timmar. Från polcirkeln till ekvatorn minskar dagsljuset på sommaren och ökar på vintern.
Men inflödet av solstrålning på en horisontell yta beror inte bara på dagens längd, utan också på solens höjd. Mängden strålning som anländer till atmosfärens gräns per enhet horisontell yta är proportionell mot sinus för solens höjd. Och solens höjd förändras inte bara på varje plats under dagen, utan beror också på årstiden. Solens höjd vid ekvatorn varierar under hela året från 90 till 66,5°, i tropikerna från 90 till 43°, i polcirklarna från 47 till 0° och vid polerna från 23,5 till 0°.
Jordens sfäricitet och ekvatorialplanets lutning mot ekliptikans plan skapar en komplex fördelning av strålningsinflödet över breddgrader vid atmosfärens gräns och dess förändringar under året.
På vintern minskar inflödet av strålning mycket snabbt från ekvatorn till polen, på sommaren minskar det mycket långsammare. I det här fallet observeras maximum på sommaren i tropen, och inflödet av strålning minskar något från tropen till ekvatorn. Den lilla skillnaden i inflödet av strålning mellan de tropiska och polära breddgraderna på sommaren förklaras av det faktum att även om solens höjder på polära breddgrader är lägre på sommaren än i tropikerna, är längden på dygnet lång. På dagen för sommarsolståndet skulle därför polen, i avsaknad av en atmosfär, få mer strålning än ekvatorn. Men nära jordens yta, som ett resultat av dämpningen av strålning från atmosfären, dess reflektion av moln etc., är sommarinflödet av strålning på polära breddgrader betydligt mindre än på lägre breddgrader.
Vid atmosfärens övre gräns utanför tropikerna finns ett årligt strålningsmaximum vid tidpunkten för sommarsolståndet och ett minimum vid tidpunkten för vintersolståndet. Men mellan tropikerna har inflödet av strålning två maxima per år, hänförligt till de tider då solen når sin högsta middagshöjd. Vid ekvatorn kommer detta att vara på dagjämningsdagarna, på andra intratropiska breddgrader - efter våren och före höstdagjämningen, när man flyttar bort från tidpunkten för dagjämningarna, ju större breddgraden är. Amplituden för den årliga variationen vid ekvatorn är liten, inne i tropikerna är den liten; på tempererade och höga breddgrader är den mycket större.
Fördelning av värme och ljus på jorden
Solen är stjärnan i solsystemet, som är källan till en enorm mängd värme och bländande ljus för planeten jorden. Trots att solen befinner sig på avsevärt avstånd från oss och bara en liten del av dess strålning når oss, är detta tillräckligt för utvecklingen av liv på jorden. Vår planet kretsar runt solen i en bana. Om jorden observeras från ett rymdskepp under året, kan man märka att solen alltid bara lyser upp ena halvan av jorden, därför kommer det att finnas dag där, och vid den tiden kommer det att bli natt på den motsatta halvan. Jordytan får bara värme under dagen.
Vår jord värms ojämnt. Jordens ojämna uppvärmning förklaras av dess sfäriska form, så infallsvinkeln för solens strålar i olika områden är olika, vilket gör att olika delar av jorden får olika mycket värme. Vid ekvatorn faller solens strålar vertikalt och de värmer jorden kraftigt.Ju längre bort från ekvatorn blir strålens infallsvinkel mindre, och följaktligen får dessa territorier mindre värme. Samma kraftstråle av solstrålning värmer ett mycket mindre område nära ekvatorn, eftersom det faller vertikalt. Dessutom går strålar som faller i en mindre vinkel än vid ekvatorn och tränger in i atmosfären en längre väg i den, vilket resulterar i att en del av solens strålar sprids i troposfären och inte når jordens yta. Allt detta tyder på att när du rör dig bort från ekvatorn mot norr eller söder, minskar lufttemperaturen, eftersom infallsvinkeln för solens stråle minskar.
