Максимум інтенсивності електромагнітного випромінювання сонця доводиться на. Сонячна, земна і атмосферна радіація

Розкладання на спектр

Сонячне світло це електромагнітне випромінювання, що виходить від Сонця. На Землі наша атмосфера фільтрує випромінювання Сонця, захищаючи нас від шкідливого випромінювання і змінюючи його колір.

Звідки він береться?

Давайте подивимося на всі довжини хвиль світла в сонячному випромінюванні. Як ви, напевно, знаєте, величезна температура і тиск в ядрі, змушують перетворюватися водень в атоми гелію. Частина енергії, з цього злиття, виділяється у формі гамма-променів. Ці гамма-промені поглинаються частинками на Сонце, а потім повторно перевипромінюють. Фотонам потрібно 200.000 років, щоб вибратися з ядра в космічний простір. Поверхня Сонця, називається фотосферою, і саме в фотосфері, світло, нарешті, виривається в космос. Через довгу подорож крізь Сонце, фотони втрачають енергію і їх довжина хвилі змінюється.

Це гарна новина, інакше розвиток життя на Землі, під постійним опроміненням гамма-променями, було б важко.

Випромінювання світла Сонця це суміш різних довжин хвиль. Тепло, яке ми відчуваємо, це інфрачервоне випромінювання з діапазоном довжин хвиль від 1400 нм до 1 мм. Видиме світло, має довжину хвилі від 400 до 700 нм.

У космосі, сонячне світло здається білим, але тут, на Землі, ми бачимо його жовтим, тому що наша атмосфера відхиляє сині і фіолетові фотони.

Ультрафіолетове випромінювання, На щастя, поглинається атмосферою Землі, він доволі небезпечний для життя. Спектр Сонячного світла безперервний, і в ньому безліч темних ліній, викликаних його поглинанням в холодних шарах його атмосфери. Все життя на Землі залежить від сонячної радіації. Це основне джерело енергії на Землі, він управляє погодою на планеті і океанічної циркуляцією. Без цього джерела енергії, Земля замерзне.

Протуберанець на поверхні

Випромінювання Сонця, яке відоме як сонячне світло, являє собою суміш електромагнітних хвиль, від інфрачервоних (ІК) до ультрафіолетових променів (UV). Воно включає в себе видиме світло, який знаходиться між ІК і УФ в електромагнітному спектрі.

Швидкість поширення електромагнітних хвиль

Всі електромагнітні хвилі (ЕМ) поширюються зі швидкістю приблизно 3,0х10 * 8 м / с у вакуумі. Простір не є ідеальним вакуумом, воно, насправді, містить частинки в низькій концентрації, електромагнітні хвилі, нейтрино і магнітні поля. Оскільки, середня відстань між Землею і Сонцем більш 149,6 млн. Км, то потрібно близько 8 хвилин, щоб випромінювання дісталося до Землі. Сонце світить не тільки в ІК, видимому і УФ діапазоні. В основному, воно виділяє гамма-промені високої енергії.

Однак, фотони гамма-випромінювання проходять довгий шлях до поверхні, вони постійно поглинаються сонячної плазмою і повторно випромінюються зі зміною своєї частоти.

На той час, як вони добираються до поверхні, фотони гамма променів є ІК, видимий і УФ спектри. Інфрачервоне випромінювання це тепло яке ми відчуваємо. Без нього і видимого світла, життя на Землі було б неможливе. Під час сонячних спалахів, воно також випускає рентгенівські промені. Коли електромагнітне випромінювання Сонця досягає атмосфери Землі, частина його поглинається, в той час, як решта долітає до поверхні Землі.

Зокрема, УФ випромінювання поглинається озоновим шаром і повторно випромінюється у вигляді тепла, що призводить до нагрівання стратосфери.

сонячна радіація

випромінювання Сонця електромагнітної і корпускулярної природи. С. р. - основне джерело енергії для більшості процесів, що відбуваються на Землі. Корпускулярна С. р. складається в основному з протонів, що володіють близько Землі швидкостями 300-1500 км/сек. Концентрація їх біля Землі становить 5-80 іонів / см 3, але зростає при підвищенні сонячної активності (Див. Сонячна активність) і після великих спалахів доходить до 10 3 іонів / см 3. При сонячних спалахах утворюються частинки (головним чином протони) великих енергій: від 5.10 7 до 2.10 10 ев. Вони складають сонячну компоненту космічних променів (Див. Космічні промені) і частково пояснюють варіації космічних променів, що приходять на Землю. Основна частина електромагнітного випромінювання Сонця лежить у видимій частині спектру ( мал. ). Кількість променевої енергії Сонця, що надходить за 1 хв на майданчик в 1 см 2, поставлену поза земною атмосферою перпендикулярно до сонячних променів на середній відстані Землі від Сонця, називається сонячної постійної (Див. Сонячна постійна); вона дорівнює 1,95 кал/(см 2 ․хв), Що відповідає потоку в 1,36.10 6 ерг/(см 2 ․сек).

Припускають, що при максимумі сонячної активності випромінювання Сонця дещо збільшується, проте, якщо це зростання і існує, то воно не перевищує часток відсотка. Радіовипромінювання Сонця проходить крізь атмосферу Землі в повному обсязі, тому що атмосфера Землі в радіодіапазоні прозора лише для хвиль довжиною від декількох мм до кількох м. Радіовипромінювання Сонця досить слабо, воно вимірюється в одиницях Ф= 10 –22 ват/(м 2 ․сек․гц) і змінюється від одиниць до десятків і сотень тисяч Ф при переході від метрового діапазону (частоти порядку 10 8 гц) До міліметровому діапазоні (частоти порядку 10 10 гц). Однак для земного спостерігача Сонце, через його відносно невеликої відстані від Землі, є найпотужнішим джерелом космічного радіовипромінювання. Сонячне радіовипромінювання складається з теплового радіовипромінювання зовнішніх шарів атмосфери спокійного Сонця, повільно змінюється компоненти (пов'язаної з плямами і смолоскипами) і спорадичні радіовипромінювання, пов'язаного з сонячною активністю. Спорадичне радіовипромінювання часто поляризоване, включає в себе шумові бурі і сплески радіовипромінювання, воно інтенсивніше теплового і досить швидко змінюється. Існує п'ять типів сплесків радіовипромінювання, які розрізняються як по частотному складу, так і за характером залежності змін інтенсивності від часу. Більшість сплесків супроводжують сонячні спалахи. Короткохвильове випромінювання Сонця повністю поглинається земною атмосферою; відомості про нього отримані за допомогою апаратури, встановленої на геофізичних ракетах, штучних супутниках Землі і космічних зондах. Безперервний спектр Сонця різко слабшає близько 2085 Å, в області 1550 Å зникають фраунгоферові лінії і, хоча безперервний спектр можна простежити до 1000 Å, далі 1500 Å спектр складається в основному з ліній випромінювання (ліній водню, іонізованого гелію, багаторазово іонізованих атомів вуглецю, кисню , магнію та ін.). Всього в ультрафіолетовій частині спектру є більше 200 ліній випромінювання; найбільш сильна резонансна лінія водню ( L α) з довжиною хвилі 1216 Å. У орбіти Землі потік короткохвильового випромінювання від всього сонячного диска становить 3-6 ерг/(м 2 ․сек). Рентгенівське випромінювання Сонця (довжини хвиль від 100 до 1 Å) складається з суцільного випромінювання і випромінювання в окремих лініях. Інтенсивність його сильно змінюється з сонячною активністю [від 0,13 ерг/(м 2 ․сек) До 1 ерг/(м 2 ․сек) У орбіти Землі] і в роки максимуму сонячної активності спектр рентгенівського випромінювання стає більш жорстким. Під час сонячних спалахів рентгенівське випромінювання Сонця посилюється в десятки разів. Зростає і його жорсткість. Хоча ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання Сонця несуть порівняно небагато енергії - менше 15 ерг//(м 2 ․сек) поблизу орбіти Землі, це випромінювання дуже сильно впливає на стан верхніх шарів земної атмосфери. Виявлено також сонячне гамма-випромінювання, але воно вивчено ще недостатньо.

