АНАЛІЗ ІНТЕНСИВНОСТІ СОНЯЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Внаслідок термоядерних реакцій Сонце виділяє величезну енергію. Потік її становить 37-1026 Вт. З цієї кількості енергії на Землю потрапляє лише 1,2-10 17 Вт теплової енергії. Приблизно 7 % загальної сонячної радіації посідає ультрафіолетовий діапазон, 47,3 % - спектр видимого світла, і 45,7 % посідає інфрачервоне випромінювання.
Потік сонячного випромінювання межі верхніх шарів атмосфери становить 1353 Вт/м2. Ця величина називається сонячною постійною та змінюється на ±3,4 % протягом року в залежності від відстані від Землі до Сонця (рис. 1.1).
При проходженні через шари атмосфери частина сонячного випромінювання поглинається та розсіюється. Щільність потоку сонячного випромінювання на широтах, близьких до екватора, дорівнює 1 кВт/м2 [1]. Середня щільність потоку сонячного випромінювання у більшості регіонів світу становить 200-250 Вт/м2. З погляду наявного енергетичного ресурсу це дуже багато.
Крім повної енергії (тобто сонячної постійної) сонячного випромінювання потрібно знати його спектральний розподіл. На основі висотних та космічних вимірювань побудовано стандартну криву поверхневої щільності монохроматичного потоку випромінювання (рис. 1.2)
123456789 10 11 12
Залежність позаземного сонячного випромінювання від пори року
Стандартна крива поверхневої густини монохроматичного потоку випромінювання залежно від довжини хвилі
[2], що відповідає середній відстані між Землею та Сонцем при сонячній постійній 1353 Вт/м2 [3, 4].
Дані інтенсивності сонячної радіації можуть бути представлені в наступному вигляді [5]:
- за середньою добою, що становить місяць, тобто метеорологічні дані усереднюються за кожну годину місяця, і так складаються середня доба;
- за середньомісячними значеннями, тобто обчислюється одне середньомісячне значення параметра і воно використовується для всіх годин доби місяця;
- за середньодобовими значеннями, тобто для кожної доби місяця обчислюється середнє значення, яке використовується для всіх годин цієї доби;
- по «типовому року», т. е. розрахунок виконується за реальними даними кожної години всіх днів року, має статистичні характеристики, які з середніми і багаторічними.
Положення деякої точки А на земній поверхні щодо сонячних променів в даний момент часу визначається трьома основними кутами: широтою місцевості порівн., годинним кутом з і відміненням Сонця 8.
Кут падіння променів на горизонтальну поверхню (Р = 0 де р - кут нахилу поверхні до горизонту) визначається за формулою:
cos і = cos 8 cos cp cos зі + sin 8 sin ф.
Кут падіння променів на вертикальну поверхню (Р = 90 °):
cost = cos8 (віпф cosan cos зі + sinan sin co) - sin8 совф cosan,
де an – азимут поверхні.
Для похилої поверхні з південною орієнтацією (ап = 0°) маємо:
cosi = віп(ф – Р) sin8 + cos (ф – Р) cos8 соеф.
У роботі [5] було показано, що для досягнення необхідної точності в розрахунках систем сонячного теплопостачання можна використовувати усереднену за певний період інтенсивність сонячної радіації. Насправді, зазвичай, застосовується метод, заснований на середньомісячних значеннях інтенсивності сонячної радіації. Для розрахунків річних характеристик рекомендується використовувати метеорологічні дані «типового року». Дослідження показують, що місячні суми сонячної радіації на горизонтальну поверхню змінюються рік у рік, проте їх середні багаторічні значення є стійкими [7-9].
Для оцінки сумарної сонячної радіації користуються різними розрахунковими виразами. Формула Ангстрема пов'язує відносне значення середньомісячного денного надходження сонячного випромінювання на горизонтальну поверхню з дійсною та можливою тривалістю сонячного сяйва у регіоні [10].
Більш зручним для вирішення практичних завдань є рівняння Блека, яке побудоване за тим самим принципом. Конкретні розрахункові рівняння наведено у роботах [10-13]. Огляд методів оцінки сонячної радіації викладено у роботі [7].