Jordytans uppvärmningsgrad påverkas också av att jordens axel lutar mot omloppsplanet, längs vilket jorden gör ett helt varv runt solen, i en vinkel på 66,5° och alltid riktas av den norra änden mot Polarstjärnan.
Föreställ dig att jorden, som rör sig runt solen, har jordens axel vinkelrät mot rotationsbanan. Då skulle ytan på olika breddgrader få en konstant mängd värme under hela året, solstrålens infallsvinkel skulle vara konstant hela tiden, dagen skulle alltid vara lika med natten, det skulle inte bli några årstider. Vid ekvatorn skulle dessa förhållanden skilja sig lite från nutiden. Jordaxelns lutning har en betydande effekt på uppvärmningen av jordytan, och därmed på hela klimatet, just på tempererade breddgrader.
Under året, det vill säga under hela jordens rotation runt solen, är fyra dagar särskilt anmärkningsvärda: 21 mars, 23 september, 22 juni, 22 december.
Tropikerna och polarcirklarna delar upp jordens yta i bälten som skiljer sig åt i solbelysning och mängden värme som tas emot från solen. Det finns 5 belysningszoner: de norra och södra polarzonerna, som får lite ljus och värme, den tropiska zonen med ett varmt klimat och de norra och södra tempererade zonerna, som får mer ljus och värme än de polära, men mindre än de tropiska.
Så sammanfattningsvis kan vi dra en allmän slutsats: ojämn uppvärmning och belysning av jordens yta är förknippade med vår jords sfäricitet och med lutningen av jordens axel upp till 66,5 ° till rotationsbanan runt solen.
Värmeansamling i hett berg, betong, småsten etc.
Vatten har en av de högsta värmekapaciteterna - 4,2 J / cm3 * K, medan betong bara har en tredjedel av detta värde. Betong kan däremot värmas upp till mycket högre temperaturer på 1200C genom till exempel elvärme och har därmed en mycket högre total kapacitet. Enligt exemplet nedan kan en isolerad kub med en diameter på cirka 2,8 m kunna ge tillräckligt med lagrad värme för ett hem för att möta 50 % av värmebehovet. I princip skulle detta kunna användas för att lagra överskott av vind- eller solcellsvärmeenergi på grund av eluppvärmningens förmåga att nå höga temperaturer.
På länsnivå väckte projektet Wiggenhausen-Süd i den tyska staden Friedrichshafen internationell uppmärksamhet. Detta är en 12 000 m3 (420 000 cu.ft.) värmelagringsenhet i armerad betong ansluten till en 4 300 m2 (46 000 kvm).
ft.), täcker hälften av behovet av varmvatten och uppvärmning för 570 bostäder. Siemens bygger en värmelagringsanläggning nära Hamburg med en kapacitet på 36 MWh, bestående av basalt uppvärmd till 600C och genererar 1,5 MW effekt. Ett liknande system planeras för byggnation i den danska staden Sorø, där 41-58% av den lagrade värmen med en kapacitet på 18 MWh kommer att överföras till stadens fjärrvärme och 30-41% som el.
Hur man beräknar återbetalningen av solvärme
Med hjälp av tabellen nedan kan du räkna ut hur mycket dina uppvärmningskostnader kommer att minska vid användning av solfångare, hur länge detta system kan löna sig och vilka fördelar som kan erhållas under olika driftsperioder. Denna modell utvecklades för Primorsky Krai, men kan också användas för att uppskatta användningen av solvärme i Khabarovsk Krai, Amur Oblast, Sakhalin, Kamchatka och södra Sibirien.I det här fallet kommer solfångare att ha mindre effekt i december-januari på högre breddgrader, men de totala fördelarna blir inte mindre med tanke på den längre eldningssäsongen.
I den första tabellen anger du parametrarna för ditt hus, värmesystem och energipriser. Alla fält som är markerade med grönt kan modifieras och simulera ett befintligt eller planerat hus.
Ange först det uppvärmda området i ditt hus i den första kolumnen.