Літ .: Космічна астрофізика, пров. з англ., М., 1962; Ультрафіолетове випромінювання Сонця і міжпланетне середовище. Зб. ст., пер. з англ., М., 1962; Шкловський І. С., Фізика сонячної корони, 2 вид., М., 1962; Сонячні корпускулярні потоки і їх взаємодія з магнітним полем Землі. Зб. ст., пер. з англ., М., 1962; Макарова Е. А., Харитонов А. В., Розподіл енергії в спектрі Сонця і сонячна постійна, М., 1972. Див. Також літ. при ст. Сонце.

Е. Е. Дубов.

Крива залежності випромінюваної енергії I λ від довжини хвилі λ для центру сонячного диска [одиниця інтенсивності 10 13 ерг/(см 2 ․сек ․стер)].

Велика Радянська Енциклопедія. - М .: Радянська енциклопедія. 1969-1978 .

Дивитися що таке "Сонячна радіація" в інших словниках:

Електромагнітне і корпускулярне випромінювання Сонця. Електромагнітне випромінювання охоплює діапазон довжин хвиль від гамма випромінювання до радіохвиль, його енергетичний максимум припадає на видиму частину спектру. Корпускулярна складова сонячної ... ... Великий Енциклопедичний словник

сонячна радіація - Повний потік електромагнітної радіації, випромінюваної Сонцем і потрапляє на Землю ... Словник з географії

Цей термін має також інші значення див. Радіація (значення). У цій статті не вистачає посилань на джерела інформації. Інформація повинна бути проверяема, інакше вона може бути поставлена \u200b\u200bпід Зімніть ... Вікіпедія

Електромагнітне випромінювання, що виходить від Сонця і надходить в земну атмосферу. Довжини хвиль сонячної радіації зосереджені в діапазоні від 0,17 до 4 мкм з макс. на хвилі 0,475 мкм. Ок. 48% енергії сонячного випромінювання доводиться на видиму ... ... географічна енциклопедія

Всі процеси на поверхні земної кулі, які б вони не були, мають своїм джерелом сонячну енергію. Вивчаються чи процеси чисто механічні, процеси хімічні в повітрі, воді, ґрунті, процеси чи фізіологічні або які б то не було ... ... Енциклопедичний словник Ф.А. Брокгауза і І.А. Ефрона

Електромагнітне і корпускулярне випромінювання Сонця. Електромагнітне випромінювання охоплює діапазон довжин хвиль від гамма випромінювання до радіохвиль, його енергетичний максимум припадає на видиму частину спектру. Корпускулярна складова сонячної ... ... енциклопедичний словник

сонячна радіація - Saulės spinduliuotė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. solar radiation vok. Sonnenstrahlung, f rus. випромінювання Сонця, n; сонячна радіація, f; сонячне випромінювання, n pranc. rayonnement solaire, m ... Fizikos terminų žodynas

сонячна радіація - 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

Ел. магн. і корпускулярне випромінювання Сонця. Ел. магн. випромінювання охоплює діапазон довжин хвиль від гамма випромінювання до радіохвиль, його енергетичних. максимум доводиться на видиму частину спектру. Корпускулярна складова С. р. складається гл. обр. з ... ... Природознавство. енциклопедичний словник

пряма сонячна радіація - Сонячна радіація, яка надходить безпосередньо від сонячного диска ... Словник з географії

), Звернемося до малюнка 1 - де наведено паралельне і послідовне просування теплоти Сонця до гарячого розсолу сонячного соляного ставка. А також відбуваються зміни значень різних видів сонячного випромінювання і їх сумарного значення на цьому шляху.

Малюнок 1 - Гістограма зміни інтенсивності сонячного випромінювання (енергії) на шляху до гарячого розсолу сонячного соляного ставка.

Для оцінки ефективності активного використання різних видів сонячного випромінювання визначимося з тим, які з природних, техногенних та експлуатаційних факторів здійснюють позитивний, а які негативний вплив на концентрацію (збільшення надходження) сонячного випромінювання в ставок і акумулювання його гарячим розсолом.

Земля і атмосфера отримують від Сонця в рік 1,3 ∙ 10 24 кал тепла. Воно вимірюється інтенсивністю, тобто кількістю променевої енергії (в калоріях), яке надходить від Сонця за одиницю часу на площу поверхні, перпендикулярну сонячним променям.

Промениста енергія Сонця доходить до Землі у вигляді прямої і розсіяної радіації, тобто сумарної. Вона поглинається земною поверхнею і перетворюється в тепло в повному обсязі, частина її втрачається у вигляді відбитої радіації.

Пряма і розсіяна (сумарна), відображена і поглинена радіація відносяться до короткохвильової частини спектра. Поряд з короткохвильового радіацією до земної поверхні надходить довгохвильове атмосфери (зустрічне), в свою чергу земна поверхня випромінює довгохвильову радіацію (власне).

Пряме сонячне випромінювання відноситься до основного природного фактору надходження енергії до водної поверхні сонячного соляного ставка.

Сонячна радіація, яка надходить на діяльну поверхню у вигляді пучка паралельних променів, що виходять безпосередньо від диска Сонця, називається прямий сонячною радіацією.

Пряма сонячна радіація відноситься до короткохвильової частини спектра (з довжинами хвиль від 0,17 до 4 мкм, фактично земної поверхні досягають промені з довжиною хвилі від 0,29 мкм)

Сонячний спектр можна розділити на три основні області:

Ультрафіолетове випромінювання (λ< 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.

Короткохвильова ультрафіолетова області (λ< 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О 2 , О 3 , О, N 2 и их ионами.

Близький ультрафіолет діапазон (0,29 мкм<λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;

Видиме випромінювання (0,4 мкм< λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.

Видиме випромінювання чиста атмосфера пропускає практично повністю, і вона стає «вікном», відкритим для проходу на Землю цього виду сонячної енергії. Наявність аерозолів і забруднень атмосфери можуть бути причинами значного поглинання випромінювання цього спектру;

Інфрачервоне випромінювання (λ\u003e 0,7 мкм) - 46% інтенсивності. Ближня інфрачервона область (0,7 мкм< < 2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходится почти половина интенсивности солнечного излучения. Более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО 2 (диоксидом углерода). Концентрация СО 2 в атмосфере относительно постоянна и составляет 0,03 %, а концентрация паров воды меняется очень сильно - почти до 4 %.

