Распределение мощности излучения в солнечном спектре. Спектральный диапазон электромагнитного излучения солнца. Параметры солнечного излучения

ЛЕКЦИЯ 2.

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ.

План:

1.Значение солнечной радиации для жизни на Земле.

2. Виды солнечной радиации.

3. Спектральный состав солнечной радиации.

4. Поглощение и рассеивание радиации.

5.ФАР (фотосинтетически активная радиация).

6. Радиационный баланс.

1. Основным источником энергии на Земле для всего живого (растений, животных и человека) является энергия солнца.

Солнце представляет собой газовый шар радиусом 695300км. Радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли (экваториальный 6378,2км, полярный 6356,8км). Солнце состоит в основном из водорода (64%) и гелия (32%). На долю остальных приходится всего 4% его массы.

Солнечная энергия является основным условием существова­ния биосферы и одним из главных климатообразующих факто­ров. За счет энергии Солнца воздушные массы в атмосфере не­прерывно перемещаются, что обеспечивает постоянство газово­го состава атмосферы. Под действием солнечной радиации ис­паряется огромное количество воды с поверхности водоемов , почвы, растений. Водяной пар, переносимый ветром с океанов и морей на материки, является основным источником осадков для суши.

Солнечная энергия - непременное условие существования зеленых растений, превращающих в процессе фотосинтеза сол­нечную энергию в высокоэнергетические органические веще­ства.

Рост и развитие растений представляют собой процесс усвоения и переработки солнечной энергии, поэтому сельскохозяйственное производство возможно только при условии поступления солнечной энергии на поверхность Земли. Русский ученый писал: « Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, солнечного света, целую речку чистой воды, попросите, чтобы из всего этого он приготовил вам сахар, крахмал, жиры и зерно, и он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях растений под действием энергии Солнца». Подсчитано, что 1 кв. метр листьев за час продуцирует грамм сахара. В связи с тем, что Земля окружена сплошной оболочкой атмосферы, солнечные лучи, прежде чем достичь поверхности земли, проходят всю толщу атмосферы, которая частично отражает их, частично рассеивает, т. е. изменяет количество и качество солнечного света, поступающего на поверхность земли. Живые организмы чутко реагируют на изменение интенсивности освещенности, создаваемой сол­нечным излучением. Вследствие различной реакции на интен­сивность освещенности все формы растительности делят на све­толюбивые и теневыносливые. Недостаточная освещенность в посевах обусловливает, например, слабую дифференциацию тканей соломины зерновых культур. В результате уменьшаются крепость и эластичность тканей, что часто приводит к полега­нию посевов. В загущенных посевах кукурузы из-за слабой осве­щенности солнечной радиацией ослабляется образование почат­ков на растениях.

Солнечная радиация влияет на химический состав сельскохо­зяйственной продукции. Например, сахаристость свеклы и пло­дов, содержание белка в зерне пшеницы непосредственно зави­сят от числа солнечных дней. Количество масла в семенах под­солнечника, льна также возрастает с увеличением прихода сол­нечной радиации.

Освещенность надземной части растений существенно влия­ет на поглощение корнями питательных веществ. При слабой освещенности замедляется перевод ассимилятов в корни, и в результате тормозятся биосинтетические процессы, происходящие в клетках растений.

Освещенность влияет и на появление, распространение и развитие болезней растений. Период заражения состоит из двух фаз, различающихся между собой по реакции на световой фак­тор. Первая из них - собственно прорастание спор и проникно­вение заразного начала в ткани поражаемой культуры - в боль­шинстве случаев не зависит от наличия и интенсивности света. Вторая - после прорастания спор - наиболее активно проходит при повышенной освещенности.

Положительное действие света сказывается также на скорос­ти развития патогена в растении-хозяине. Особенно четко это проявляется у ржавчинных грибов. Чем больше света, тем коро­че инкубационный период у линейной ржавчины пшеницы, желтой ржавчины ячменя, ржавчины льна и фасоли и т. д. А это увеличивает число генераций гриба и повышает интенсивность поражения. В условиях интенсивного освещения у этого патоге­на возрастает плодовитость

Некоторые заболевания наиболее активно развиваются при недостаточном освещении, вызывающем ослабление растений и снижение их устойчивости к болезням (возбудителям разного рода гнилей, особенно овощных культур).

Продолжительность осве­щения и растения. Ритм сол­нечной радиации (чередова­ние светлой и темной части суток) является наиболее устойчивым и повторяющимся из года в год фактором внешней среды. В результате многолетних исследований физиологами ус­тановлена зависимость перехода растений к генеративному раз­витию от определенного соотношения длины дня и ночи. В свя­зи с этим культуры по фотопериодической реакции можно клас­сифицировать по группам: короткого дня, развитие которых задерживается при продол­жительности дня больше 10ч. Короткий день способствует закладке цветков, а длинный день препятствует этому. К таким культурам относятся соя, рис, просо, сорго, кукуруза и др.;

длинного дня до 12-13час., требующие для своего развития продолжитель­ного освещения. Их развитие ускоряется, когда продолжитель­ность дня составляет около 20 ч. К этим культурам относятся рожь, овес, пшеница, лен, горох, шпинат, клевер и др.;

нейтральные по отношению к длине дня , развитие которых не зависит от продолжительности дня, например томат, гречиха, бобовые, ревень.

Установлено, что для начала цветения растений необходимо преобладание в лучистом потоке определенного спектрального состава. Растения короткого дня быстрее развиваются, когда максимум излучения приходится на сине-фиолетовые лучи, а растения длинного дня - на красные. Продолжительность светлой части суток (астрономическая длина дня) зависит от времени года и географической широты. На экваторе продолжительность дня в течение всего года равна 12 ч ± 30 мин. При продвижении от экватора к полюсам после весеннего равноденствия (21.03) длина дня увеличивается к се­веру и уменьшается к югу. После осеннего равноденствия (23.09) распределение продолжительности дня обратное. В Северном полушарии на 22.06 приходится самый длинный день, продолжительность которого севернее Полярного круга 24 ч. Самый короткий день в Северном полушарии 22.12, а за Полярным кру­гом в зимние месяцы Солнце вообще не поднимается над гори­зонтом. В средних же широтах, например в Москве, продолжи­тельность дня в течение года меняется от 7 до 17,5 ч.

2. Виды солнечной радиации.

Солнечная радиация состоит из трех составляющих: прямой солнечной радиации, рассеянной и суммарной.

ПРЯМАЯ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ S – радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде пучка параллельных лучей. Ее интенсивность измеряется в калориях на см2 в минуту. Она зависит от высоты солнца и состояния атмосферы (облачность, пыль, водяной пар). Годовая сумма прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории Ставропольского края составляет 65-76 ккал/ см2/мин. На уровне моря при высоком положении Солнца (лето, полдень) и хорошей прозрачности прямая солнечная радиация составляет 1,5 ккал/ см2/мин. Это коротковолновая часть спектра. При прохождении потока прямой солнечной радиации через атмосферу происходит его ослабление, вызванное поглощением (около 15 %) и рассеянием (около 25 %) энергии газами, аэрозо­лями, облаками.

Поток прямой солнечной радиации, падающий на горизонтальную поверхность называют инсоляцией S = S sin ho – вертикальная составляющая прямой солнечной радиации.

S – количество тепла, получаемого перпендикулярной к лучу поверхностью,

ho – высота Солнца, т. е. угол, образованный солнечным лучом с горизонтальной поверхностью.

На границе атмосферы интенсивность солнечной радиации составляет So = 1,98 ккал/ см2/мин. – по международному соглашению 1958г. И называется солнечной постоянной. Такой бы она была у поверхности, если бы атмосфера была абсолютно прозрачной.

Рис. 2.1. Путь солнечного луча в атмосфере при разной высоте Солнца

РАССЕЯНАЯ РАДИАЦИЯ D – часть солнечной радиации в результате рассеяния атмосферой уходит обратно в космос, но значительная ее часть поступает на Землю в виде рассеянной радиации. Максимум рассеянной радиации + 1 ккал/ см2/мин. Отмечается при чистом небе, если на нем высокие облака. При пасмурном небе спектр рассеянной радиации сходен с солнечным. Это коротковолновая часть спектра. Длина волны 0,17-4мк.

СУММАРНАЯ РАДИАЦИЯ Q - состоит из рассеянной и прямой радиации на горизонтальную поверхность. Q = S + D .

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией в со­ставе суммарной радиации зависит от высоты Солнца, облачно­сти и загрязненности атмосферы, высоты поверхности над уров­нем моря. С увеличением высоты Солнца доля рассеянной ра­диации при безоблачном небе уменьшается. Чем прозрачнее ат­мосфера и чем выше Солнце, тем меньше доля рассеянной радиации. При сплошной плотной облачности суммарная ради­ация полностью состоит из рассеянной радиации. Зимой вслед­ствие отражения радиации от снежного покрова и ее вторичного рассеяния в атмосфере доля рассеянной радиации в составе сум­марной заметно увеличивается.

Свет и тепло, получаемые растениями от Солнца, - результат действия суммарной солнечной радиации. Поэтому большое значение для сельского хозяйства имеют данные о суммах ради­ации, получаемых поверхностью за сутки, месяц, вегетационный период, год.

Отраженная солнечная радиация. Альбедо . Суммарная радиа­ция, дошедшая до земной поверхности, частично отражаясь от нее, создает отраженную солнечную радиацию (RK), направленную от земной поверхности в атмосферу. Значение отраженной ра­диации в значительной степени зависит от свойств и состояния отражающей поверхности: цвета, шероховатости, влажности и др. Отражательную способность любой поверхности можно ха­рактеризовать величиной ее альбедо (Ак), под которым понимают отношение отраженной солнечной радиации к суммарной. Аль­бедо обычно выражают в процентах:

Наблюдения показывают, что альбедо различных поверхнос­тей изменяется в сравнительно узких пределах (10...30 %), ис­ключение составляют снег и вода.

Альбедо зависит от влажности почвы, с возрастанием которой оно уменьшается, что имеет важное значение в процессе измене­ния теплового режима орошаемых полей. Вследствие уменьше­ния альбедо при увлажнении почвы увеличивается поглощаемая радиация. Альбедо различных поверхностей имеет хорошо выра­женный дневной и годовой ход, обусловленный зависимостью альбедо от высоты Солнца. Наименьшее значение альбедо на­блюдают в околополуденные часы, а в течение года - летом.

Собственное излучение Земли и встречное излучение атмосфе­ры. Эффективное излучение. Земная поверхность как физическое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (-273 °С), является источником излучения, которое называют собственным излучением Земли (Е3). Оно направлено в атмосферу и почти пол­ностью поглощается водяным паром, капельками воды и угле­кислым газом, содержащимися в воздухе. Излучение Земли за­висит от температуры ее поверхности.

Атмосфера, поглощая небольшое количество солнечной ра­диации и практически всю энергию, излучаемую земной поверх­ностью, нагревается и, в свою очередь, также излучает энергию. Около 30 % атмосферной радиации уходит в космическое про­странство, а около 70 % приходит к поверхности Земли и назы­вается встречным излучением атмосферы (Еа).