Utvärdera sedan kvaliteten på byggnadens värmeisolering och uppvärmningsmetoden genom att välja lämpliga värden.
Ange antalet familjemedlemmar och förbrukningen av varmvatten - detta kommer att hjälpa till att utvärdera fördelarna med varmvattenförsörjning av solfångare.
Ange priser för din vanliga värmeenergikälla - el, diesel eller kol.
Ange värdet av den vanliga inkomsten för en familjemedlem som är engagerad i uppvärmning i ditt hushåll. Detta hjälper till att uppskatta arbetskostnaderna för eldningssäsongen och spelar en särskilt viktig roll för fastbränslesystem, där det är nödvändigt att ta med och lossa kol, kasta det i ugnen, kasta aska etc.
Priset på solfångarsystemet bestäms automatiskt, baserat på de byggnadsparametrar du anger. Detta pris är ungefärligt - de faktiska installationskostnaderna och parametrarna för solvärmeutrustning kan skilja sig och beräknas av specialister individuellt i varje fall.
I kolumnen "Installationskostnader" kan du ange kostnaden för utrustning och installation av ett traditionellt värmesystem - befintligt eller planerat
Om systemet redan är installerat kan du ange "0".
Var uppmärksam på utgifterna för eldningssäsongen och jämför med dina vanliga utgifter. Om de är olika, försök sedan ändra inställningarna.
I kolumnen "Uppvärmningskostnader per säsong" tar koleldade värmesystem hänsyn till det monetära värdet av arbetskostnaderna. Om du inte vill ta hänsyn till dem kan du minska värdet på inkomsten för en familjemedlem som är involverad i uppvärmning. Arbetskostnader beaktas i mindre utsträckning för flytande bränslesystem och beaktas inte för elpannsystem. Justering av solfångarna sker automatiskt och kräver inte konstant uppmärksamhet.
I kolumnen "Lifetime" är standardvärdet 20 år - detta är den vanliga livslängden för solvärmesystem med solfångare. Beroende på driftsförhållandena kan solfångare hålla längre än denna period. Du kan ändra livslängden och grafen nedan kommer att spegla skillnaden mellan installations- och underhållskostnader och fördelarna med att använda solfångare för uppvärmning. Därmed kommer du att se hur mycket uppvärmningskostnaderna kommer att minska och hur länge denna skillnad gör det möjligt att få tillbaka kostnaderna för att installera solfångare.
De slutliga resultaten är ungefärliga, men ger en god uppfattning om hur mycket ett solvärmesystem kan kosta och hur länge det kan betala sig självt.
Observera att kostnaderna för eldningssäsongen kan reduceras avsevärt genom att använda solfångare, golvvärmesystem och förbättra byggnadens värmeisolering. Dessutom kan uppvärmningskostnaderna minskas om byggnaden är designad i förväg för användning av solvärme och med miljövänliga hustekniker.
svetdv.ru
Vad är solvärme
Sedan urminnes tider har människor varit väl medvetna om solens roll i deras liv. I nästan alla nationer fungerade den som den främsta eller en av de viktigaste gudarna, och gav liv och ljus till allt levande. Idag har mänskligheten en mycket bättre uppfattning om var solens värme kommer ifrån.
Ur vetenskapens synvinkel är vår sol en gul stjärna, som är ljuskällan för hela vårt planetsystem.Den hämtar sin energi från kärnan - den centrala delen av en enorm varm boll, där termonukleära fusionsreaktioner av ofattbar kraft äger rum vid en temperatur som mäts i miljoner grader. Kärnans radie är inte mer än en fjärdedel av solens totala radie, men det är i kärnan som strålningsenergi genereras, varav en liten bråkdel räcker för att stödja liv på vår planet.