При довжинах хвиль більше 2,5 мкм слабке позаземне випромінювання інтенсивно поглинається СО 2 і водою, так що тільки невелика частина цього діапазону сонячної енергії досягає поверхні Землі.

Далекий інфрачервоний діапазон (λ\u003e 12 мкм) сонячного випромінювання практично не надходить на Землю.

З точки зору застосування сонячної енергії на Землі слід враховувати тільки випромінювання в інтервалі довжин хвиль 0,29 - 2,5 мкм

Велика частина сонячної енергії за межами атмосфери припадає на діапазон довжин хвиль 0,2 - 4 мкм, а на поверхні Землі - на діапазон 0,29 - 2,5 мкм.

Простежимо, як перерозподіляються, в загальному вигляді , Потоки енергії, яку дає Землі Сонце. Візьмемо 100 умовних одиниць сонячної потужності (1,36 кВт / м 2), що потрапляє на Землю, і простежимо за їхніми дорогами в атмосфері. Один відсоток (13,6 Вт / м 2), короткий ультрафіолет сонячного спектра, поглинається молекулами в екзосфері і термосфере, розігріваючи їх. Ще три відсотки (40,8 Вт / м 2) ближнього ультрафіолету поглинаються озоном стратосфери. Інфрачервоний хвіст сонячного спектра (4% або 54,4 Вт / м 2) залишається у верхніх шарах тропосфери, що містить пари води (вище водяної пари практично немає).

Решта 92 частки сонячної енергії (1,25 кВт / м 2) припадають на «вікно прозорості» атмосфери 0,29 мкм< < 2,5 мкм. Они проникают в плотные приземные слои воздуха. Значительная часть их (45 единиц или 612 Вт/м 2), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи - оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м 2) начального світлового потоку - досягають поверхні. Вона відображає приблизно 7 відсотків (95,2 Вт / м 2) з цих 47% (639,2 Вт / м 2) і цей світ по шляху в космос віддає ще 3 одиниці (40,8 Вт / м 2) дифузному розсіяному світлі неба. Сорок ж часткою енергії сонячних променів, і ще 8 від атмосфери (всього 48 або 652,8 Вт / м 2) поглинаються поверхнею Землі, нагріваючи сушу і океан.

Розсіяна в атмосфері світлова потужність (всього 48 часткою або 652,8 Вт / м 2) частково поглинається нею (10 часткою або 136 Вт / м 2), а решта розподіляється між поверхнею Землі і космосом. В космічний простір йде більше, ніж потрапляє на поверхню, 30 часткою (408 Вт / м 2) наверх, 8 часток (108,8 Вт / м 2) вниз.

Це була описана загальна, осредненная, Картина перерозподілу сонячної енергії в атмосфері Землі. Однак, вона не дозволяє вирішувати приватні завдання використання сонячної енергії для задоволення потреб людини в конкретній зоні його проживання і трудової діяльності і ось чому.

Атмосфера Землі краще відображає косі сонячні промені, тому годинна інсоляція на екваторі і в середніх широтах набагато більше ніж в високих.

Значенням висоти Сонця (височин над горизонтом) 90, 30, 20, і 12 ⁰ (повітряна (оптична) маса (m) атмосфери відповідає 1, 2, 3, і 5) при безхмарним атмосфері відповідає інтенсивність близько 900, 750, 600 і 400 Вт / м 2 (при 42 ⁰ - m \u003d 1,5, а при 15 ⁰ - m \u003d 4). Насправді повна енергія падаючого випромінювання перевищує вказані значення, оскільки вона включає не тільки пряму складову, а й розсіяну при повітряних масах 1, 2, 3 і 5 величина розсіяною складової інтенсивності випромінювання на горизонтальну поверхню при цих умовах відповідно дорівнює 110, 90, 70 і 50 Вт / м 2 (з коефіцієнтом 0,3 - 0,7 для вертикальній площині, т. к. видна тільки половина неба). Крім того, на ділянках небосхилу близьких до Сонця, присутній «навколосонячними ореол» в радіусі ≈ 5⁰.

У таблиці 1 наведені дані по інсоляції для різних регіонів Землі.

Таблиця 1 - Інсоляція прямий складової по регіонах для чистої атмосфери

З таблиці 1 видно, що денна кількість сонячного випромінювання максимально нема на екваторі, а поблизу 40 ⁰. Подібний факт також є наслідком нахилу земної осі до площини її орбіти. У період літнього сонцестояння Сонце в тропіках майже весь день знаходиться над головою і тривалість світлового дня - 13,5 годин, більше ніж на екваторі в день рівнодення. З підвищенням географічної широти тривалість дня збільшується, і хоча інтенсивність сонячного випромінювання при цьому зменшується, максимальне значення денної інсоляції припадає на широту близько 40 ⁰ і залишається майже постійним (для умов безхмарного неба) аж до полярного кола.

Слід підкреслити, що дані таблиці 1 справедливі лише для чистої атмосфери. З урахуванням хмарності і забруднень атмосфери промисловими відходами, характерних для багатьох країн світу, наведені в таблиці величини слід зменшувати, принаймні, удвічі. Наприклад, для Англії 70 м XX століття, до початку боротьби за охорону навколишнього середовища, річна кількість сонячної радіації становило лише 900 кВт ∙ год / м 2 замість 1700 кВт ∙ год / м 2.

Перші дані, про прозорість атмосфери на Байкалі були отримані В.В. Буфалом в 1964р. Він показав, що значення прямої сонячної радіації над Байкалом в середньому на 13% вище, ніж в Іркутську. Середній спектральний коефіцієнт прозорості атмосфери на Північному Байкалі в літній період складає для червоного, зеленого і синього фільтрів відповідно 0,949, 0,906, 0,883. У літній період атмосфера більш нестійка в оптичному відношенні, ніж взимку, і ця нестійкість значно змінюється від Дополуденних до післяполуденні годинах. Залежно від річного ходу ослаблення водяною парою і аерозолями змінюється і їх внесок в загальне ослаблення сонячної радіації. У холодну частину року основну роль грають аерозолі, в теплу - водяна пара. Байкальська улоговина і озеро Байкал відрізняються порівняно високою інтегральною прозорістю атмосфери. При оптичної масі m \u003d 2 середні значення коефіцієнта прозорості коливаються від 0,73 (влітку) до 0,83 (взимку) При цьому міждобова зміни інтегральної прозорості атмосфери великі, особливо в полуденний час - від 0,67 до 0,77.

Аерозолі істотно знижують надходження в акваторію ставка прямого сонячного випромінювання, причому вони поглинають в основному випромінювання видимого спектру, з тією довжиною хвилі, яка безперешкодно проходить прісний шар ставка, і це для акумулювання ставком сонячної енергії має велике значення. (Шар води завтовшки 1 см практично непрозорий для інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі більше 1 мкм). Тому вода товщиною в кілька сантиметрів використовується як теплозахисний фільтр. Для скла довгохвильовий кордон пропускання інфрачервоного випромінювання становить - 2,7 мкм.