Количество энергии, излучаемое атмосферой, прямо пропор­ционально ее температуре, содержанию углекислого газа, озона и облачности.

Поверхность Земли поглощает это встречное излучение по­чти целиком (на 90...99 %). Таким образом, оно является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощаемой солнечной радиации. Это влияние атмосферы на тепловой режим Земли называют парниковым или оранжерейным эффектом вследствие внешней аналогии с действием стекол в парниках и оранжереях. Стекло хорошо пропускает солнечные лучи, нагревающие почву и растения, но задерживает тепловое излучение нагревшейся почвы и растений.

Разность между собственным излучением поверхности Земли и встречным излучением атмосферы называют эффективным из­лучением: Еэф.

Еэф= Е3-Еа

В ясные и малооблачные ночи эффективное излучение гораз­до больше, чем в пасмурные, поэтому больше и ночное охлажде­ние земной поверхности. Днем оно перекрывается поглощенной суммарной радиацией, вследствие чего температура поверхности повышается. При этом растет и эффективное излучение. Земная поверхность в средних широтах теряет за счет эффективного из­лучения 70...140 Вт/м2, что составляет примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощения солнеч­ной радиации.

3. Спектральный состав радиации.

Солнце, как источник излучения, обладает многообразием испускаемых волн. Потоки лучистой энергии по длине волн условно делят на ко­ротковолновую (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. > 4 мкм) радиа­цию. Спектр солнечной радиации на границе земной атмосферы практически заключается между длинами волн 0,17 и 4 мкм, а земного и атмосферного излучения - от 4 до 120 мкм. Следова­тельно, потоки солнечного излучения (S, D, RK) относятся к ко­ротковолновой радиации, а излучение Земли (£3) и атмосферы (Еа) - к длинноволновой.

Спектр солнечной радиации можно разделить на три каче­ственно различные части: ультрафиолетовую (Y < 0,40 мкм), ви­димую (0,40 мкм < Y < 0,75 мкм) и инфракрасную (0,76 мкм < Y < 4 мкм). До ультрафиолетовой части спектра сол­нечной радиации лежит рентгеновское излучение, а за инфра­красной - радиоизлучение Солнца. На верхней границе атмос­феры на ультрафиолетовую часть спектра приходится около 7 % энергии солнечного излучения, 46 - на видимую и 47 % - на инфракрасную.

Радиацию, излучаемую Землей и атмосферой, называют даль­ней инфракрасной радиацией.

Биологическое действие разных видов радиации на растения различно. Ультрафиолетовая радиация замедляет ростовые про­цессы, но ускоряет прохождение этапов формирования репро­дуктивных органов у растений.

Значение инфракрасной радиации , которая активно поглощается водой листьев и стеблей растений, состоит в ее теп­ловом эффекте, что существенно влияет на рост и развитие рас­тений.

Дальняя инфракрасная радиация производит лишь тепловое действие на растения. Ее влияние на рост и развитие растений несущественно.

Видимая часть солнечного спектра , во-первых, создает осве­щенность. Во-вторых, с областью видимой радиации почти со­впадает (захватывая частично область ультрафиолетовой радиа­ции) так называемая физиологическая радиация (А, = = 0,35...0,75 мкм), которая поглощается пигментами листа. Ее энергия имеет важное регуляторно-энергетическое значение в жизни растений. В пределах этого участка спектра выделяется область фотосинтетически активной радиации.

4. Поглощение и рассеивание радиации в атмосфере.

Проходя через земную атмосферу, солнечная радиация ослабляется вследствие поглощения и рассеяния атмосферными газами и аэрозолями . При этом изменяется и ее спектральный состав. При различной высоте солнца и различной высоте пункта наблюдений над земной поверхностью длина пути, проходимого солнечным лучом в атмосфере, неодинакова. При уменьшении высоты особенно сильно уменьшается ультрафиолетовая часть радиации, несколько меньше – видимая и лишь незначительно – инфракрасная.

Рассеяние радиации в атмосфере происходит главным образом в результате непрерывных колебаний (флуктаций) плотности воздуха в каждой точке атмосферы, вызванных образованием и разрушением некоторых «скоплений» (сгустков) молекул атмосферного газа. Солнечную радиацию рассеивают также частицы аэрозоля. Интенсивность рассеяния характеризуется коэффициентом рассеяния.

К= добавить формулу.

Интенсивность рассеяния зависит от количеств рассеивающих частиц в единице объема, от их размера и природы, а также от длин волн самой рассеиваемой радиации.

Лучи рассеиваются тем сильнее, чем меньше длина волны. Например фиолетовые лучи рассеиваются в 14 раз сильнее красных, этим объясняется голубой цвет неба. Как отмечалось выше (см. разд. 2.2), прямая солнечная ради­ация, проходя через атмосферу, частично рассеивается. В чис­том и сухом воздухе интенсивность коэффициента молекуляр­ного рассеяния подчиняется закону Релея:

к= с/ Y 4 ,

где С - коэффициент, зависящий от числа молекул газа в единице объема; X - длина рассеиваемой волны.

Поскольку длина дальних волн красного света почти вдвое больше длины волн фиолетового света, первые рассеиваются молекулами воздуха в 14 раз меньше, чем вторые. Так как перво­начальная энергия (до рассеяния) фиолетовых лучей меньше, чем синих и голубых, то максимум энергии в рассеянном свете (рассеянной солнечной радиации) смещается на сине-голубые лучи, что и обусловливает голубой цвет неба. Таким образом, рассеянная радиация более богата фотосинтетически активными лучами, чем прямая.

В воздухе, содержащем примеси (мелкие капельки воды, кри­сталлики льда, пылинки и т. д.), рассеяние одинаково для всех участков видимой радиации. Поэтому небо приобретает белесо­ватый оттенок (появляется дымка). Облачные же элементы (крупные капельки и кристаллики) вообще не рассеивают сол­нечные лучи, а диффузно их отражают. В результате облака, ос­вещенные Солнцем, имеют белый цвет.

5. ФАР (фотосинтетическиактивная радиация)

Фотосинтетически активная радиация. В процессе фотосинте­за используется не весь спектр солнечной радиации, а только его

часть, находящаяся в интервале длин волн 0,38...0,71 мкм, - фо­тосинтетически активная радиация (ФАР).

Известно, что видимая радиация, воспринимаемая глазом че­ловека как белый цвет, состоит из цветных лучей: красных, оранжевых, желтых, зеленых, голубых, синих и фиолетовых.

Усвоение энергии солнечной радиации листьями растений селективно (избирательно). Наиболее интенсивно листья погло­щают сине-фиолетовые (X = 0,48...0,40 мкм) и оранжево-крас­ные (X = 0,68 мкм) лучи, менее - желто-зеленые (А. = 0,58...0,50 мкм) и дальние красные (А. > 0,69 мкм) лучи.

У земной поверхности максимум энергии в спектре прямой солнечной радиации, когда Солнце находится высоко, прихо­дится на область желто-зеленых лучей (диск Солнца желтый). Когда же Солнце располагается у горизонта, максимальную энергию имеют дальние красные лучи (солнечный диск крас­ный). Поэтому энергия прямого солнечного света мало участву­ет в процессе фотосинтеза.

Так как ФАР является одним из важнейших факторов про­дуктивности сельскохозяйственных растений, информация о ко­личестве поступающей ФАР, учет ее распределения по террито­рии и во времени имеют большое практическое значение.

Интенсивность ФАР можно измерить, но для этого необходимы специальные светофильтры, пропускающие только волны в диапазоне 0,38...0,71 мкм. Такие приборы есть, но на сети актинометрических станций их не применяют, а измеряют интен­сивность интегрального спектра солнечной радиации. Значение ФАР можно рассчитать по данным о приходе прямой, рассеян­ной или суммарной радиации с помощью коэффициентов, пред­ложенных, X. Г. Тоомингом и:

Qфар = 0,43 S " +0,57 D);

составлены карты распределения месячных и годовых сумм Фар на территории России.

Для характеристики степени использования посевами ФАР применяют коэффициент полезного использования ФАР:

КПИфар= (сумма Q / фар/сумма Q / фар) 100%,

где сумма Q / фар - сумма ФАР, затрачиваемая на фотосинтез за период вегетации расте­ний; сумма Q / фар - сумма ФАР, поступающая на посевы за этот период;

Посевы по их средним значениям КПИФАр разделяют на группы (по): обычно наблюдаемые - 0,5...1,5 %; хорошие-1,5...3,0; рекордные - 3,5...5,0; теорети­чески возможные - 6,0...8,0 %.

6. РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Разность между приходящими и уходящими потоками лучис­той энергии называют радиационным балансом земной поверхнос­ти (В).

Приходная часть радиационного баланса земной поверхности днем состоит из прямой солнечной и рассеянной радиации, а также излучения атмосферы. Расходной частью баланса являют­ся излучение земной поверхности и отраженная солнечная ра­диация:

B = S / + D + Ea - Е3- Rk

Уравнение можно записать и в другом виде: B = Q - RK - Еэф.

Для ночного времени уравнение радиационного баланса име­ет следующий вид:

В = Еа - Е3, или В = -Еэф.

Если приход радиации больше, чем расход, то радиационный баланс положительный и деятельная поверхность* нагревается. При отрицательном балансе она охлаждается. Летом радиацион­ный баланс днем положительный, а ночью - отрицательный. Переход через ноль происходит утром примерно через 1 ч после восхода Солнца, а вечером за 1...2 ч до захода Солнца.

Годовой радиационный баланс в районах, где устанавливает­ся устойчивый снежный покров, в холодное время года имеет отрицательные значения, в теплое - положительные.

Радиационный баланс земной поверхности существенно вли­яет на распределение температуры в почве и приземном слое ат­мосферы, а также на процессы испарения и снеготаяния, обра­зование туманов и заморозков, изменение свойств воздушных масс (их трансформацию).

Знание радиационного режима сельскохозяйственных угодий позволяет рассчитывать количество радиации, поглощенной по­севами и почвой в зависимости от высоты Солнца, структуры посева, фазы развития растений. Данные о режиме необходимы и для оценки разных приемов регулирования температуры и влажности почвы, испарения, от которых зависят рост и разви­тие растений, формирование урожая, его количество и качество.

Эффективными агрономическими приемами воздействия на радиационный, а следовательно, и на тепловой режим деятель­ной поверхности является мульчирование (покрытие почвы тон­ким слоем торфяной крошки, перепревшим навозом, древесны­ми опилками и др.), укрытие почвы полиэтиленовой пленкой, орошение. Все это изменяет отражательную и поглощательную способность деятельной поверхности.

* Деятельная поверхность - поверхность почвы, воды или растительности, которая непосредственно поглощает солнечную и атмосферную радиацию и отда­ет излучение в атмосферу, чем регулирует термический режим прилегающих слоев воздуха и нижележащих слоев почвы, воды, растительности.