Den frigjorda energin kommer in i solens yttre skikt genom konvektionszonen och når fotosfären - stjärnans utstrålande yta. Temperaturen på fotosfären närmar sig 6 000 grader, det är den som omvandlar och sänder ut den strålningsenergi som vår planet tar emot i rymden. Faktum är att vi lever på grund av den gradvisa, långsamma förbränningen av stjärnplasman som utgör solen.
Spektral sammansättning av solstrålning
Våglängdsintervallet mellan 0,1 och 4 mikron står för 99 % av solstrålningens totala energi. Endast 1 % återstår för strålning med kortare och längre våglängder, ner till röntgen och radiovågor.
Synligt ljus upptar ett smalt intervall av våglängder, endast från 0,40 till 0,75 mikron. Detta intervall innehåller dock nästan hälften av all solstrålningsenergi (46%). Nästan samma mängd (47%) finns i infraröda strålar, och de återstående 7% är i ultraviolett.
Inom meteorologin är det brukligt att skilja mellan kortvågig och långvågig strålning. Kortvågig strålning kallas strålning i våglängdsområdet från 0,1 till 4 mikron. Den inkluderar, förutom synligt ljus, den ultravioletta och infraröda strålningen närmast den i våglängder. Solstrålning är 99 % sådan kortvågsstrålning. Långvågig strålning omfattar strålning av jordens yta och atmosfär med våglängder från 4 till 100-120 mikron.
Intensiteten av direkt solstrålning
Strålning som kommer till jordytan direkt från solskivan kallas för direkt solstrålning, i motsats till strålning som sprids i atmosfären. Solstrålning utbreder sig från solen i alla riktningar. Men avståndet från jorden till solen är så stort att direkt strålning faller på vilken yta som helst på jorden i form av en stråle av parallella strålar som utgår, så att säga, från oändligheten. Även jordklotet som helhet är så litet i jämförelse med avståndet från solen att all solstrålning som faller på den kan betraktas som en stråle av parallella strålar utan märkbara fel.
Inflödet av direkt solstrålning till jordytan eller till någon högre nivå i atmosfären kännetecknas av strålningsintensiteten jag, d.v.s. mängden strålningsenergi som kommer in per tidsenhet (en minut) per ytenhet (en kvadratcentimeter) vinkelrätt mot solens strålar.
Ris. 1. Inflödet av solstrålning till ytan vinkelrätt mot strålarna (AB), och på en horisontell yta (AC).
Det är lätt att förstå att en enhetsyta placerad vinkelrätt mot solens strålar kommer att få maximalt möjliga mängd strålning under givna förhållanden. En enhet för horisontell area kommer att ha en mindre mängd strålningsenergi:
I' = I sinh
var h är solens höjd (fig. 1).
Alla typer av energi är ömsesidigt likvärdiga. Därför kan strålningsenergi uttryckas i enheter av vilken energi som helst, till exempel i termisk eller mekanisk. Det är naturligt att uttrycka det i termiska enheter, eftersom mätinstrument är baserade på den termiska effekten av strålning: strålningsenergi, nästan helt absorberad i enheten, omvandlas till värme, som mäts. Således kommer intensiteten av direkt solstrålning att uttryckas i kalorier per kvadratcentimeter per minut (cal/cm2min).
Kraftproduktion
Solenergi fungerar genom att omvandla solljus till elektricitet.Detta kan ske antingen direkt, med hjälp av solceller, eller indirekt, med hjälp av koncentrerade solenergisystem, där linser och speglar samlar solljus från ett stort område till en tunn stråle, och en spårningsmekanism spårar solens position. Solceller omvandlar ljus till elektricitet med hjälp av den fotoelektriska effekten.
Solenergi förväntas bli den största elkällan år 2050, med solceller och koncentrerad solenergi som står för 16 % respektive 11 % av den globala elproduktionen.