Велика кількість частинок пилу, безперешкодно переноситься по степу також знижує прозорість атмосфери.

Електромагнітне випромінювання випускають все нагріті тіла, причому, чим холодніше тіло, тим менше інтенсивність випромінювання і тим далі в довгохвильову область зміщений максимум його спектра. Існує дуже просте співвідношення λmax × Τ \u003d c¹ [с¹ \u003d 0,2898 см ∙ град. (Вина)], за допомогою якого легко встановити, де знаходиться максимум випромінювання тіла з температурою Τ (⁰К). Наприклад, людське тіло, що має температуру 37 + 273 \u003d 310 ⁰К, випускає інфрачервоні промені з максимумом поблизу значення λmax \u003d 9,3 мкм. А стінки, наприклад, геліосушілкі, з температурою 90 ⁰С будуть випускати інфрачервоні промені з максимумом поблизу значення λmax \u003d 8 мкм.

Видиме сонячне випромінювання (0,4 мкм< λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.

Свого великим прогресом з'явився перехід від електричної лампи розжарювання з вугільною ниткою до сучасної лампі з вольфрамової ниткою. Вся справа в тому, що вугільну нитку можна довести до температури 2100 ⁰К, а вольфрамову - до 2500 ⁰К. Чому ці 400 ⁰К так важливі? Вся справа в тому, що мета лампи розжарювання - НЕ гріти, а давати світло. Отже, треба домогтися такого положення, щоб максимум кривої припадав на видиме вивчення. Ідеалом було б мати у своєму розпорядженні такий ниткою, яка витримувала б температуру поверхні Сонця. Але навіть перехід з 2100 до 2500 ⁰К підвищує частку енергії, що припадає на видиме випромінювання, від 0,5 до 1,6%.

Інфрачервоні промені, які виходять від тіла, нагрітого за все до 60 - 70 ⁰С, кожен може відчути, підносячи долоню знизу (для усунення теплової конвекції).

Прихід прямого сонячного випромінювання в акваторію ставка відповідає його приходу на горизонтальну поверхню опромінення. При цьому, викладене вище показує, невизначеність кількісної характеристики приходу в конкретний момент часу, як сезонного, так і добового. постійною характеристикою є тільки висота Сонця (оптична маса атмосфери).

Акумулювання ж сонячного випромінювання земною поверхнею і ставком істотно розрізняються.

Природні поверхні Землі володіють різною відбивною (поглощательной) здатністю. Так, темні поверхні (чорнозем, болота торф'яні) мають низьке значення альбедо близько 10%. ( альбедо поверхні - це відношення потоку випромінювання, відбитого цією поверхнею в навколишній простір, до потоку, що упав на неї).

Світлі поверхні (білий пісок) володіють великим альбедо, 35 - 40%. Альбедо поверхонь з трав'яним покровом коливаються в межах 15 - 25%. Альбедо крон листяного лісу влітку дорівнює 14 - 17%, хвойного лісу - 12 - 15%. Альбедо поверхні зменшується зі збільшенням висоти Сонця.

Альбедо же водних поверхонь полягає в межах 3 - 45%, в залежності від висоти Сонця і ступеня хвилювання.

При спокійній водної поверхні альбедо залежить тільки від висоти Сонця (малюнок 2).

Малюнок 2 - Залежність коефіцієнта віддзеркалення сонячного випромінювання для спокійної водної поверхні від висоти Сонця.

Вступ сонячного випромінювання і проходження його через шар води має свої особливості.

У загальному вигляді оптичні властивості води (її розчинів) у видимій області сонячного випромінювання представлені на малюнку 3.

Ф0- потік (потужність) падаючого випромінювання,

Фотр- потік відбитого водною поверхнею випромінювання,

Фпогл- потік поглиненого водної масою випромінювання,

Фпр- потік минулого водну масу випромінювання.

Коефіцієнт відображення тіла Фотріє / Ф 0

Коефіцієнт поглинання Фпогл / Ф 0

Коефіцієнт пропускання ФПР / Ф 0.

Малюнок 3 - оптичні властивості води (її розчинів) у видимій області сонячного випромінювання

На плоскій границі двох середовищ повітря - вода спостерігаються явища відображення і заломлення світла.

При відображенні світла промінь падаючий, промінь відбитий і перпендикуляр до поверхні, що відбиває, відновлений в точці падіння променя, лежать в одній площині, і кут відбиття дорівнює куту падіння. У разі заломлення падає промінь, перпендикуляр, відновлений в точці падіння променя до межі поділу двох середовищ, і переломлений промінь лежать в одній площині. Кут падіння α і кут заломлення β (рисунок 4) пов'язані sin α / sin β \u003d n2 | n1, де n2 - абсолютний показник заломлення другого середовища, n1 - першої. Оскільки для повітря n1≈1, то формула набуде вигляду sin α / sin β \u003d n2

Малюнок 4 - Заломлення променів при переході з повітря в воду

Коли промені йдуть з повітря у воду, то вони наближаються до «перпендикуляру падіння»; наприклад, промінь, що падає на воду під кутом до перпендикуляру до поверхні води, вступає в неї вже під кутом, який менше, ніж (рис 4, а). Але коли падаючий промінь, ковзаючи по поверхні води, падає на водну поверхню майже під прямим кутом до перпендикуляру, наприклад, під кутом 89 ⁰ і менш, то він вступає в воду під кутом, меншому ніж прямий, а саме під кутом всього 48,5 ⁰. Під великим кутом до перпендикуляру, ніж 48,5 ⁰, промінь вступити в воду та не може для води «граничний» кут (рисунок 4, б).

Отже, промені, які падають на воду під різними кутами, стискаються під водою в досить тісний конус з кутом розчину 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ \u003d 97 ⁰ (рис 4, в).

Крім того переломлення води залежить від її температури (таблиця 2), однак зміни ці настільки незначні що не можуть представляти інтересу для інженерної практики, по даній темі.

Таблиця 2 - Показник заломлення води при різної температурі t

	n			n			n

Простежимо тепер за ходом променів, що йдуть назад (з точки Р) - з води в повітря (малюнок 5). За законами оптики, шляхи будуть ті ж самі, і всі промені, укладені в згаданому 97-градусному конусі, вийдуть в повітря під різними кутами, розподіляючись по всьому 180-градусному простору над водою. Підводні промені, що знаходяться поза згаданого кута (97-градусного) не вийдуть з-під води, а позначаться цілком від її поверхні, як від дзеркала.

Малюнок 5 - Заломлення променів при переході з води в повітря

якщо n2< n1(вторая среда оптически менее плотная), то α < β. Наибольшему значению β = 90 ⁰ соответствует угол падения α0 , определяемый равенством sinα0=n2/n1. При угле падения α >α0 існує тільки відбитий промінь, заломлений промінь відсутня ( явище повного внутрішнього відображення).