Солнечная радиация

излучение Солнца электромагнитной и корпускулярной природы. С. р. - основной источник энергии для большинства процессов, происходящих на Земле. Корпускулярная С. р. состоит в основном из протонов, обладающих около Земли скоростями 300-1500 км /сек . Концентрация их около Земли составляет 5-80 ионов/см 3 , но возрастает при повышении солнечной активности (См. Солнечная активность) и после больших вспышек доходит до 10 3 ионов/см 3 . При солнечных вспышках образуются частицы (главным образом протоны) больших энергий: от 5․10 7 до 2․10 10 эв . Они составляют солнечную компоненту космических лучей (См. Космические лучи) и частично объясняют вариации космических лучей, приходящих на Землю. Основная часть электромагнитного излучения Солнца лежит в видимой части спектра (рис. ). Количество лучистой энергии Солнца, поступающей за 1 мин на площадку в 1 см 2 , поставленную вне земной атмосферы перпендикулярно к солнечным лучам на среднем расстоянии Земли от Солнца, называется солнечной постоянной (См. Солнечная постоянная); она равна 1,95 кал /(см 2 ․мин ), что соответствует потоку в 1,36․10 6 эрг /(см 2 ․сек ).

Предполагают, что при максимуме солнечной активности излучение Солнца несколько увеличивается, однако, если это возрастание и существует, то оно не превышает долей процента. Радиоизлучение Солнца проходит сквозь атмосферу Земли не полностью, т.к. атмосфера Земли в радиодиапазоне прозрачна лишь для волн длиной от нескольких мм до нескольких м . Радиоизлучение Солнца довольно слабо, оно измеряется в единицах Ф = 10 –22 ватт /(м 2 ․сек ․гц ) и меняется от единиц до десятков и сотен тысяч Ф при переходе от метрового диапазона (частоты порядка 10 8 гц ) к миллиметровому диапазону (частоты порядка 10 10 гц ). Однако для земного наблюдателя Солнце, из-за его относительно небольшого расстояния от Земли, является самым мощным источником космического радиоизлучения. Солнечное радиоизлучение состоит из теплового радиоизлучения внешних слоев атмосферы спокойного Солнца, медленно меняющейся компоненты (связанной с пятнами и факелами) и спорадического радиоизлучения, связанного с солнечной активностью. Спорадическое радиоизлучение часто поляризовано, включает в себя шумовые бури и всплески радиоизлучения, оно интенсивней теплового и довольно быстро изменяется. Существует пять типов всплесков радиоизлучения, которые различаются как по частотному составу, так и по характеру зависимости изменений интенсивности от времени. Большинство всплесков сопровождают солнечные вспышки. Коротковолновое излучение Солнца полностью поглощается земной атмосферой; сведения о нём получены с помощью аппаратуры, установленной на геофизических ракетах, искусственных спутниках Земли и космических зондах. Непрерывный спектр Солнца резко ослабевает около 2085 Å, в области 1550 Å исчезают фраунгоферовы линии и, хотя непрерывный спектр можно проследить до 1000 Å, далее 1500 Å спектр состоит в основном из линий излучения (линий водорода, ионизованного гелия, многократно ионизованных атомов углерода, кислорода, магния и др.). Всего в ультрафиолетовой части спектра имеется более 200 линий излучения; наиболее сильна резонансная линия водорода (L α) с длиной волны 1216 Å. У орбиты Земли поток коротковолнового излучения от всего солнечного диска составляет 3-6 эрг /(м 2 ․сек ). Рентгеновское излучение Солнца (длины волн от 100 до 1 Å) состоит из сплошного излучения и излучения в отдельных линиях. Интенсивность его сильно меняется с солнечной активностью [от 0,13 эрг /(м 2 ․сек ) до 1 эрг /(м 2 ․сек ) у орбиты Земли] и в годы максимума солнечной активности спектр рентгеновского излучения становится более жёстким. Во время солнечных вспышек рентгеновское излучение Солнца усиливается в десятки раз. Возрастает и его жёсткость. Хотя ультрафиолетовое и рентгеновское излучения Солнца несут сравнительно немного энергии - менее 15 эрг //(м 2 ․сек ) вблизи орбиты Земли, это излучение очень сильно влияет на состояние верхних слоев земной атмосферы. Обнаружено также солнечное гамма-излучение, но оно изучено ещё недостаточно.

Лит.: Космическая астрофизика, пер. с англ., М., 1962; Ультрафиолетовое излучение Солнца и межпланетная среда. Сб. ст., пер. с англ., М., 1962; Шкловский И. С., Физика солнечной короны, 2 изд., М., 1962; Солнечные корпускулярные потоки и их взаимодействие с магнитным полем Земли. Сб. ст., пер. с англ., М., 1962; Макарова Е. А., Харитонов А. В., Распределение энергии в спектре Солнца и солнечная постоянная, М., 1972. См. также лит. при ст. Солнце .

Э. Е. Дубов.

Кривая зависимости излучаемой энергии I λ от длины волны λ для центра солнечного диска [единица интенсивности 10 13 эрг /(см 2 ․сек ․стер )].

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Солнечная радиация" в других словарях:

Электромагнитное и корпускулярное излучения Солнца. Электромагнитное излучение охватывает диапазон длин волн от гамма излучения до радиоволн, его энергетический максимум приходится на видимую часть спектра. Корпускулярная составляющая солнечной… … Большой Энциклопедический словарь

солнечная радиация - Полный поток электромагнитной радиации, излучаемой Солнцем и попадающий на Землю … Словарь по географии

У этого термина существуют и другие значения, см. Радиация (значения). В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомн … Википедия

Электромагнитное излучение, исходящее от Солнца и поступающее в земную атмосферу. Длины волн солнечной радиации сосредоточены в диапазоне от 0,17 до 4 мкм с макс. на волне 0,475 мкм. Ок. 48 % энергии солнечного излучения приходится на видимую… … Географическая энциклопедия

Все процессы на поверхности земного шара, каковы бы они ни были, имеют своим источником солнечную энергию. Изучаются ли процессы чисто механические, процессы химические в воздухе, воде, почве, процессы ли физиологические или какие бы то ни было… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца. Электромагнитное излучение охватывает диапазон длин волн от гамма излучения до радиоволн, его энергетический максимум приходится на видимую часть спектра. Корпускулярная составляющая солнечной… … Энциклопедический словарь

солнечная радиация - Saulės spinduliuotė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. solar radiation vok. Sonnenstrahlung, f rus. излучение Солнца, n; солнечная радиация, f; солнечное излучение, n pranc. rayonnement solaire, m … Fizikos terminų žodynas

солнечная радиация - Saulės spinduliuotė statusas T sritis ekologija ir aplinkotyra apibrėžtis Saulės atmosferos elektromagnetinė (infraraudonoji 0,76 nm sudaro 45 %, matomoji 0,38–0,76 nm – 48 %, ultravioletinė 0,38 nm – 7 %) šviesos, radijo bangų, gama kvantų ir… … Ekologijos terminų aiškinamasis žodynas

Эл. магн. и корпускулярное излучение Солнца. Эл. магн. излучение охватывает диапазон длин волн от гамма излучения до радиоволн, его энергетич. максимум приходится на видимую часть спектра. Корпускулярная составляющая С. р. состоит гл. обр. из… … Естествознание. Энциклопедический словарь

прямая солнечная радиация - Солнечная радиация, поступающая непосредственно от солнечного диска … Словарь по географии

Самая внешняя часть атмосферы Солнца, состоит из горячей (от 600000К до 5 млн. К) разреженной высокоионизованной плазмы, которая во время полного солнечного затмения видна как яркое гало. Корона простирается на расстояние, во много раз превышающее радиус Солнца, и переходит в межпланетную среду (в несколько десятков радиусов Солнца и постепенно рассеивается в межпланетном пространстве). Протяженность и форма короны изменяются в течение солнечного цикла, главным образом благодаря потокам, образующимся в активных областях. В короне наблюдаются:
Корональные конденсации – плазма в областях активной короны, которая примерно в три раза более плотная нежели в окрестных областях. Среди корональных конденсаций выделяют два вида. Постоянные (спокойные). Средняя температура полтора – два миллиона градусов. Количество горячего вещества в короне возрастает после бурных нестационарных процессов, особенно после солнечных вспышек. На снимках короны с высоким пространственным разрешения корональные конденсации видны в виде совокупности петель, высота которых может достигать 100 000 км (их размеры связанны с размерами связанных с ними групп пятен). Конденсации существуют порядка нескольких суток. Чем сильнее свечение конденсаций в зеленой корональной линии, тем больше их время жизни. Иногда они переживают соответствующие им пятна. Вещество спокойной короны вне активных областей так же сосредоточенно в менее контрастных петлях. Эти петли являются «сгустками» магнитных силовых линий. Отдельные петли оказываются оторванными друг от друга. Причиной этого является препятствие магнитного поля переносу элементарных частиц и энергии поперек силовых линий. В установившемся стационарном состоянии плотность плазмы в петле оказывается тем большей, чем больше выделяется энергии. Кроме постоянных существуют и спорадические корональные конденсации, которые много плотнее постоянных и имеют более высокую температуру выше 3 млн. градусов. Они связаны с солнечными вспышками и существуют не более нескольких часов. Спорадические конденсации состоят из ярких корональных петель. В них усилено свечение желтой и зеленой корональных линий, а также рентгеновских лучей.
Корональные дыры – области спокойной короны в которых петли отсутствуют. Для корональных дыр характерна открытая магнитная конфигурация с замыканием силовых линий далеко в межпланетном пространстве и относительно низкой температурой в 600 000 градусов, из которых в пространство выходят магнитные силовые линии. Такая («открытая») магнитная конфигурация позволяет частицам беспрепятственно покидать Солнце, поэтому солнечный ветер испускается в основном из корональных дыр. Плотность в этих областях короны уменьшается, и в виду больших энергетических потерь на формирование газодинамического потока температура оказывается несколько ниже, чем в обычных корональных петлях. Это объясняет пониженную яркость дыр в рентгеновском диапазоне по сравнению со спокойной короной. Они чаще всего наблюдаются вблизи минимума солнечной активности. Затем площадь их уменьшается и к ее максимуму они вовсе исчезают. Именно они являются источником высокоскоростных потоков солнечной плазмы, обнаруженных в солнечном ветре.
Активные области – области, в которых наблюдается изменение мощности магнитного поля Солнца и как следствие, усиленное движение газов, изменение характера этих движений. В этих областях возникают пятна, факелы, флоккулы, протуберанцы и т.п. Активные области излучают больше энергии, больше корпускул, ультрафиолетовых, рентгеновских лучей. В короне активные области связанны с проявлениями активности в нижележащих слоях солнечной атмосферы. В короне наблюдаются корональные конденсации и корональные дыры. Структура короны определяется расположением и движением в ней силовых линий магнитного поля, которое увлекает с собой плазму, образующую структуру короны.
Корона состоит из следующих частей:
K-корона (электронная корона или непрерывная корона). Видна как белый свет фотосферы, рассеиваемый высокоэнергетическими электронами при температуре порядка миллиона градусов. K-корона неоднородна, она содержит различные структуры, такие как потоки, уплотнения, перья и лучи. Поскольку электроны движутся в высокой скоростью, фраунгоферовы линии в спектре отраженного света стерты.
F-корона (фраунгоферова корона или пылевая корона) - свет фотосферы, рассеиваемый более медленными частицами пыли, движущимися вокруг Солнца. В спектре видны фраунгоферовы линии. Продолжение F-короны в межпланетное пространство наблюдается как зодиакальный свет.
E-корона (корона эмиссионных линий) образуется светом в дискретных эмиссионных линиях сильно ионизированных атомов, особенно железа и кальция. Она обнаруживается на расстоянии двух солнечных радиусов. Эта часть короны излучает также в крайнем ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах спектра.
фраунгоферовы линии - Темные линии поглощения в спектре Солнца и, по аналогии, в спектре любой звезды. Впервые такие линии были выделены Йозефом фон Фраунгофером (1787-1826), который обозначил самые заметные линии буквами латинского алфавита. Некоторые из этих символов все еще используются в физике и астрономии, особенно линии натрия D и линии кальция H и K.