Kommersiella kraftverk som använder koncentrerad solenergi dök upp först på 1980-talet. Efter 1985 blev en SEGS-installation på 354 MW av denna typ i Mojaveöknen (Kalifornien) det största solkraftverket i världen. Andra solkraftverk av denna typ inkluderar Solnova (150 MW) och Andasol (100 MW), båda i Spanien. Bland de största solcellskraftverken (engelska) finns Agua Caliente Solar Project (250 MW) i USA och Charanka Solar Park (221 MW) i Indien. Projekt över 1 GW är under utveckling, men de flesta solcellsanläggningar upp till 5 kW är små och takterrass. Från och med 2013 stod solenergi för mindre än 1 % av elen i det globala nätet.
Typer av solstrålning
I atmosfären absorberas solstrålningen på sin väg mot jordytan delvis, och delvis spridd och reflekteras från moln och jordytan. Tre typer av solstrålning observeras i atmosfären: direkt, diffus och total.
Direkt solstrålning - strålning som kommer till jordens yta direkt från solens skiva. Solstrålning utbreder sig från solen i alla riktningar. Men avståndet från jorden till solen är så stort att direkt strålning faller på vilken yta som helst på jorden i form av en stråle av parallella strålar som utgår, så att säga, från oändligheten. Även hela jordklotet som helhet är så litet i jämförelse med avståndet till solen att all solstrålning som faller på den kan betraktas som en stråle av parallella strålar utan märkbara fel.
Endast direkt strålning når atmosfärens övre gräns. Cirka 30 % av den strålning som infaller på jorden reflekteras i yttre rymden. Syre, kväve, ozon, koldioxid, vattenånga (moln) och aerosolpartiklar absorberar 23 % av direkt solstrålning i atmosfären. Ozon absorberar ultraviolett och synlig strålning. Trots att innehållet i luften är mycket litet absorberar det all ultraviolett strålning (cirka 3%)
Den observeras alltså inte alls på jordens yta, vilket är mycket viktigt för livet på jorden.
Direkt solstrålning på sin väg genom atmosfären sprids också. En partikel (droppe, kristall eller molekyl) av luft, som är i vägen för en elektromagnetisk våg, "extraherar" kontinuerligt energi från den infallande vågen och återutstrålar den i alla riktningar och blir en energisändare.
Cirka 25 % av energin av det totala solstrålningsflödet som passerar genom atmosfären skingras av atmosfäriska gasmolekyler och aerosol och omvandlas i atmosfären till spridd solstrålning. Spridd solstrålning är alltså solstrålning som har genomgått spridning i atmosfären. Spridd strålning kommer till jordens yta inte från solskivan, utan från hela himlavalvet. Spridd strålning skiljer sig från direkt strålning i sin spektrala sammansättning, eftersom strålar med olika våglängder sprids i olika grad.
Eftersom den primära källan till diffus strålning är direkt solstrålning, beror flödet av diffus strålning på samma faktorer som påverkar flödet av direkt strålning. I synnerhet ökar flödet av spridd strålning när solens höjd ökar och vice versa.Den ökar också med en ökning av antalet spridande partiklar i atmosfären, d.v.s. med en minskning av atmosfärens transparens, och minskar med höjden över havet på grund av en minskning av antalet spridande partiklar i de överliggande lagren av atmosfären. Molnighet och snötäcke har ett mycket stort inflytande på diffus strålning, som på grund av spridningen och reflektionen av den direkta och diffusa strålningen som infaller på dem och deras återspridning i atmosfären kan öka den diffusa solstrålningen med flera gånger.
Spridd strålning kompletterar avsevärt direkt solstrålning och ökar avsevärt flödet av solenergi till jordens yta. Dess roll är särskilt stor på vintern på höga breddgrader och i andra regioner med hög molnighet, där andelen diffus strålning kan överstiga andelen direkt strålning. Till exempel, i den årliga mängden solenergi, står spridd strålning för 56 % i Archangelsk och 51 % i St. Petersburg.