Всякий підводний промінь, що зустрічає поверхню води під кутом, більшим «граничного» (тобто великим 48,5 ⁰), що не заломлюється, а відбивається: він зазнає « повне внутрішнє відбиття». Відображення називається в даному випадку повним тому, що тут відображаються всі падаючі промені, тим часом як навіть найкраще дзеркало з полірованого срібла відображає тільки частину падаючих на нього променів, решту ж поглинає. Вода при зазначених умовах є ідеальним дзеркалом. В даному випадку мова йде про видиме світло. Взагалі кажучи, показник заломлення води, як і інших речовин, залежить від довжини хвилі (це явище називається дисперсією). Як наслідок цього граничний кут, при якому настає повне внутрішнє віддзеркалення, не один і той же для різних довжин хвиль, але для видимого світла при відбитті на кордоні вода - повітря цей кут змінюється менше ніж на 1⁰.

Завдяки тому, що під великим кутом до перпендикуляру, ніж 48,5⁰, сонячний промінь вступити в воду та не може для води «граничний» кут (рисунок 4, б), то водна маса, у всьому діапазоні значень висоти Сонця змінюється не настільки незначно, ніж повітряна - вона завжди менше .

Однак, оскільки, щільність води в 800 разів більше щільності повітря, то поглинання сонячного випромінювання водою буде змінюватися істотно.

Крім того, якщо світлове випромінювання проходить крізь прозору середу, то спектр такого світла володіє деякими особливостями. Певні лінії в ньому сильно ослаблені, т. Е. хвилі відповідної довжини сильно поглинаються розглянутої середовищем.Такі спектри називаються спектрами поглинання. Вид спектру поглинання залежить від даної речовини.

Оскільки розчин солей сонячного соляного ставка може містити різні концентрації хлористих натрію і магнію і їх відносини, то однозначно говорити про спектрах поглинання немає сенсу. Хоча досліджень і даних з цього питання достатньо.

Так, наприклад, дослідженнями, проведеними в СРСР (Ю. Усмановим) по виявленню коефіцієнта пропускання випромінювання різних довжин хвиль для води і розчину хлористого магнію різної концентрації отримані наступні результати (рисунок 6). А Б. Дж. Брінквортом показана графічна залежність поглинання сонячної радіації і монохроматична щільність потоку сонячної радіації (випромінювання) в залежності від довжин хвиль (рисунок 7).

Малюнок 7 - Поглинання сонячної радіації в воді

Малюнок 6 - Залежність пропускної здатності розчину хлористого магнію від концентрації

Отже, кількісне надходження прямого сонячного випромінювання до гарячого розсолу ставка, після вступу в воду, буде залежати: від монохроматичної щільності потоку сонячної радіації (випромінювання); від висоти Сонця. А також від альбедо поверхні ставка, від чистоти верхнього шару сонячного соляного ставка, що складається з прісної води, з товщиною зазвичай 0,1 - 0,3 м, де придушити перемішування не вдається, складу, концентрації і товщини розчину в градієнтному шарі (изолирующем шарі зі зростаючою донизу концентрацією розсолу), від чистоти води і розсолу.

З малюнків 6 і 7 випливає, що вода володіє найбільшою пропускною здатністю у видимій області сонячного спектра. Це є дуже сприятливим чинником для проходження сонячної радіації через верхній прісний шар сонячного соляного ставка.

Список літератури

1 Осадчий Г.Б. Сонячна енергія, її похідні та технології їх використання (Введення в енергетику ВДЕ) / Г.Б. Осадчий. Омськ: ІПК Макшеєвим Е.А., 2010. 572 с.

2 Твайделл Дж. Поновлювані джерела енергії / Дж. Твайделл, А . Уейр. М .: Вища школа, 1990. 392 с.

3 Даффі Дж. А. Теплові процеси з використанням сонячної енергії / Дж. А. Даффі, У. А. Бекман. М .: Світ, 1977. 420 с.

4 Кліматичні ресурси Байкалу і його басейну / Н. П. Ладейщіков, Новосибірськ, Наука, 1976, 318с.

5 Пикин С. А. Рідкі кристали / С. А. Пикин, Л. М. Блінов. М .: Наука, 1982. 208 с.

6 Китайгородский А. І. Фізика для всіх: Фотони і ядра / А. І. Китайгородский. М .: Наука, 1984. 208 с.

Сонячна енергія

Параметри сонячного випромінювання

Перш за все необхідно оцінити потенційні енергетичні можливості сонячного випромінювання. Тут найбільше значення має його загальна питома потужність у поверхні Землі і розподіл цієї потужності за різними діапазонами випромінювання.

Потужність сонячного випромінювання

Потужність випромінювання Сонця, що знаходиться в зеніті, у поверхні Землі оцінюється приблизно в 1350 Вт / м2. Простий розрахунок показує, що для отримання потужності 10 кВт необхідно зібрати сонячне випромінювання з площі всього лише 7.5 м2. Але це - в ясний полудень в тропічній зоні високо в горах, де атмосфера розріджена і кристально прозора. Як тільки Сонце починає схилятися до горизонту, шлях його променів крізь атмосферу збільшується, відповідно, зростають і втрати на цьому шляху. Присутність в атмосфері пилу або парів води, навіть в невідчутних без спеціальних приладів кількостях, ще більш знижує потік енергії. Однак і в середній смузі в літній полудень на кожен квадратний метр, орієнтований перпендикулярно сонячним променям, доводиться потік сонячної енергії потужністю приблизно 1 кВт.

Звичайно, навіть невелика хмарність різко зменшує енергію, що досягає поверхні, особливо в інфрачервоному (тепловому) діапазоні. Проте, частина енергії все одно проникає крізь хмари. У середній смузі при сильній хмарності опівдні потужність сонячного випромінювання, який дійшов до поверхні Землі, оцінюється приблизно в 100 Вт / м2 і лише в рідкісних випадках при особливо щільної хмарності може опускатися нижче цієї величини. Очевидно, що в таких умовах для отримання 10 кВт необхідно повністю, без втрат і відображення, зібрати сонячне випромінювання вже не з 7.5 м2 земної поверхні, а з цілої сотки (100 м2).

У таблиці наведені короткі усереднені дані по енергії сонячного випромінювання для деяких міст Росії з урахуванням кліматичних умов (частоти і сили хмарності) на одиницю горизонтальної поверхні. Деталізація цих даних, додаткові дані для орієнтацій панелей, відмінних від горизонтальної, а також дані для інших областей Росії та країн колишнього СРСР наведені на окремій сторінці.