Оригинальные обозначения Фраунгофера (1817) линий поглощения в солнечном спектре
Буква	Длина волны (нм)	Химическое происхождение
A	759,37	Атмосферный O 2
B	686,72	Атмосферный O 2
C	656,28	Водород α
D1	589,59	Нейтральный натрий
D2	589,00	Нейтральный натрий
D3	587,56	Нейтральный гелий
E	526,96	Нейтральное железо
F	486,13	Водород β
G	431,42	Молекула CH
H	396,85	Ионизированный кальций
K	393,37	Ионизированный кальций

Замечание: в оригинальных обозначениях Фраунгофера компоненты линии D разрешены не были.
Корональные линии - запрещенные линии в спектрах многократно ионизованных Fe, Ni, Ca, Al и других элементов, возникают в солнечной короне и указывают на высокую (ок. 1,5 млн. К) температуру короны.
Выброс корональной массы (ВКМ) - эрупция вещества из солнечной короны в межпланетное пространство. ВКМ связан с особенностями магнитного поля Солнца. В периоды высокой солнечной активности каждый день происходит один или два выброса, возникающих в самых разных солнечных широтах. В периоды спокойного Солнца они происходят существенно реже (примерно один раз каждые 3 -10 дней) и ограничиваются более низкими широтами. Средняя скорость выброса изменяется от 200 км/сек при минимальной активности до величин примерно вдвое больших в максимуме активности. Большинство выбросов не сопровождается вспышками, а в тех случаях, когда вспышки происходят, они обычно начинаются после начала ВКМ. ВКМ представляют собой наиболее мощные из всех нестационарных солнечных процессов и оказывают заметное влияние на солнечный ветер. Большие ВКМ, ориентированные в плоскости земной орбиты, ответственны за геомагнитные бури.
Солнечный ветер - поток частиц (в основном протонов и электронов), истекающих за пределы Солнца со скоростью до 900 км/сек. Солнечный ветер фактически представляет собой горячую солнечную корону, распространяющуюся в межпланетное пространство. Теоретически это явление было предсказано американским физиком Е. Паркером, а экспериментально подтверждено при помощи приборов, установленных на советских космических аппаратах «Луна-2» и «Луна-3», которые и обнаружили потоки заряженных частиц в межпланетном пространстве. Расширяется корона неравномерно во все стороны пространства, скорости ее расширения, или скорости солнечного ветра, меняются от 300 км/сек до 1 500 км/сек в зависимости от процессов, происходящих на Солнце. Источниками высокоскоростного солнечного ветра являются коронарные дыры - области с низкой плотностью, возникающие над поверхностью там, где магнитное поле Солнца открывается в межпланетное пространство. Во время минимума солнечной активности корональные дыры обычно появляются над полюсами Солнца и протягиваются на очень большие расстояния. На уровне орбиты Земли средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц - 108-109 в см 3 /с. Их количество резко возрастает после солнечных выпушек, особенно после мощных. Они несут с собой магнитное поле и движутся не по радиусу солнца, а по спиралям. В потоках этого излучения наблюдается турбулентность плазмы и деформация магнитного поля. Солнечный ветер оказывает заметное влияние на все планеты, он, подобно конвейерной ленте переносит последствия событий, происходящих на солнечной поверхности, в межпланетное пространство. Когда он сталкивается с удаленным небесным телом, то вызывает в пространстве вокруг него изменении электрических свойств, что может оказывать значительные воздействия на атмосферу планет, и особенно на их собственное магнитное поле, в тот случае, если оно есть. Много нового о солнечном ветре выяснила международная космическая станция SOHO. Оказалось, что он переносит такие элементы, как никель, железо, кремний, сера, кальций, хром.

Интенсивность солнечного света, которая достигает земли меняется в зависимости от времени суток, года, местоположения и погодных условий. Общее количество энергии, подсчитанное за день или за год, называется иррадиацией (или еще по-другому «приход солнечной радиации») и показывает, насколько мощным было солнечное излучение. Иррадиация измеряется в Вт*ч/м² в день, или другой период.

Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина — 1353 Вт/м². При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения — озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется «воздушной массой» (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.

На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излучения — соответственно порядка 925 и 691 Вт/м². Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце — под углом 45° к горизонту) .

Около поверхности Земли можно принять среднюю величину интенсивности солнечной радиации 635 Вт/м². В очень ясный солнечный день эта величина колеблется от 950 Вт/м² до 1220 Вт/м². Среднее значение - примерно 1000 Вт/м² . Пример: Интенсивность полного излучения в Цюрихе (47°30′ с. ш., 400 м над уровнем моря) на поверхности, перпендикулярной излучению:1 мая 12 ч 00 мин 1080 Вт/м²;21 декабря 12 ч 00 мин 930 Вт/м².

Для упрощения вычисления по приходу солнечной энергии, его обычно выражают в часах солнечного сияния с интенсивностью 1000 Вт/м². Т.е. 1 час соответствует приходу солнечной радиации в 1000 Вт*ч/м². Это примерно соответствует периоду, когда солнце светит летом в середине солнечного безоблачного дня на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам.

Пример
Яркое солнце светит с интенсивностью 1000 Вт/м² на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. За 1 час на 1 м² падает 1 кВт*ч энергии (энергия равна произведению мощности на время). Аналогично, средний приход солнечной радиации в 5 кВт*ч/м² в течение дня соответствует 5 пиковым часам солнечного сияния в день. Не путайте пиковые часы с реальной длительностью светового дня. За световой день солнце светит с разной интенсивностью, но в сумме она дает такое же количество энергии, как если бы оно светило 5 часов с максимальной интенсивностью. Именно пиковые часы солнечного сияния используются в расчетах солнечных энергетических установок.

Приход солнечной радиации меняется в течение дня и от места к месту, особенно в горных районах. Иррадиация меняется в среднем от 1000 кВт*ч/м² в год для северо-европейских стран, до 2000-2500 кВт*ч/м² в год для пустынь. Погодные условия и склонение солнца (которое зависит от широты местности), также приводит к различиям в приходе солнечной радиации.

В России, вопреки распространённому мнению, очень много мест, где выгодно преобразовывать солнечную энергию в электроэнергию при помощи . Ниже приведена карта ресурсов солнечной энергии в России. Как видим, на большей части России можно успешно использовать в сезонном режиме, а в районах с числом часов солнечного сияния более 2000 часов/год — круглый год. Естественно, в зимний период выработка энергии солнечными панелями существенно снижается, но все равно стоимость электроэнергии от солнечной электростанции остается существенно ниже, чем от дизельного или бензинового генератора.

Особенно выгодно применение там, где нет централизованных электрических сетей и энергообеспечение обеспечивается за счет дизель-генераторов. А таких районов в России очень много.

Более того, даже там, где сети есть, использование работающих параллельно с сетью солнечных батарей позволяет значительно снизить расходы на электроэнергию. При существующей тенденции на повышении тарифов естественных энергетических монополий России, установки солнечных батарей становится умным вложением денег.

Солнечная энергия

Параметры солнечного излучения

Прежде всего необходимо оценить потенциальные энергетические возможности солнечного излучения. Здесь наибольшее значение имеет его общая удельная мощность у поверхности Земли и распределение этой мощности по разным диапазонам излучения.

Мощность солнечного излучения

Мощность излучения Солнца, находящегося в зените, у поверхности Земли оценивается примерно в 1350 Вт/м2. Простой расчёт показывает, что для получения мощности 10 кВт необходимо собрать солнечное излучение с площади всего лишь 7.5 м2. Но это — в ясный полдень в тропической зоне высоко в горах, где атмосфера разрежена и кристально прозрачна. Как только Солнце начинает склоняться к горизонту, путь его лучей сквозь атмосферу увеличивается, соответственно, возрастают и потери на этом пути. Присутствие в атмосфере пыли или паров воды, даже в неощутимых без специальных приборов количествах, ещё более снижает поток энергии. Однако и в средней полосе в летний полдень на каждый квадратный метр, ориентированный перпендикулярно солнечным лучам, приходится поток солнечной энергии мощностью примерно 1 кВт.

Конечно, даже небольшая облачность резко уменьшает энергию, достигающую поверхности, особенно в инфракрасном (тепловом) диапазоне. Тем не менее, часть энергии всё равно проникает сквозь тучи. В средней полосе при сильной облачности в полдень мощность солнечного излучения, дошедшего до поверхности Земли, оценивается примерно в 100 Вт/м2 и лишь в редких случаях при особо плотной облачности может опускаться ниже этой величины. Очевидно, что в таких условиях для получения 10 кВт необходимо полностью, без потерь и отражения, собрать солнечное излучение уже не с 7.5 м2 земной поверхности, а с целой сотки (100 м2).

В таблице приведены краткие усреднённые данные по энергии солнечного излучения для некоторых городов России с учётом климатических условий (частоты и силы облачности) на единицу горизонтальной поверхности. Детализация этих данных, дополнительные данные для ориентаций панелей, отличных от горизонтальной, а также данные для других областей России и стран бывшего СССР приведены на отдельной странице .

