Интенсивность солнечной радиации

Одним из препятствий широкому использованию солнечной энергии является низкая интенсивность солнечной радиации даже при наилучших атмосферных условиях.

В гл. 2 мы узнали, как подсчитать интенсивность солнечного излучения в любой точке земного шара для любого времени суток и года. Около полудня в тропиках на освещенной поверхности коллектора она достигает 1 ^кВт/_м². Но и в этих идеальных условиях многие из рассмотренных нами устройств, предназначенных для преобразования солнечной энергии в другие более удобные для практического применения виды, дают на выходе не больше 150 ^Вт/_м². Ежедневное же количество получаемой таким способом энергии не превышает 0,5-1 ^кВт*ч/_м². Необходимость использования коллекторов огромных размеров делает такой способ преобразования неэкономичным и ограничивает его возможности удовлетворением относительно небольших энергетических потребностей местного значения. В наиболее развитых странах ежедневная энергетическая потребность на душу населения составляет около, 50 кВт*ч (см. гл. 1). Следовательно, чтобы обеспечить энергией город с населением порядка 100 тыс. человек даже при наиболее эффективном методе преобразования солнечной энергии, нужны коллекторы общей площадью около 5 км². Подобных размеров установка заняла бы всю территорию такого города (даже при плотности застройки, соответствующей прежним образцам градостроительства). При размещении коллекторов вокруг такого города они образовали бы кольцо шириной в сотни метров. Во многих частях земного шара с менее благоприятными климатическими условиями скорость потребления энергии превышает скорость поступления солнечной энергии на всей земной поверхности, включая и необитаемые районы.

Предлагались проекты размещения солнечных коллекторов вдоль шоссейных и железных дорог, то есть там, где они не помешают использованию солнечной радиации в сельском хозяйстве. Казалось бы, в развитых странах таким путем можно получить значительные количества энергии. Возможно, подобные проекты и будут когда-нибудь реализованы, однако в обозримом будущем энергию в этих странах будут по-прежнему получать другими методами, без использования солнечного излучения.

В развивающихся же аграрных странах с их более скромными энергетическими запросами перспективы применения солнечной энергии весьма разнообразны. Солнечные энергоустановки в таких условиях могли бы успешно конкурировать с источниками энергии других типов. Известен опыт успешного применения здесь солнечных водонагревателей. Как мы видели в гл. 5, даже в развитых странах солнечный водонагреватель мог бы полностью обеспечить горячей водой обычный жилой дом, причем необходимая площадь коллектора оказывается несколько меньше крыши дома. Миллионы подобных устройств успешно прошли испытания.

Существует бесчисленное множество хозяйственных задач местного значения, которые из-за отсутствия энергии в настоящее время либо совсем не решаются, либо выполняются с применением ручного труда или с помощью животных; их осуществление оказалось бы вполне возможным с использованием солнечных установок, имеющих коллекторы площадью несколько десятков или сотен квадратных метров. Внедрение таких устройств имеет важное экономическое значение, хотя, как любое новое дело, и сопряжено с определенными трудностями, которые мы кратко рассмотрим несколько позже. Основное препятствие к широкому практическому использованию солнечной энергии заключается в значительных сезонных и суточных колебаниях интенсивности солнечной радиации и отсутствие ее в течение большей части суток.

Непостоянство интенсивности солнечной радиации относится к числу важнейших ее особенностей, с которыми приходится считаться при использовании солнечной энергии. С помощью рассмотренных в гл. 2 методов мы можем оценить дневные изменения интенсивности солнечного излучения в условиях безоблачной атмосферы и выделить период времени, на протяжении которого солнечная радиация практически отсутствует. В ряде случаев некоторые колебания выходной мощности солнечной установки вполне допустимы. Например, при использовании преобразователей солнечной энергии для орошения засушливых районов непостоянство солнечной радиации не только не является серьезным препятствием к применению подобных установок, но и достаточно хорошо согласуется с запросами потребителя. Но такие случаи редки, гораздо чаще требуется обеспечить постоянный уровень выходной мощности установки. Тогда избыточную энергию, поступающую днем, необходимо аккумулировать, чтобы затем использовать ее в ночное время. Некоторые примеры такого построения систем с солнечными установками мы уже рассматривали в гл. 5.

Как мы видели в гл. 2, большая продолжительность летнего дня в более высоких широтах в известной мере компенсирует меньшую высоту солнца, поэтому в значительной полосе широт дневная инсоляция в летнее время практически постоянна. Однако, как показывают измерения интенсивности солнечного излучения, летом возможны существенные колебания инсоляции даже на одной и той же широте. Это обусловлено облачностью. Известно, что в определенных областях земного шара, в частности в обширных прибрежных районах, облачность значительно выше, чем в глубине континента, а ее влияние трудно учесть вследствие различных размеров облаков и изменения протяженности облачности в целом. Фотографии, полученные с искусственных спутников Земли, показывают, что образование облачности в любом районе земного шара связано с движением воздушных масс. В любой конкретной местности изменения солнечной радиации зависят от мельчайших структурных деталей облачности, которые в лучшем случае можно предсказать лишь на основе статистической обработки результатов многолетних наблюдений.

Рис. 82. Влияние облачности на инсоляцию

Исследование абсорбционных характеристик воды (см. рис. 77) приводит к выводу, что Облака поглощают лишь незначительную долю солнечной энергии (в противном случае, они испарились бы). Часть падающей на облако радиации рассеивается содержащимися в нем мельчайшими капельками воды, остальная- проходит через облако. Радиация Частично рассеивается вверх, но в основном рассеянное излучение вместе с прямой составляющей достигает нижних слоев облака. Таким образом, общее количество попадающей на землю радиации зависит от толщины облака и размера водяных капель и может составлять от 10 до 100% падающей энергии. По этой причине невозможно установить простую зависимость инсоляции от степени облачности с (если оценивать ее по наблюдениям с Земли). Многие попытки определить связь между уровнем инсоляции и особенностями погоды в той или иной местности оказались почти безуспешными. На рис. 82 показана простейшая приблизительная зависимость инсоляции от степени облачности (под с понимается часть занятого облаками небесного пространства без учета толщины и типа облачности). Такая усредненная, пригодная для ориентировочных расчетов кривая достаточно точно описывается уравнением

С увеличением облачности инсоляция уменьшается незначительно, поскольку основная часть рассеянной радиации вместе с прямой составляющей солнечного излучения достигает поверхности земли. Даже в условиях сплошной облачности на землю в среднем передается около половины падающей солнечной радиации.

Рис. 83. Годовое изменение инсоляции, φ = 23,5° с. ш

Тем не менее облачность оказывает довольно существенное влияние. Даже среднемесячное значение инсоляции иногда существенно изменяется от одного района к другому и от года к году. На рис. 83 представлены кривые наибольших и наименьших месячных значений инсоляции для тропических районов (широта 23,5°). Поскольку колебания интенсивности солнечной радиации достигают 50% и более, прежде чем приступить к созданию какой-либо системы с использованием солнечной энергии, в районе установки предполагаемой системы необходимо провести тщательные и продолжительные наблюдения климатических условий. Такие наблюдения должны предшествовать широкому внедрению в практику солнечных энергетических систем.