Місто	місячний мінімум (грудень)	місячний максимум (Червень або липень)	сумарно за рік
Архангельськ	4 МДж / м 2 (1.1 кВт · год / м 2)	575 МДж / м 2 (159.7 кВт · год / м 2)	3.06 ГДж / м 2 (850 кВт · год / м 2)
Астрахань	95.8 МДж / м 2 (26.6 кВт · год / м 2)	755.6 МДж / м 2 (209,9 кВт · год / м 2)	4.94 ГДж / м 2 (+1371 кВт · год / м 2)
Владивосток	208.1 МДж / м 2 (57.8 кВт · год / м 2)	518.0 МДж / м 2 (143.9 кВт · год / м 2)	4.64 ГДж / м 2 (1289.5 кВт · год / м 2)
Єкатеринбург	46 МДж / м 2 (12.8 кВт · год / м 2)	615 МДж / м 2 (170.8 кВт · год / м 2)	3.76 ГДж / м 2 (1045 кВт · год / м 2)
Москва	42.1 МДж / м 2 (11.7 кВт · год / м 2)	600.1 МДж / м 2 (166.7 кВт · год / м 2)	3.67 ГДж / м 2 (1020.7 кВт · год / м 2)
Новосибірськ		638 МДж / м 2 (177.2 кВт · год / м 2)	4.00 ГДж / м 2 (1110 кВт · год / м 2)
Омськ	56 МДж / м 2 (15.6 кВт · год / м 2)	640 МДж / м 2 (177.8 кВт · год / м 2)	4.01 ГДж / м 2 (1113 кВт · год / м 2)
Петрозаводськ	8.6 МДж / м 2 (2.4 кВт · год / м 2)	601.6 МДж / м 2 (167.1 кВт · год / м 2)	3.10 ГДж / м 2 (860.0 кВт · год / м 2)
Петропавловськ-Камчатський	83.9 МДж / м 2 (23.3 кВт · год / м 2)	560.9 МДж / м 2 (155.8 кВт · год / м 2)	3.95 ГДж / м 2 (1098.4 кВт · год / м 2)
Ростов-на-Дону	80 МДж / м 2 (22.2 кВт · год / м 2)	678 МДж / м 2 (188.3 кВт · год / м 2)	4.60 ГДж / м 2 (1278 кВт · год / м 2)
Санкт-Петербург	8 МДж / м 2 (2.2 кВт · год / м 2)	578 МДж / м 2 (160.6 кВт · год / м 2)	3.02 ГДж / м 2 (840 кВт · год / м 2)
Сочі	124.9 МДж / м 2 (34.7 кВт · год / м 2)	744.5 МДж / м 2 (206.8 кВт · год / м 2)	4.91 ГДж / м 2 (1365.1 кВт · год / м 2)
Південно-Сахалінськ	150.1 МДж / м 2 (41.7 кВт · год / м 2)	586.1 МДж / м 2 (162.8 кВт · год / м 2)	4.56 ГДж / м 2 (1267.5 кВт · год / м 2)

Нерухома панель, розміщена під оптимальним кутом нахилу, здатна сприйняти в 1.2 .. 1.4 рази більше енергії в порівнянні з горизонтальною, а якщо вона буде повертатися слідом за Сонцем, то надбавка складе 1.4 .. 1.8 рази. У цьому можна переконатися, з розбивкою по місяцях для нерухомих панелей, орієнтованих на південь під різними кутами нахилу, і для систем, які відстежують рух Сонця. Особливості розміщення сонячних панелей більш детально обговорюються нижче.

Пряме і розсіяне сонячне випромінювання

Розрізняють розсіяне і пряме сонячне випромінювання. Для ефективного сприйняття прямого сонячного випромінювання панель повинна бути орієнтована перпендикулярно потоку сонячного світла. Для сприйняття розсіяного випромінювання орієнтація не так критична, тому що воно досить рівномірно приходить майже з усього небосхилу - саме так висвітлюється земна поверхня в похмурі дні (з цієї причини в похмуру погоду предмети не мають чітко оформленої тіні, а вертикальні поверхні, такі як стовпи і стіни будинків, практично не відкидають видиму тінь).

Співвідношення прямого і розсіяного випромінювання сильно залежить від погодних умов в різні сезони. Наприклад, в Москві зима похмура, і в січні частка розсіяного випромінювання перевищує 90% від загальної інсоляції. Але навіть московським влітку розсіяне випромінювання становить майже половину від усієї сонячної енергії, що досягає земної поверхні. У той же час в сонячному Баку і взимку, і влітку частка розсіяного випромінювання становить від 19 до 23% загальної інсоляції, а близько 4/5 сонячного випромінювання, відповідно, є прямим. Більш докладно співвідношення розсіяною і повної інсоляції для деяких міст наведено на окремій сторінці.

Розподіл енергії в сонячному спектрі

Сонячний спектр є практично безперервним у вкрай широкому діапазоні частот - від низькочастотного радіохвильового до надвисокочастотного рентгенівського і гамма-випромінювання. Безумовно, важко однаково ефективно вловлювати настільки різні види випромінювання (мабуть, це можна здійснити лише теоретично за допомогою «ідеального абсолютно чорного тіла»). Але це і не треба - по-перше, саме Сонце в різних частотних діапазонах випромінює з різною силою, а по-друге, не все, що випромінюючи Сонце, досягає поверхні Землі - окремі ділянки спектра в значній мірі поглинаються різними компонентами атмосфери - переважно озоновим шаром, парами води і вуглекислим газом.

Тому нам досить визначити ті діапазони частот, в яких спостерігається найбільший потік сонячної енергії на поверхні Землі, і використовувати саме їх. Традиційно сонячне і космічне випромінювання поділяється не за частотою, а по довжині хвилі (це пов'язано з дуже великими показниками ступеня для частот цього випромінювання, що дуже незручно - видимого світла в герцах відповідає 14-й порядок). Подивимося ж залежність розподілу енергії від довжини хвилі для сонячного випромінювання.

Діапазоном видимого світла вважається ділянку довжин хвиль від 380 нм (глибокий фіолетовий) до 760 нм (глибокий червоний). Все, що має меншу довжину хвилі, володіє більш високою енергією фотонів і підрозділяється на ультрафіолетовий, рентгенівський і гамма діапазони випромінювання. Незважаючи на високу енергію фотонів, самих фотонів в цих діапазонах не так вже й багато, тому загальний енергетичний внесок цієї ділянки спектру дуже малий. Все, що має більшу довжину хвилі, має меншу в порівнянні з видимим світлом енергією фотонів і підрозділяється на інфрачервоний діапазон (теплове випромінювання) і різні ділянки радіодіапазону. З графіка видно, що в інфрачервоному діапазоні Сонце випромінює практично стільки ж енергії, як і у видимому (рівні менше, зате діапазон ширше), а ось в радіочастотному діапазоні енергія випромінювання дуже мала.

Таким чином, з енергетичної точки зору нам досить обмежитися видимим і інфрачервоним діапазонами частот, а також ближнім ультрафіолетом (десь до 300 нм, більш короткохвильовий жорсткий ультрафіолет практично повністю поглинається в так званому озоновому шарі, забезпечуючи синтез цього самого озону з атмосферного кисню) . А левова частка сонячної енергії, що досягає поверхні Землі, зосереджена в діапазоні довжин хвиль від 300 до 1800 нм.

Обмеження при використанні сонячної енергії

Головні обмеження, пов'язані з використанням сонячної енергії, викликані її непостійністю - сонячні установки не працюють вночі і малоефективні в похмуру погоду. Це очевидно практично всім.