Город	месячный минимум (декабрь)	месячный максимум (июнь или июль)	суммарно за год
Архангельск	4 МДж / м 2 (1.1 кВт·ч / м 2)	575 МДж / м 2 (159.7 кВт·ч / м 2)	3.06 ГДж / м 2 (850 кВт·ч / м 2)
Астрахань	95.8 МДж / м 2 (26.6 кВт·ч / м 2)	755.6 МДж / м 2 (209.9 кВт·ч / м 2)	4.94 ГДж / м 2 (1371 кВт·ч / м 2)
Владивосток	208.1 МДж / м 2 (57.8 кВт·ч / м 2)	518.0 МДж / м 2 (143.9 кВт·ч / м 2)	4.64 ГДж / м 2 (1289.5 кВт·ч / м 2)
Екатеринбург	46 МДж / м 2 (12.8 кВт·ч / м 2)	615 МДж / м 2 (170.8 кВт·ч / м 2)	3.76 ГДж / м 2 (1045 кВт·ч / м 2)
Москва	42.1 МДж / м 2 (11.7 кВт·ч / м 2)	600.1 МДж / м 2 (166.7 кВт·ч / м 2)	3.67 ГДж / м 2 (1020.7 кВт·ч / м 2)
Новосибирск		638 МДж / м 2 (177.2 кВт·ч / м 2)	4.00 ГДж / м 2 (1110 кВт·ч / м 2)
Омск	56 МДж / м 2 (15.6 кВт·ч / м 2)	640 МДж / м 2 (177.8 кВт·ч / м 2)	4.01 ГДж / м 2 (1113 кВт·ч / м 2)
Петрозаводск	8.6 МДж / м 2 (2.4 кВт·ч / м 2)	601.6 МДж / м 2 (167.1 кВт·ч / м 2)	3.10 ГДж / м 2 (860.0 кВт·ч / м 2)
Петропавловск-Камчатский	83.9 МДж / м 2 (23.3 кВт·ч / м 2)	560.9 МДж / м 2 (155.8 кВт·ч / м 2)	3.95 ГДж / м 2 (1098.4 кВт·ч / м 2)
Ростов-на-Дону	80 МДж / м 2 (22.2 кВт·ч / м 2)	678 МДж / м 2 (188.3 кВт·ч / м 2)	4.60 ГДж / м 2 (1278 кВт·ч / м 2)
Санкт-Петербург	8 МДж / м 2 (2.2 кВт·ч / м 2)	578 МДж / м 2 (160.6 кВт·ч / м 2)	3.02 ГДж / м 2 (840 кВт·ч / м 2)
Сочи	124.9 МДж / м 2 (34.7 кВт·ч / м 2)	744.5 МДж / м 2 (206.8 кВт·ч / м 2)	4.91 ГДж / м 2 (1365.1 кВт·ч / м 2)
Южно-Сахалинск	150.1 МДж / м 2 (41.7 кВт·ч / м 2)	586.1 МДж / м 2 (162.8 кВт·ч / м 2)	4.56 ГДж / м 2 (1267.5 кВт·ч / м 2)

Неподвижная панель, размещённая под оптимальным углом наклона, способна воспринять в 1.2 .. 1.4 раза больше энергии по сравнению с горизонтальной, а если она будет поворачиваться вслед за Солнцем, то прибавка составит 1.4 .. 1.8 раза. В этом можно убедиться, с разбивкой по месяцам для неподвижных панелей, ориентированных на юг под разными углами наклона, и для систем, отслеживающих движение Солнца. Особенности размещения солнечных панелей более подробно обсуждаются ниже .

Прямое и рассеянное солнечное излучение

Различают рассеянное и прямое солнечное излучение. Для эффективного восприятия прямого солнечного излучения панель должна быть ориентирована перпендикулярно потоку солнечного света. Для восприятия рассеянного излучения ориентация не так критична, так как оно достаточно равномерно приходит почти со всего небосвода — именно так освещается земная поверхность в пасмурные дни (по этой причине в пасмурную погоду предметы не имеют чётко оформленной тени, а вертикальные поверхности, такие как столбы и стены домов, практически не отбрасывают видимую тень).

Соотношение прямого и рассеянного излучения сильно зависит от погодных условий в разные сезоны. Например, в Москве зима пасмурная, и в январе доля рассеянного излучения превышает 90% от общей инсоляции. Но даже московским летом рассеянное излучение составляет почти половину от всей солнечной энергии, достигающей земной поверхности. В то же время в солнечном Баку и зимой, и летом доля рассеянного излучения составляет от 19 до 23% общей инсоляции, а около 4/5 солнечного излучения, соответственно, является прямым. Более подробно соотношение рассеянной и полной инсоляции для некоторых городов приведено на отдельной странице .

Распределение энергии в солнечном спектре

Солнечный спектр является практически непрерывным в крайне широком диапазоне частот — от низкочастотного радиоволнового до сверхвысокочастотного рентгеновского и гамма-излучения. Безусловно, трудно одинаково эффективно улавливать столь разные виды излучения (пожалуй, это можно осуществить лишь теоретически с помощью «идеального абсолютно чёрного тела»). Но это и не надо — во-первых, само Солнце в разных частотных диапазонах излучает с различной силой, а во-вторых, не всё, что излучило Солнце, достигает поверхности Земли — отдельные участки спектра в значительной степени поглощаются разными компонентами атмосферы — преимущественно озоновым слоем, парами воды и углекислым газом.

Поэтому нам достаточно определить те диапазоны частот, в которых наблюдается наибольший поток солнечной энергии у поверхности Земли, и использовать именно их. Традиционно солнечное и космическое излучение разделяется не по частоте, а по длине волны (это связано со слишком большими показателями степени для частот этого излучения, что весьма неудобно — видимому свету в герцах соответствует 14-й порядок). Посмотрим же зависимость распределения энергии от длины волны для солнечного излучения.

Диапазоном видимого света считается участок длин волн от 380 нм (глубокий фиолетовый) до 760 нм (глубокий красный). Всё, что имеет меньшую длину волны, обладает более высокой энергией фотонов и подразделяется на ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма- диапазоны излучения. Невзирая на высокую энергию фотонов, самих фотонов в этих диапазонах не так уж много, поэтому общий энергетический вклад этого участка спектра весьма мал. Всё, что имеет бóльшую длину волны, обладает меньшей по сравнению с видимым светом энергией фотонов и подразделяется на инфракрасный диапазон (тепловое излучение) и различные участки радиодиапазона. Из графика видно, что в инфракрасном диапазоне Солнце излучает практически столько же энергии, как и в видимом (уровни меньше, зато диапазон шире), а вот в радиочастотном диапазоне энергия излучения очень мала.

Таким образом, с энергетической точки зрения нам достаточно ограничиться видимым и инфракрасным частотными диапазонами, а также ближним ультрафиолетом (где-то до 300 нм, более коротковолновый жёсткий ультрафиолет практически полностью поглощается в так называемом озоновом слое, обеспечивая синтез этого самого озона из атмосферного кислорода). А львиная доля солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, сосредоточена в диапазоне длин волн от 300 до 1800 нм.

Ограничения при использовании солнечной энергии

Главные ограничения, связанные с использованием солнечной энергии, вызваны её непостоянством — солнечные установки не работают ночью и малоэффективны в пасмурную погоду. Это очевидно практически всем.

Однако есть и ещё одно обстоятельство, которое особенно актуально для наших довольно северных широт — это сезонные различия в продолжительности дня. Если для тропической и экваториальной зоны длительность дня и ночи слабо зависит от времени года, то уже на широте Москвы самый короткий день меньше самого длинного почти в 2.5 раза! Про приполярные области я уже не говорю... В результате в ясный летний день солнечная установка под Москвой может произвести энергии не меньше, чем на экваторе (солнце пониже, зато день длиннее). Однако зимой, когда потребность в энергии особенно высока, её выработка, наоборот, снизится в несколько раз. Ведь помимо короткого светового дня, лучи низкого зимнего солнца даже в полдень должны проходить гораздо более толстый слой атмосферы и потому теряют на этом пути существенно больше энергии, чем летом, когда солнце стоит высоко и лучи идут сквозь атмосферу почти отвесно (выражение «холодное зимнее солнце» имеет самый прямой физический смысл). Тем не менее, это вовсе не означает, что солнечные установки в средней полосе и даже в гораздо более северных районах совсем бесполезны — хотя зимой от них мало пользы, эато в период длинных дней, как минимум полгода между весенним и осенним равноденствиями, они вполне эффективны.

Особенно интересно применение солнечных установок для приведения в действие всё шире рас-прос-тра-ня-ю-щих-ся, но весьма «прожорливых» кондиционеров. Ведь чем сильнее светит солнце, тем жарче и тем нужнее кондиционер. Но в таких условиях и солнечные установки способны выработать больше энергии, причём эта энергия будет использована кондиционером именно «здесь и сейчас», её не надо аккумулировать и хранить! К тому же совсем необязательно преобразовывать энергию в электрическую форму — абсорбционные тепловые машины используют тепло непосредственно, а это значит, что вместо фотоэлектрических батарей можно использовать солнечные коллекторы , наиболее эффективные как раз в ясную жаркую погоду. Правда, я считаю, что кондиционеры незаменимы лишь в жарких безводных регионах и во влажном тропическом климате, а также в современных городах независимо от их месторасположения. Грамотно спроектированный и построенный загородный дом не только в средней полосе, но и на большей части юга России не нуждается в столь энергетически прожорливом, громоздком, шумном и капризном устройстве.

К сожалению, в условиях городской застройки индивидуальное использование более-менее мощных солнечных установок со сколько-нибудь заметной практической пользой возможно лишь в редких случаях особо удачного стечения обстоятельств. Впрочем, я не считаю городскую квартиру полноценным жильём, поскольку её нормальное функционирование зависит от слишком большого количества факторов, не доступных непосредственному контролю жильцов по чисто техническим причинам, а потому в случае выхода из строя на более-менее длительное время хотя бы одной из систем жизнеобеспечения современного многоквартирного дома условия там не будут приемлемы для жизни (скорее, квартиру в многоэтажке надо рассматривать как своего рода гостиничный номер, который жильцы выкупили в бессрочное пользование или арендуют у муниципалитета). Зато за городом особое внимание к солнечной энергии может быть более чем оправданным даже на маленьком участке в 6 соток.

Особенности размещения солнечных панелей

Выбор оптимальной ориентации солнечных панелей является одним из важнейших вопросов при практическом использовании солнечных установок любого типа. К сожалению, на различных сайтах, посвящённых солнечной энергии, этот аспект рассматривается очень мало, хотя пренебрежение им способно снизить эффективность панелей до неприемлемого уровня.

Дело в том, что угол падения лучей на поверхность сильно влияет на коэффициент отражения, а следовательно, на долю невоспринятой солнечной энергии. Например, для стекла при отклонении угла падения от перпендикуляра к его поверхности до 30° коэффициент отражения практически не меняется и составляет чуть менее 5%, т.е. более 95% падающего излучения проходят внутрь. Далее рост отражения становится заметным, и к 60° доля отражённого излучения увеличивается вдвое — почти до 10%. При угле падения 70° отражается около 20% излучения, а при 80° — 40%. Для большинства других веществ зависимость степени отражения от угла падения имеет примерно тот же характер.

Ещё важнее так называемая эффективная площадь панели, т.е. перекрываемое ею сечение потока излучения. Она равна реальной площади панели, умноженной на синус угла между её плоскостью и направлением потока (или, что то же самое, на косинус угла между перепендикуляром к панели и направлением потока). Поэтому, если панель перпендикулярна потоку, её эффективная площадь равна её реальной площади, если поток отклонился от перпендикуляра на 60° — половине реальной площади, а если поток параллелен панели, её эффективная площадь равна нулю. Таким образом, существенное отклонение потока от перпендикуляра к панели не только увеличивает отражение, но снижает её эффективную площадь, что обуславливает очень заметное падение выработки.

