Суточные и сезонные колебания солнечной радиации

Чтобы обосновать целесообразность использования солнечного излучения, необходимо оценить общую энергию, получаемую на поверхности Земли в данное время дня или года. При этом мы должны учитывать вклад рассеянной компоненты излучения в общем объеме энергии. Интенсивность же прямой составляющей рассчитывается, как указывалось выше, с учетом временных колебаний воздушной массы и изменений пути лучей в атмосфере. Точность подобного расчета в значительной мере зависит от состояния атмосферы, ее загрязненности, тумана, облачности и т. д. Перечисленные явления обычно способствуют уменьшению прямой составляющей, так как обусловливают поглощение и рассеяние, однако при этом рассеянная компонента может значительно возрасти. При достаточно плотной облачности до Земли доходит лишь рассеянная компонента излучения.

Наилучшим методом оценки мощности солнечной радиации является непосредственное долговременное измерение ее интенсивности в различных зонах земного шара. В настоящее время уже существует несколько метеорологических станций, на которых непрерывно регистрируется интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности (иногда ее неудачно называют инсоляцией). Таких станций пока еще слишком мало, чтобы можно было составить общую картину распределения интенсивности солнечной радиации по всему земному шару, но по мере повышения значимости получаемых ими данных число таких станций будет расти.

Однако и сейчас мы можем провести некоторые ориентировочные расчеты. Прежде всего рассмотрим местность с преобладающей безоблачной атмосферой, то есть с наибольшим значением интенсивности излучения, так как подобные районы создают самые благоприятные условия для использования солнечной энергии в крупных масштабах. В предыдущих разделах мы уже говорили о способах оценки интенсивности солнечного излучения для горизонтальной поверхности в любой точке земного шара. Для любого времени суток, заданного углом τ, из уравнения (2.3) мы получаем высоту Солнца h. Интенсивность прямого излучения I определяется исходя из величины воздушной массы, которая пропорционально I/sin h. Интенсивность для любой данной поверхности равна I cos i, а для горизонтальной - I sin h. Одновременно по известному значению h можно оценить вклад рассеянной компоненты D.

На рис. 13 показано изменение интенсивности солнечного излучения со временем после полудня для широты центральной Англии (φ = 52°). Эти кривые соответствуют летнему и зимнему солнцестояниям. Площадь, ограниченная кривой, соответствует полной энергии излучения, получаемой за весь день; сравнивая эти две кривые, мы можем оценить максимальное и минимальное количества энергии за год.

Рис. 13. Интенсивность солнечного излучения на горизонтальной поверхности при безоблачной атмосфере (φ = 52° с. ш.)

Результаты подобных расчетов для других широт приведены в табл. 1. Для каждого случая указаны два значения: первое соответствует только прямой составляющей излучения, а второе (в скобках) учитывает вклад рассеянной составляющей. За единицу энергии здесь также принят кВт*ч.

Таблица 1. Инсоляция на различных широтах для чистой атмосферы

Как мы уже говорили раньше, на экваторе интенсивность солнечного излучения достигает максимума при равноденствии, когда азимут Солнца в течение всего дня равен 90° - оно как бы висит над головой. В период летнего и зимнего солнцестояний интенсивность солнечного излучения на экваторе минимальна.

Общее количество солнечного излучения за год определяют путем суммирования суточных данных. Изменение солнечной радиации в течение года описывается кривой, по форме, близкой к синусоиде, максимум и минимум которой распределены симметрично в двух полугодиях. В последней колонке табл. 1 приведены приблизительные годовые значения солнечной энергии для горизонтальной поверхности в условиях безоблачной атмосферы.

Из табл. 1 видно, что дневное количество солнечного излучения максимально не на экваторе, а вблизи широты 40°. Подобный факт также является следствием наклона земной оси к плоскости ее орбиты. Как показывает рис. 8, в период летнего солнцестояния Солнце в тропиках почти весь день находится над головой, и продолжительность светового дня (13,5 ч) здесь больше, чем на экваторе. С повышением широты продолжительность дня возрастает, и хотя интенсивность солнечного излучения при этом уменьшается, максимальное значение дневной инсоляции приходится на широту около 40° и остается почти постоянным (для условий безоблачного неба) вплоть до полярного круга. С другой стороны, интенсивность солнечного излучения в зимнее время с повышением широты резко падает, поэтому полное его количество за год в районе полярного круга составляет лишь половину его значения на экваторе.

Следует подчеркнуть, что данные табл. 1 справедливы лишь для чистой атмосферы. С учетом облачности и загрязнений атмосферы промышленными отходами, характерных для многих стран мира, приведенные в таблице величины следует уменьшить по крайней мере вдвое. Например, для Англии годовое количество солнечной радиации составляет лишь 900 ^кВт*ч/_м² вместо 1700 ^кВт*ч/_м² (табл. 1).