Однак є і ще одна обставина, яка особливо актуально для наших досить північних широт - це сезонні відмінності в тривалості дня. Якщо для тропічної і екваторіальній зони тривалість дня і ночі слабо залежить від пори року, то вже на широті Москви найкоротший день менше найдовшого майже в 2.5 рази! Про приполярні області я вже не кажу ... У результаті в ясний літній день сонячна установка під Москвою може призвести енергії не менше, ніж на екваторі (сонце нижчі, проте день довше). Однак взимку, коли потреба в енергії особливо висока, її вироблення, навпаки, знизиться в декілька разів. Адже крім короткого світлового дня, промені низького зимового сонця навіть опівдні повинні проходити набагато більш товстий шар атмосфери і тому втрачають на цьому шляху значно більше енергії, ніж влітку, коли сонце стоїть високо і промені йдуть крізь атмосферу майже прямовисно (вираз «холодний зимовий сонце »має самий прямий фізичний сенс). Проте, це зовсім не означає, що сонячні установки в середній смузі і навіть в набагато більш північних районах зовсім марні - хоча взимку від них мало користі, еато в період довгих днів, як мінімум півроку між весняним і осіннім рівноденнями, вони цілком ефективні.

Особливо цікаво застосування сонячних установок для приведення в дію все ширше рас-прос-тра-ня-ю-чих-ся, але вельми «ненажерливих» кондиціонерів. Адже чим сильніше світить сонце, тим спекотніше і тим потрібніше кондиціонер. Але в таких умовах і сонячні установки здатні виробити більше енергії, причому ця енергія буде використана кондиціонером саме «тут і зараз», її не треба акумулювати і зберігати! До того ж зовсім необов'язково перетворювати енергію в електричну форму - абсорбційні теплові машини використовують тепло безпосередньо, а це значить, що замість фотоелектричних батарей можна використовувати сонячні колектори, найбільш ефективні саме в ясну жарку погоду. Правда, я вважаю, що кондиціонери незамінні лише в жарких безводних регіонах і у вологому тропічному кліматі, а також в сучасних містах незалежно від їх місця розташування. Грамотно спроектований і побудований заміський будинок не тільки в середній смузі, але і на більшій частині півдня Росії не потребує настільки енергетично ненажерливому, громіздкому, галасливому і капризний пристрої.

На жаль, в умовах міської забудови індивідуальне використання більш-менш потужних сонячних установок з скільки-небудь помітної практичною користю можливо лише в рідкісних випадках особливо вдалого збігу обставин. Втім, я не вважаю міську квартиру повноцінним житлом, оскільки її нормальне функціонування залежить від занадто великої кількості факторів, які будуть недоступні безпосередньому контролю мешканців по чисто технічних причин, а тому в разі виходу з ладу на більш-менш тривалий час хоча б однієї з систем життєзабезпечення сучасного багатоквартирного будинку умови там не буде прийнятні для життя (скоріше, квартиру в багатоповерхівці треба розглядати як свого роду готельний номер, який мешканці викупили в безстрокове користування або орендують у муніципалітету). Зате за містом особливу увагу до сонячної енергії може бути більш ніж виправданим навіть на маленькій ділянці в 6 соток.

Особливості розміщення сонячних панелей

Вибір оптимальної орієнтації сонячних панелей є одним з найважливіших питань при практичному використанні сонячних установок будь-якого типу. На жаль, на різних сайтах, присвячених сонячної енергії, цей аспект розглядається дуже мало, хоча нехтування ним здатне знизити ефективність панелей до неприйнятного рівня.

Справа в тому, що кут падіння променів на поверхню сильно впливає на коефіцієнт відбиття, а отже, на частку несприйнятої сонячної енергії. Наприклад, для скла при відхиленні кута падіння від перпендикуляра до його поверхні до 30 ° коефіцієнт відбиття практично не змінюється і становить трохи менше 5%, тобто більше 95% падаючого випромінювання проходять всередину. Далі зростання відображення стає помітним, і до 60 ° частка відбитого випромінювання збільшується вдвічі - майже до 10%. При куті падіння 70 ° відбивається близько 20% випромінювання, а при 80 ° - 40%. Для більшості інших речовин залежність ступеня відбиття від кута падіння має приблизно той же характер.

Ще важливіше так звана ефективна площа панелі, тобто перекривається нею перетин потоку випромінювання. Вона дорівнює реальної площі панелі, помноженої на синус кута між її площиною і напрямок потоку води (або, що те ж саме, на косинус кута між перепендікуляром до панелі і напрямком потоку). Тому, якщо панель перпендикулярна потоку, її ефективна площа дорівнює її реальної площі, якщо потік відхилився від перпендикуляра на 60 ° - половині реальної площі, а якщо потік паралельний панелі, її ефективна площа дорівнює нулю. Таким чином, істотне відхилення потоку від перпендикуляра до панелі не тільки збільшує відображення, але знижує її ефективну площу, що обумовлює дуже помітне падіння вироблення.

Очевидно, що для наших цілей найбільш ефективна постійна орієнтація панелі перпендикулярно потоку сонячних променів. Але це зажадає зміни положення панелі в двох площинах, оскільки положення Сонця на небі залежить не тільки від часу доби, а й від пори року. Хоча така система, безумовно, технічно можлива, вона виходить досить складною, а тому дорогий і не дуже надійною.

Однак згадаємо, що при кутах падіння до 30 ° коефіцієнт відбиття на границі "повітря-скло» мінімальний і практично незмінний, а в перебігу року кут максимального підйому Сонця над горизонтом відхиляється від середнього положення не більше ніж на ± 23 °. Ефективна площа панелі при відхиленні від перпендикуляра на 23 ° також залишається досить великою - не менше 92% від її реальної площі. Тому можна орієнтуватися на середньорічну висоту максимального підйому Сонця і практично без втрати ефективності обмежитися обертанням лише в одній площині - навколо полярної осі Землі зі швидкістю 1 оборот в добу. Кут нахилу осі такого обертання щодо горизонталі дорівнює географічній широті місця. Наприклад, для Москви, розташованої на широті 56 °, вісь такого обертання повинна бути нахилена на північ на 56 ° відносно поверхні (або, що те ж саме, відхилена від вертикалі на 34 °). Таке обертання організувати вже набагато простіше, однак для безперешкодно обертання великий панелі потрібно чимало місця. Крім того, необхідно або організувати ковзне з'єднання, що дозволяє відводити від постійно обертається панелі всю отриману нею енергію, або обмежитися гнучкими комунікаціями з фіксованим з'єднанням, але забезпечити автоматичне повернення панелі назад в нічний час, - в іншому випадку не уникнути перекручування і обриву відвідних енергію комунікацій . Обидва рішення різко підвищують складність і знижують надійність системи. При зростанні потужності панелей (а значить, їх розмірів і ваги) технічні проблеми ускладнюються в геометричній прогресії.

У зв'язку з усім вищевикладеним, практично завжди панелі індивідуальних сонячних установок монтуються нерухомо, що забезпечує відносну дешевизну і найвищу надійність установки. Однак тут особливо важливим стає вибір кута розміщення панелі. Розглянемо цю проблему на прикладі Москви.

Помаранчева лінія - при відстеженні положення Сонця обертанням навколо полярної осі (тобто паралельно земної осі); синій - нерухома горизонтальна панель; зелений - нерухома вертикальна панель, орієнтована на південь; червоний - нерухома панель, нахилена на південь під кутом 40 ° до горизонту.