Очевидно, что для наших целей наиболее эффективна постоянная ориентация панели перпендикулярно потоку солнечных лучей. Но это потребует изменения положения панели в двух плоскостях, поскольку положение Солнца на небе зависит не только от времени суток, но и от времени года. Хотя такая система, безусловно, технически возможна, она получается весьма сложной, а потому дорогой и не слишком надёжной.

Однако вспомним, что при углах падения до 30° коэффициент отражения на границе «воздух-стекло» минимален и практически неизменен, а в течении года угол максимального подъёма Солнца над горизонтом отклоняется от среднего положения не более чем на ±23°. Эффективная площадь панели при отклонении от перпендикуляра на 23° также остаётся достаточно большой — не менее 92% от её реальной площади. Поэтому можно ориентироваться на среднегодовую высоту максимального подъёма Солнца и практически без потери эффективности ограничиться вращением лишь в одной плоскости — вокруг полярной оси Земли со скоростью 1 оборот в сутки. Угол наклона оси такого вращения относительно горизонтали равен географической широте места. Например, для Москвы, расположенной на широте 56°, ось такого вращения должна быть наклонена на север на 56° относительно поверхности (или, что то же самое, отклонена от вертикали на 34°). Такое вращение организовать уже гораздо проще, однако для безпрепятственного вращения большой панели нужно немало места. Кроме того, необходимо либо организовать скользящее соединение, позволяющее отводить от постоянно вращающейся панели всю полученную ею энергию, либо ограничиться гибкими коммуникациями с фиксированным соединением, но обеспечить автоматический возврат панели обратно в ночное время, — в противном случае не избежать перекручивания и обрыва отводящих энергию коммуникаций. Оба решения резко повышают сложность и снижают надёжность системы. При возрастании мощности панелей (а значит, их размеров и веса) технические проблемы усложняются в геометрической прогрессии.

В связи со всем вышеизложенным, практически всегда панели индивидуальных солнечных установок монтируются неподвижно, что обеспечивает относительную дешевизну и высочайшую надёжность установки. Однако здесь особенно важным становится выбор угла размещения панели. Рассмотрим эту проблему на примере Москвы .

Оранжевая линия — при отслеживании положения Солнца вращением вокруг полярной оси (т.е. параллельно земной оси); синий — неподвижная горизонтальная панель; зелёный — неподвижная вертикальная панель, ориентированная на юг; красный — неподвижная панель, наклонённая на юг под углом 40° к горизонту.

Посмотрим на диаграммы инсоляции для различных углов установки панелей. Конечно, панель, поворачивающаяся вслед за Солнцем, вне конкуренции (оранжевая линия). Однако даже в длинные летние дни её эффективность превышает эффективность неподвижных горизонтальной (синяя) и наклонённой под оптимальным углом (красная) панелей всего лишь примерно на 30%. Но в эти дни тепла и света и так хватает! А вот в наиболее энергодефицитный период с октября по февраль преимущество поворотной панели над неподвижными минимально и практически неощутимо. Правда, в это время компанию наклонной панели составляет не горизонтальная, а вертикальная панель (зелёная линия). И это не удивительно — низкие лучи зимнего солнца скользят по горизонтальной панели, но хорошо воспринимаются почти перпендикулярной им вертикальной. Поэтому в феврале, ноябре и декабре вертикальная панель по своей эффективности превосходит даже наклонную и почти не отличается от поворотной. В марте и октябре день более длинный, и поворотная панель уже начинает уверенно (хотя и не очень сильно) превосходить любые неподвижные варианты, но эффективность наклонной и вертикальной панелей практически одинакова. И лишь в период длинных дней с апреля по август горизонтальная панель по полученной энергии опережает вертикальную и приближается к наклонной, а в июне даже чуть превосходит её. Летний проигрыш вертикальной панели закономерен — ведь, скажем, день летнего равноденствия длится в Москве более 17 часов, а в передней (рабочей) полусфере вертикальной панели Солнце может находиться не более 12 часов, остальные 5 с лишним часов (почти треть светового дня!) оно находится позади неё. Если же учесть, что при углах падения более 60° доля отражённого от поверхности панели света начинает стремительно расти, а её эффективная площадь сокращается в два раза и более, то время эффективного восприятия солнечного излучения для такой панели не превышает 8 часов — то есть менее 50% от общей продолжительности дня. Именно этим объясняется факт стабилизации производительности вертикальных панелей в течении всего периода длинных дней — с марта по сентябрь. И наконец, несколько особняком стоит январь — в этом месяце производительность панелей всех ориентаций практически одинакова. Дело в том, что этот месяц в Москве очень пасмурный, и более 90% всей солнечной энергии приходится нарассеянное излучение , а для такого излучения ориентация панели не слишком важна (главное, не направить её в землю). Однако несколько солнечных дней, всё же бывающих в январе, снижают выработку горизонтальной панели на 20% по сравнению с остальными.

Какой же угол наклона выбрать? Всё зависит от того, когда именно Вам нужна солнечная энергия. Если Вы хотите пользоваться ею только в тёплый период (скажем, на даче), то стоит выбрать так называемый «оптимальный» угол наклона, перпендикулярный к среднему положению Солнца в период между весенним и осенним равноденствиями. Он примерно на 10° .. 15° меньше географической широты и для Москвы составляет 40° .. 45°. Если же энергия Вам нужна круглогодично, то следует «выжимать» максимум именно в энергодефицитные зимние месяцы, а значит, надо ориентироваться на среднее положение Солнца между осенним и весенним равноденствиями и размещать панели ближе к вертикали — на 5° .. 15° больше географической широты (для Москвы это будет 60° .. 70°). Если же по архитектурным или конструктивным соображениям выдержать такой угол невозможно и надо выбирать между углом наклона в 40° и меньше или вертикальной установкой, следует предпочесть вертикальное положение. При этом «недобор» энергии в длинные летние дни не так критичен — в этот период полно естественного тепла и света, и потребность в выработке энергии обычно не так велика, как зимой и в межсезонье. Естественно, наклон панели должен быть ориентирован на юг, хотя отклонение от этого направления на 10° .. 15° к востоку или к западу мало что меняет и потому вполне допустимо.

Горизонтальное размещение солнечных панелей на всей территории России неэффективно и абсолютно неоправдано. Помимо слишком большого снижения выработки энергии в осенне-зимний период, на горизонтальных панелях интенсивно скапливается пыль, а зимой ещё и снег, и удалить их оттуда можно только с помощью специально организованной уборки (как правило, вручную). Если же наклон панели превышает 60°, то снег на её поверхности задерживается мало и обычно быстро осыпается сам по себе, а тонкий слой пыли хорошо смывается дождями.

Поскольку в последнее время цены на солнечное оборудование снижаются, может оказаться выгодным вместо единого поля солнечных панелей, ориентированного на юг, использовать два с большей суммарной мощностью , ориентированных на смежные (юго-восток и юго-запад) и даже противоположные (восток и запад) стороны света. Это обеспечит более равномерную выработку в солнечные дни и повышенную выработку в пасмурную погоду, при том, что остальное оборудование останется рассчитанным на прежнюю, относительно невысокую мощность, а потому будет более компактным и дешёвым.

И последнее. Стекло, поверхность которого не гладкая, а имеет специальный рельеф, способно гораздо более эффективно воспринимать боковой свет и передавать его на рабочие элементы солнечной панели. Наиболее оптимальным представляется волнообразный рельеф с ориентацией выступов и впадин с севера на юг (для вертикальных панелей — сверху вниз), — своеобразная линейная линза. Рифлёное стекло способно увеличить выработку неподвижной панели на 5% и более.

Традиционные типы установок для использования солнечной энергии

Время от времени появляются сообщения о строительстве очередной солнечной электростанции (СЭС) или опреснительной установки. По всему миру, от Африки до Скандинавии, применяются тепловые солнечные коллекторы и фотоэлектрические солнечные батареи. Эти методы использования солнечной энергии развиваются уже не один десяток лет, им посвящено множество сайтов в Интернете. Поэтому здесь я рассмотрю их в самых общих чертах. Впрочем, один важнейший момент в Интернете практически не освещается — это выбор конкретных параметров при создании индивидуальной системы солнечного энергоснабжения. Между тем этот вопрос не так прост, как кажется на первый взгляд. Пример выбора параметров для системы на солнечных батареях приведён на отдельной странице .

Солнечные батареи

Вообще говоря, под «солнечной батареей» можно понимать любой набор одинаковых модулей, воспринимающих солнечное излучение и объединённых в единое устройство, в том числе чисто тепловых, но традиционно этот термин закрепился именно за панелями фотоэлектрических преобразователей. Поэтому под термином «солнечная батарея» практически всегда подразумевается фотоэлектрическое устройство, непосредственно преобразующие солнечное излучение в электрический ток. Эта технология активно развивается с середины XX века. Огромным стимулом для её развития стало освоение космического пространства, где конкуренцию солнечным батареям по производимой мощности и длительности работы в настоящее время могут составить лишь малогабаритные ядерные источники энергии. За это время эффективность преобразования солнечных батарей возросла с одного-двух процентов до 17% и более в массовых относительно дешёвых моделях и свыше 42% в опытных образцах. Значительно увеличился срок службы и надёжность работы.

Достоинства солнечных батарей

Главное достоинство солнечных батарей — их предельная конструктивная простота и полное отсутствие подвижных деталей. Как следствие этого — небольшой удельный вес и неприхотливость в сочетании с высокой надёжностью, а также максимально простой монтаж и минимальные требования к обслуживанию во время эксплуатации (обычно достаточно лишь удалять с рабочей поверхности грязь по мере её накопления). Представляя собой плоские элементы малой толщины, они вполне успешно размещаются на обращённом к солнцу скате крыши или на стене дома, практически не требуя для себя какого-то дополнительного места и возведения отдельных громоздких конструкций. Единственное условие — ничто не должно затенять их в течении как можно большего времени.

Ещё одно важнейшее достоинство — это то, что энергия вырабатывается сразу в виде электричества — в наиболее универсальной и удобной на сегодняшний день форме.