Total solstrålning är summan av flödena av direkt och diffus strålning som kommer till en horisontell yta. Före soluppgången och efter solnedgången, samt på dagtid med kontinuerlig molnighet, är den totala strålningen helt, och på låga höjder av solen består den huvudsakligen av spridd strålning. På en molnfri eller lätt molnig himmel, med en ökning av solens höjd, ökar andelen direkt strålning i sammansättningen av totalen snabbt och på dagtid är dess flöde många gånger större än flödet av spridd strålning. Molnighet försvagar i genomsnitt den totala strålningen (med 20-30%), men med partiell molnighet som inte täcker solskivan kan dess flöde vara större än med en molnfri himmel. Snötäcket ökar avsevärt flödet av total strålning genom att öka flödet av spridd strålning.
Den totala strålningen, som faller på jordens yta, absorberas mestadels av det övre jordlagret eller ett tjockare lager av vatten (absorberad strålning) och omvandlas till värme och reflekteras delvis (reflekterad strålning).
Termiska bälten
Beroende på mängden solstrålning som kommer in på jordens yta urskiljs 7 termiska zoner på jordklotet: heta, två måttliga, två kalla och två zoner med evig frost. Gränserna för termiska zoner är isotermer. Det varma bältet avgränsas av genomsnittliga årliga isotermer på +20°С från norr och söder (fig. 9). Två tempererade zoner norr och söder om den varma zonen begränsas från ekvatorsidan av en genomsnittlig årlig isoterm på +20 ° С, och från sidan av höga breddgrader av en isoterm på +10 ° С (medellufttemperaturen på de varmaste månaderna är juli på norra och januari på södra halvklotet). Den norra gränsen sammanfaller ungefär med gränsen för skogsutbredning. De två kalla zonerna norr och söder om den tempererade zonen på norra och södra halvklotet ligger mellan +10°C och 0°C isotermerna för den varmaste månaden. De två bältena av evig frost avgränsas av 0°C isotermen för den varmaste månaden från de kalla bälten. Den eviga snöns och isens rike sträcker sig till nord- och sydpolen.
Mätresultat av direkt solstrålning
Med atmosfärens transparens oförändrad beror intensiteten av direkt solstrålning på atmosfärens optiska massa, d.v.s. i slutändan på solens höjd. Därför måste solstrålningen under dagen först öka snabbt, sedan långsammare från soluppgång till middag, och först långsamt, sedan snabbt minska från middag till solnedgång.
Men insynen i atmosfären under dagen varierar inom vissa gränser. Därför visar kurvan för strålningsförloppet dagtid, även på en helt molnfri dag, vissa oregelbundenheter.
Skillnader i strålningsintensitet vid middagstid beror främst på skillnader i solens middagshöjd, som är lägre på vintern än på sommaren. Minsta intensitet på tempererade breddgrader inträffar i december, då solen är som lägst. Men den maximala intensiteten är inte under sommarmånaderna, utan på våren.Faktum är att på våren är luften minst grumlig av kondensprodukter och lite dammig. På sommaren ökar dammet och halten vattenånga i atmosfären ökar också, vilket minskar strålningsintensiteten något.
De maximala direktstrålningsintensitetsvärdena för vissa punkter är följande (i cal/cm2min): Tiksi Bay 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moskva 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostok 1, 46,52, Tash.
Det kan ses från dessa data att de maximala värdena för strålningsintensiteten växer mycket lite med minskande geografisk latitud, trots ökningen av solens höjd. Detta förklaras av en ökning av fukthalten, och delvis av luftdammning på sydliga breddgrader. Vid ekvatorn överstiger de maximala strålningsvärdena inte mycket sommarmaxima för tempererade breddgrader. I den torra luften i subtropiska öknar (Sahara) observerades dock värden upp till 1,58 cal/cm2 min.
Med höjd över havet ökar de maximala strålningsvärdena på grund av en minskning av atmosfärens optiska massa på samma höjd av solen. För varje 100 m höjd ökar strålningsintensiteten i troposfären med 0,01-0,02 cal/cm2 min. Vi har redan sagt att de maximala värdena för strålningsintensitet som observeras i bergen når 1,7 cal/cm2 min och mer.