К сожалению, ничто не вечно — эффективность фотоэлектрических преобразователей падает в течение срока службы. Полупроводниковые пластины, из которых обычно состоят солнечные батареи, со временем деградируют и утрачивают свои свойства, в результате и без того не слишком высокий КПД солнечных батарей становится ещё меньше. Длительное воздействие высоких температур ускоряет этот процесс. Сначала я отмечал это как недостаток фотоэлектрических батарей, тем более, что «севшие» фотоэлементы восстановить невозможно. Однако вряд ли какой-нибудь механический электрогенератор сможет продемонстрировать хотя бы 1% работоспособности всего лишь через 10 лет непрерывной работы — скорее всего он гораздо раньше потребует серьёзного ремонта из-за механического износа если не подшипников, то щёток, — а современные фотопреобразователи способны сохранять свою эффективность десятилетиями. По оптимистичным оценкам, за 25 лет КПД солнечной батареи уменьшается всего на 10%, а значит, если не вмешаются другие факторы, то даже через 100 лет сохранится почти 2/3 от первоначальной эффективности. Впрочем, для массовых коммерческих фотоэлементов на поли- и монокристаллическом кремнии честные изготовители и продавцы приводят несколько другие цифры старения — через 20 лет следует ожидать утраты до 20% эффективности (тогда теоретически через 40 лет эффективность составит 2/3 от первоначальной, сократится вдвое за 60 лет, а через 100 лет останется чуть менее 1/3 от исходной производительности). В общем, нормальный срок службы для современных фотопреобразователей составляет не менее 25 .. 30 лет, так что деградация не так критична, и гораздо важнее вовремя стирать с них пыль...

Если же батареи установить таким образом, чтобы естественное запыление практически отсутствовало либо своевременно смывалось естественными же дождями, то они смогут работать без какого-либо обслуживания в течение многих лет. Возможность столь долгой эксплуатации в необслуживаемом режиме — ещё одно важнейшее преимущество.

Наконец, солнечные батареи способны вырабатывать энергию с рассвета до заката даже в пасмурную погоду, когда тепловые солнечные коллекторы имеют температуру, лишь незначительно отличающуюся от температуры окружающего воздуха. Конечно, по сравнению с ясным солнечным днём их производительность падает во много раз, но лучше хоть что-то, чем совсем ничего! В связи с этим особенно интересны разработки батарей с максимумом преобразования энергии в тех диапазонах, где облака меньше всего поглощают солнечное излучение. Кроме того, при выборе солнечных фотопреобразователей следует обращать внимание на зависимость вырабатываемого ими напряжения от освещённости — она должна быть как можно меньшей (при снижении освещённости в первую очередь должен падать ток, а не напряжение, поскольку иначе для получения хоть какого-то полезного эффекта в пасмурные дни придётся использовать недешёвое дополнительное оборудование, принудительно повышающее напряжение до минимально достаточного для зарядки аккумуляторов и работы инверторов).

Недостатки солнечных батарей

Конечно, и недостатков у солнечных батарей немало. Помимо зависимости от погоды и времени суток, можно отметить следующее.

Невысокий КПД. Тот же солнечный коллектор при правильном выборе формы и материала поверхности способен поглотить почти всё попавшее на него солнечное излучение практически во всём спектре частот, несущих заметную энергию, — от дальнего инфракрасного до ультрафиолетового диапазона. Солнечные батареи же преобразуют энергию избирательно — для рабочего возбуждения атомов требуются определённые энергии фотонов (частоты излучения), поэтому в одних полосах частот преобразование идёт очень эффективно, а другие частотные диапазоны для них бесполезны. Кроме того, энергия уловленных ими фотонов используется квантово — её «излишки», превышающие нужный уровень, идут на вредный в данном случае нагрев материала фотопреобразователя. Во многом именно этим и объясняется их невысокий КПД.
Кстати, неудачно выбрав материал защитного покрытия, можно заметно снизить эффективность работы батареи. Дело усугубляется тем, что обычное стекло довольно хорошо поглощает высокоэнергетическую ультрафиолетовую часть диапазона, а для некоторых типов фотоэлементов весьма актуален именно этот диапазон, — энергия инфракрасных фотонов для них слишком мала.

Чувствительность к высокой температуре. С повышением температуры эффективность работы солнечных батарей, как и почти всех других полупроводниковых приборов, снижается. При температурах выше 100..125°С они вообще могут временно потерять работоспособность, а ещё больший нагрев грозит их необратимым повреждением. К тому же повышенная температура ускоряет деградацию фотоэлементов. Поэтому необходимо принимать все меры для снижения нагрева, неизбежного под палящими прямыми солнечными лучами. Обычно производители ограничивают номинальный диапазон рабочих температур фотоэлементов до +70°..+90°С (имеется в виду нагрев самих элементов, а температура окружающего воздуха, естественно, должна быть гораздо ниже).
Дополнительно осложняет ситуацию то, что чувствительная поверхность довольно хрупких фотоэлементов часто закрывается защитным стеклом или прозрачным пластиком. Если между защитным покровом и поверхностью фотоэлемента останется воздушная прослойка, то образуется своеобразный «парник», усугубляющий перегрев. Правда, увеличив расстояние между защитным стеклом и поверхностью фотоэлемента и соединив сверху и снизу эту полость с атмосферой, можно организовать конвекционный поток воздуха, естественным образом охлаждающий фотоэлементы. Однако на ярком солнце и при высокой температуре наружного воздуха этого может оказаться недостаточно, к тому же такой метод способствует ускоренному запылению рабочей поверхности фотоэлементов. Поэтому солнечная батарея даже не очень больших размеров может потребовать специальной системы охлаждения. Справедливости ради надо сказать, что подобные системы обычно легко автоматизируются, а привод вентилятора или помпы потребляет лишь малую долю вырабатываемой энергии. При отсутствии яркого солнца большого нагрева нет и охлаждение вообще не требуется, так что энергия, сэкономленная на приводе системы охлаждения, может быть использована для других целей. Следует заметить, что в современных панелях заводского изготовления защитное покрытие обычно плотно прилегает к поверхности фотоэлементов и отводит тепло наружу, но в самодельных конструкциях механический контакт с защитным стеклом может привести к повреждению фотоэлемента.

Чувствительность к неравномерности засветки. Как правило, для получения на выходе батареи напряжения, более-менее удобного для использования (12, 24 и более вольт), фотоэлементы соединяются в последовательные цепочки. Ток в каждой такой цепочке, а следовательно, и её мощность, определяется самым слабым звеном — фотоэлементом с худшими характеристиками или с наименьшей освещённостью. Поэтому если хотя бы один элемент цепочки оказывается в тени, он существенно снижает выработку всей цепочки — потери несоразмерны затенению (более того, при отсутствии защитных диодов такой элемент начнёт рассеивать мощность, вырабатываемую остальными элементами!). Избежать непропорционального снижения выработки можно, лишь соединив все фотоэлементы параллельно, однако тогда на выходе батареи будет слишком большой ток при слишком малом напряжении — обычно для отдельных фотоэлементов оно составляет всего 0.5 .. 0.7 В в зависимости от их типа и величины нагрузки.

Чувствительность к загрязнениям. Даже малозаметный слой грязи на поверхности фотоэлементов или защитного стекла может поглотить существенную долю солнечного света и заметно снизить выработку энергии. В пыльном городе это потребует частой очистки поверхности солнечных батарей, особенно установленных горизонтально или с небольшим наклоном. Безусловно, такая же процедура необходима и после каждого снегопада, и после пыльной бури... Однако вдали от городов, промышленных зон, оживлённых дорог и других сильных источников пыли при угле наклона 45° и более дожди вполне способны смывать естественное запыление с поверхности панелей, «автоматически» поддерживая их в достаточно чистом состоянии. Да и снег на таком уклоне, к тому же обращённом на юг, даже в весьма морозные дни обычно долго не задерживается. Так что вдали от источников атмосферных загрязнений панели солнечных батарей могут годами успешно работать вообще без какого-либо обслуживания, было бы солнце в небе!

Наконец, последнее, но важнейшее из препятствий для широкого и повсеместного распространения фотоэлектрических солнечных батарей — их довольно высокая цена. Себестоимость элементов солнечной батареи в настоящее время составляет минимум 1$/Вт (1 кВт —1000$), и это для малоэффективных модификаций без учёта стоимости сборки и монтажа панелей, а также без учёта цены аккумуляторов, контроллеров зарядки и инверторов (преобразователей вырабатываемого низковольтного постоянного тока к бытовому или промышленному стандарту). В большинстве случаев для минимальной оценки реальных затрат эти цифры следует умножить в 3-5 раз при самостоятельной сборке из отдельных фотоэлементов и в 6-10 раз при покупке готовых комплектов оборудования (плюс стоимость монтажа).

Из всех элементов системы энергоснабжения на фотоэлектрических батареях самый короткий срок службы имеют аккумуляторы, однако производители современных необслуживаемых аккумуляторов утверждают, что в так называемом буферном режиме они проработают порядка 10 лет (или отработают традиционные 1000 циклов сильной зарядки-разрядки — если считать по одному циклу в сутки, то в таком режиме их хватит на 3 года). Отмечу, что стоимость аккумуляторов обычно составляет лишь 10-20% от общей стоимости всей системы, а стоимость инверторов и контроллеров заряда (и то, и другое — сложные электронные изделия, и потому существует некоторая вероятность их выхода из строя) — ещё меньше. Таким образом, принимая во внимание длительный срок службы и возможность работы в течении долгого времени без какого-либо обслуживания, фотопреобразователи за свою жизнь вполне могут окупиться не один раз, и не только в отдалённых районах, но и в обжитых местностях — если тарифы на электричество продолжат расти нынешними темпами!

Солнечные тепловые коллекторы

Название «солнечные коллекторы» закрепилось за устройствами, использующими непосредственный нагрев солнечным теплом, — как одиночными, так и наращиваемыми (модульными). Простейший образец теплового солнечного коллектора — чёрный водяной бак на крыше вышеупомянутого дачного душа (кстати, эффективность нагрева воды в летнем душе можно заметно повысить, соорудив вокруг бака мини-парничок хотя бы из полиэтиленовой плёнки; желательно, чтобы между плёнкой и стенками бака сверху и сбоку оставался зазор в 4-5 см).

Однако современные коллекторы мало похожи на такой бак. Обычно они представляют собой плоские конструкции из тонких зачернённых трубок, уложенных в виде решётки или змейкой. Трубки могут крепиться на зачернённом же теплопроводящем листе-подложке, который улавливает солнечное тепло, попадающее в промежутки между ними — это позволяет уменьшить общую длину трубок без потери эффективности. Для снижения теплопотерь и повышения нагрева коллектор сверху может быть закрыт листом стекла или прозрачного сотового поликарбоната, а с обратной стороны теплораспределяющего листа бесполезные потери тепла предотвращает слой теплоизоляции — получается своеобразная «теплица». По трубке движется нагреваемая вода или другой теплоноситель, который может собираться в накопительном термоизолированном баке. Движение теплоносителя происходит под действием насоса или самотёком за счёт разности плотностей теплоносителя до и после теплового коллектора. В последнем случае для более-менее эффективной циркуляции требуется тщательный выбор уклонов и сечений труб и размещение самого коллектора как можно ниже. Но обычно коллектор размещается в тех же местах, где и солнечная батарея — на солнечной стене или на солнечном склоне крыши, правда дополнительно где-то надо разместить и накопительный бак. Без такого бака при интенсивном разборе тепла (скажем, если надо наполнить ванну или принять душ) ёмкости коллектора может не хватить, и через небольшое время из крана потечёт чуть подогретая водичка.

Защитное стекло, конечно, несколько снижает эффективность коллектора, поглощая и отражая несколько процентов солнечной энергии, даже если лучи падают перпендикулярно. Когда же лучи попадают на стекло под небольшим углом к поверхности, коэффициент отражения может приближаться к 100%. Поэтому при отсутствии ветра и необходимости лишь небольшого нагрева относительно окружающего воздуха (на 5-10 градусов, скажем, для полива огорода) «открытые» конструкции могут быть более эффективны, чем «остеклённые». Но как только требуется разность температур в несколько десятков градусов или если поднимается даже не очень сильный ветер, теплопотери открытых конструкций стремительно возрастают, и защитное стекло при всех своих недостатках становится необходимостью.

Важное замечание — необходимо учитывать, что в жаркий солнечный день при отсутствии разбора вода может перегреться выше температуры кипения, поэтому в конструкции коллектора необходимо принять соответствующие меры предосторожности (предусмотреть предохранительный клапан). В открытых коллекторах без защитного стекла такого перегрева обычно можно не опасаться.

В последнее время начинают широко использоваться солнечные коллекторы на так называемых тепловых трубках (не путать с «тепловыми трубками», применяемыми для отвода тепла в системах охлаждения компьютеров!). В отличие от рассмотренной выше конструкции, здесь каждая нагреваемая металлическая трубка, по которой циркулирует теплоноситель, впаяна внутрь стеклянной трубки, а из промежутка между ними откачан воздух. Получается аналог термоса, где за счёт вакуумной теплоизоляции теплопотери уменьшаются в 20 раз и более. В результате, по утверждению производителей, при морозе в -35°С снаружи стекла, вода во внутренней металлической трубке со специальным покрытием, поглощающим максимально широкий спектр солнечного излучения, нагревается до +50..+70°С (перепад более 100°С).Эффективное поглощение в сочетании с отличной теплоизоляцией позволяют нагревать теплоноситель даже в пасмурную погоду, хотя мощность нагрева, конечно, в разы меньше, чем при ярком солнце. Ключевым моментом здесь является обеспечение сохранности вакуума в зазоре между трубками, то есть вакуумной герметичности стыка стекла и металла, в очень широком диапазоне температур, достигающем 150°С, в течение всего срока эксплуатации, составляющего многие годы. По этой причине при изготовлении таких коллекторов не обойтись без тщательного согласования коэффициентов температурного расширения стекла и металла и высокотехнологичных производственных процессов, а значит, в кустарных условиях вряд ли удастся сделать полноценную вакуумную тепловую трубку. Но более простые конструкции коллекторов без проблем изготавливаются самостоятельно, хотя, конечно, их эффективность несколько меньше, особенно зимой.

Помимо описанных выше жидкостных солнечных коллекторов, существуют и другие интересные типы конструкций: воздушные (теплоноситель — воздух, и замерзание ему не страшно), «солнечные пруды» и пр. К сожалению, большинство исследований и разработок по солнечным коллекторам посвящено именно жидкостным моделям, поэтому альтернативные виды серийно практически не производятся и сведений о них не так уж много.

Достоинства солнечных коллекторов

Важнейшее достоинство солнечных коллекторов — простота и относительная дешевизна изготовления их вполне эффективных вариантов, сочетающаяся с неприхотливостью в эксплуатации. Необходимый минимум для того, чтобы сделать коллектор своими руками — это несколько метров тонкой трубы (желательно медной тонкостенной — её можно согнуть с минимальным радиусом) и немного чёрной краски, хотя бы битумного лака. Сгибаем трубку змейкой, красим чёрной краской, размещаем в солнечном месте, подключаем к водяной магистрали, — и вот простейший солнечный коллектор уже готов! При этом змеевику легко можно придать почти любую конфигурацию и максимально использовать всё выделенное для коллектора место. Наиболее эффективным зачернением, которое можно нанести в кустарных условиях и которое к тому же очень устойчиво к высоким температурам и прямому солнечному свету, является тонкий слой сажи. Однако сажа легко стирается и смывается, потому для такого зачернения обязательно потребуется защитное стекло и специальные меры, чтобы предотвратить возможное попадание конденсата на покрытую сажей поверхность.

Другое важнейшее достоинство коллекторов заключается в том, что в отличии от солнечных батарей, они способны уловить и преобразовать в тепло до 90% попавшего на них солнечного излучения, а в самых удачных случаях — и более. Поэтому не только в ясную погоду, но и при лёгкой облачности КПД коллекторов превосходит КПД фотоэлектрических батарей. Наконец, в отличие от фотоэлектрических батарей, неравномерность засветки поверхности не вызывает непропорционального снижения эффективности коллектора — важен лишь общий (интегральный) поток излучения.

Недостатки солнечных коллекторов

Зато солнечные коллекторы более чувствительны к погоде, чем солнечные батареи. Даже на ярком солнце свежий ветер способен во много раз снизить эффективность нагрева открытого теплообменника. Защитное стекло, конечно, резко сокращает потери тепла от ветра, но в случае плотной облачности и оно бессильно. В пасмурную ветреную погоду толку от коллектора практически нет, а солнечная батарея хоть немного энергии, да вырабатывает.

Среди других недостатков солнечных коллекторов прежде всего выделю их сезонность. Достаточно коротких весенних или осенних ночных заморозков, чтобы образовавшийся в трубах нагревателя лёд создал опасность их разрыва. Конечно, это можно исключить, подогревая холодными ночами «тепличку» со змеевиком сторонним источником тепла, однако в таком случае общая энергетическая эффективность коллектора легко может стать отрицательной! Другой вариант — двухконтурный коллектор с антифризом во внешнем контуре — не потребует расхода энергии на подогрев, но будет намного сложнее одноконтурных вариантов с прямым нагревом воды как в изготовлении, так и при эксплуатации. Воздушные конструкции в принципе не могут замёрзнуть, но там есть другая проблема — низкая удельная теплоёмкость воздуха.

И всё же, пожалуй, главный недостаток солнечного коллектора заключается в том, что он является именно нагревательным прибором, причём хотя промышленно изготовленные образцы при отсутствии разбора тепла могут нагреть теплоноситель до 190..200°С, обычно достигаемая температура редко превышает 60..80°С. Поэтому использовать добытое тепло для получения существенных объёмов механической работы или электрической энергии весьма затруднительно. Ведь даже для работы самой низкотемпературной паро-водяной турбины (например той, которую в своё время описал В.А.Зысин) необходимо перегреть воду хотя бы до 110°С! А непосредственно в виде тепла энергия, как известно, долго не хранится, да и при температуре менее 100°С её обычно можно использовать лишь в горячем водоснабжении и отоплении дома. Впрочем, с учётом низкой стоимости и простоты изготовления это может быть вполне достаточной причиной для обзаведения собственным солнечным коллектором.

Справедливости ради нужно отметить, что «нормальный» рабочий цикл тепловой машины можно организовать и при температурах ниже 100°С — либо если температуру кипения понизить, снижая давление в испарительной части с помощью откачки оттуда пара, либо использовав жидкость, температура кипения которой лежит между температурой нагрева солнечного коллектора и температурой окружающего воздуха (оптимально — 50..60°С). Правда, я могу вспомнить лишь одну не экзотическую и относительно безопасную жидкость, более-менее удовлетворяющую этим условиям — это этиловый спирт, в нормальных условиях кипящий при 78°С. Очевидно, что в таком случае обязательно придётся организовывать замкнутый цикл, решая множество связанных с этим проблем. В некоторых ситуациях перспективным может быть применение двигателей с внешним нагревом (двигателей Стирлинга). Интересным в этом плане может быть и использование сплавов с эффектом памяти формы, о которых на этом сайте рассказано в статье И.В.Найгеля — им для работы достаточно температурного перепада всего в25-30°С.

Концентрация солнечной энергии

Повышение эффективности солнечного коллектора прежде всего заключается в устойчивом повышении температуры нагреваемой воды выше температуры кипения. Для этого обычно применяется концентрация солнечной энергии на коллекторе с помощью зеркал. Именно такой принцип лежит в основе большинства солнечных электростанций, различия заключаются лишь в количестве, конфигурации и размещении зеркал и коллектора, а также в методах управления зеркалами. В результате в точке фокусировки вполне возможно достижение температуры даже не в сотни, а в тысячи градусов, — при такой температуре уже может происходить прямое термическое разложение воды на водород и кислород (полученный водород можно сжигать ночью и в пасмурные дни)!

К сожалению, эффективная работа подобной установки невозможна без сложной системы управления зеркалами-концентраторами, которые должны отслеживать постоянно изменяющееся положение Солнца на небе. В противном случае уже через несколько минут точка фокусировки покинет коллектор, который в таких системах часто имеет весьма небольшие размеры, и нагрев рабочего тела прекратится. Даже использование зеркал-параболоидов решает проблему лишь частично — если их периодически не доворачивать вслед за Солнцем, то через несколько часов оно уже не будет попадать в их чашу или станет освещать лишь её край — толку от этого будет немного.

Самый простой способ концентрации солнечной энергии в «домашних» условиях — это горизонтально положить зеркало возле коллектора так, чтобы большую часть дня «солнечный зайчик» попадал на коллектор. Интересный вариант — использовать в качестве такого зеркала поверхность специально созданного возле дома водоёма, особенно если это будет не обычный водоём, а «солнечный пруд» (хотя сделать это непросто, а эффективность отражения будет гораздо меньше, чем у обычного зеркала). Хороший результат может дать создание системы вертикальных зеркал-концентраторов (эта затея обычно гораздо более хлопотная, но в некоторых случаях вполне оправданной может оказаться простая установка большого зеркала на соседней стене, если она образует с коллектором внутренний угол, — всё зависит от конфигурации и местоположения здания и коллектора).

Перенаправление солнечного излучения с помощью зеркал может повысить и выработку фотоэлектрической батареи. Но при этом возрастает её нагрев, а он может вывести батарею из строя. Поэтому в данном случае приходится ограничиваться относительно небольшим выигрышем (на несколько десятков процентов, но не в разы), и нужно тщательно контролировать температуру батареи, особенно в жаркие ясные дни! Именно из-за опасности перегрева некоторые производители фотоэлектрических батарей прямо запрещают эксплуатацию своих изделий при повышеной освещённости, созданной с помощью дополнительных отражателей.

Преобразование солнечной энергии в механическую

Традиционные типы солнечных установок не подразумевают непосредственного получения механической работы. К солнечной батарее на фотопреобразователях для этого надо подключить электродвигатель, а при использовании теплового солнечного коллектора перегретый пар (а для перегрева вряд ли удастся обойтись без зеркал-концентраторов) надо подать на вход паровой турбины или в цилиндры паровой машины. Коллекторы с относительно небольшим нагревом могут преобразовывать тепло в механическое движение более экзотическими способами, например с помощью актуаторов из сплавов с эффектом памяти формы .

Тем не менее, существуют и установки, предполагающее преобразование солнечного тепла в механическую работу, непосредственно заложенное в их конструкцию. Причём размеры и мощность их самые разные — это и проект огромной солнечной башни высотой в сотни метров, и скромный солнечный насос, которому самое место на дачном участке.