Подивимося на діаграми інсоляції для різних кутів установки панелей. Звичайно, панель, що повертається слідом за Сонцем, поза конкуренцією (помаранчева лінія). Однак навіть в довгі літні дні її ефективність перевищує ефективність нерухомих горизонтальної (синя) і нахиленою під оптимальним кутом (червона) панелей всього лише приблизно на 30%. Але в ці дні тепла і світла і так вистачає! А ось в найбільш енергодефіцитний період з жовтня по лютий перевага поворотній панелі над нерухомими мінімально і практично невідчутно. Правда, в цей час компанію похилій панелі становить не горизонтальна, а вертикальна панель (зелена лінія). І це не дивно - низькі промені зимового сонця ковзають по горизонтальній панелі, але добре сприймаються майже перпендикулярній їм вертикальної. Тому в лютому, листопаді та грудні вертикальна панель за своєю ефективністю перевершує навіть похилу і майже не відрізняється від поворотною. У березні та жовтні день довший, і поворотна панель вже починає впевнено (хоча і не дуже сильно) перевершувати будь-які нерухомі варіанти, але ефективність похилій і вертикальної панелей практично однакова. І лише в період довгих днів з квітня по серпень горизонтальна панель по отриманої енергії випереджає вертикальну і наближається до похилої, а в червні навіть трохи перевершує її. Літній програш вертикальної панелі закономірний - адже, скажімо, день літнього сонцестояння триває в Москві понад 17 годин, а в передній (робочої) півсфері вертикальної панелі Сонце може перебувати не більше 12 годин, решта 5 з гаком годин (майже третина світового дня!) Воно знаходиться позаду неї. Якщо ж врахувати, що при кутах падіння понад 60 ° частка відбитого від поверхні панелі світла починає стрімко рости, а її ефективна площа скорочується в два рази і більше, то час ефективного сприйняття сонячного випромінювання для такої панелі не перевищує 8 годин - тобто менше 50 % від загальної тривалості дня. Саме цим пояснюється факт стабілізації продуктивності вертикальних панелей на протязі всього періоду довгих днів - з березня по вересень. І нарешті, трохи осторонь стоїть січень - в цьому місяці продуктивність панелей всіх орієнтацій практично однакова. Справа в тому, що цей місяць в Москві дуже похмурий, і більше 90% всієї сонячної енергії припадає нарассеянное випромінювання, а для такого випромінювання орієнтація панелі не дуже важлива (головне, не звернути її в землю). Однак кілька сонячних днів, все ж бувають в січні, знижують вироблення горизонтальній панелі на 20% в порівнянні з іншими.

Який же кут нахилу вибрати? Все залежить від того, коли саме Вам потрібна сонячна енергія. Якщо Ви хочете користуватися нею тільки в теплий період (скажімо, на дачі), то варто вибрати так званий «оптимальний» кут нахилу, перпендикулярний до середнього положення Сонця в період між весняним і осіннім рівноденнями. Він приблизно на 10 ° .. 15 ° менше географічної широти і для Москви становить 40 ° .. 45 °. Якщо ж енергія Вам потрібна цілий рік, то слід «вичавлювати» максимум саме в енергодефіцитні зимові місяці, а значить, треба орієнтуватися на середнє положення Сонця між осіннім і весняним рівноденнями і розміщувати панелі ближче до вертикалі - на 5 ° .. 15 ° більше географічної широти (для Москви це буде 60 ° .. 70 °). Якщо ж по архітектурним або конструктивних міркувань витримати такий кут неможливо і треба вибирати між кутом нахилу в 40 ° і менше або вертикальною установкою, слід віддати перевагу вертикальне положення. При цьому «недобір» енергії в довгі літні дні не такий критичний - в цей період повно природного тепла і світла, і потреба у виробленні енергії зазвичай не так велика, як взимку і в міжсезонні. Природно, нахил панелі повинен бути орієнтований на південь, хоча відхилення від цього напрямку на 10 ° .. 15 ° на схід або на захід мало що змінює і тому цілком допустимо.

Горизонтальне розміщення сонячних панелей на всій території Росії неефективно і абсолютно невиправдано. Крім занадто великого зниження вироблення енергії в осінньо-зимовий період, на горизонтальних панелях інтенсивно накопичується пил, а взимку ще й сніг, і видалити їх звідти можна тільки за допомогою спеціально організованої прибирання (як правило, вручну). Якщо ж нахил панелі перевищує 60 °, то сніг на її поверхні затримується мало і зазвичай швидко осипається сам по собі, а тонкий шар пилу добре змивається дощами.

оскільки в останнім часом ціни на сонячне обладнання знижуються, може виявитися вигідним замість єдиного поля сонячних панелей, орієнтованого на південь, використовувати два з більшою сумарною потужністю, орієнтованих на суміжні (південний схід і південний захід) і навіть протилежні (схід і захід) сторони світу. Це забезпечить більш рівномірне вироблення в сонячні дні і підвищене вироблення в похмуру погоду, при тому, що решта обладнання залишиться розрахованим на колишню, відносно невисоку потужність, а тому буде більш компактним і дешевим.

І останнє. Скло, поверхня якого не гладка, а має спеціальний рельєф, здатне набагато більш ефективно сприймати бічне світло і передавати його на робочі елементи сонячної панелі. Найбільш оптимальним представляється хвилеподібний рельєф з орієнтацією виступів і западин з півночі на південь (для вертикальних панелей - зверху вниз), - своєрідна лінійна лінза. Рифлене скло здатне збільшити вироблення нерухомою панелі на 5% і більше.

Традиційні типи установок для використання сонячної енергії

Час від часу з'являються повідомлення про падіння з даху чергової сонячної електростанції (СЕС) або опріснювальної установки. По всьому світу, від Африки до Скандинавії, застосовуються теплові сонячні колектори і фотоелектричні сонячні батареї. Ці методи використання сонячної енергії розвиваються вже не один десяток років, їм присвячено безліч сайтів в Інтернеті. Тому тут я розгляну їх у найзагальніших рисах. Втім, один найважливіший момент в Інтернеті практично не висвітлюється - це вибір конкретних параметрів при створенні індивідуальної системи сонячного енергопостачання. Тим часом це питання не таке просте, як здається на перший погляд. Приклад вибору параметрів для системи на сонячних батареях наведено на окремій сторінці.

Сонячні батареї

Взагалі кажучи, під «сонячною батареєю» можна розуміти будь-який набір однакових модулів, що сприймають сонячне випромінювання і об'єднаних в єдиний пристрій, в тому числі чисто теплових, але традиційно цей термін закріпився саме за панелями фотоелектричних перетворювачів. Тому під терміном «сонячна батарея» практично завжди мається на увазі фотоелектричний пристрій, безпосередньо перетворюють сонячне випромінювання в електричний струм. Ця технологія активно розвивається з середини XX століття. Величезним стимулом для її розвитку стало освоєння космічного простору, де конкуренцію сонячним батареям по виробленої потужності і тривалості роботи в даний час можуть скласти лише малогабаритні ядерні джерела енергії. За цей час ефективність перетворення сонячних батарей зросла з одного-двох відсотків до 17% і більше в масових відносно дешевих моделях і понад 42% у дослідних зразках. Значно збільшився термін служби і надійність роботи.

Переваги сонячних батарей

Головне достоїнство сонячних батарей - їх гранична конструктивна простота і повна відсутність рухомих деталей. Як наслідок цього - невелику питому вагу і невибагливість в поєднанні з високою надійністю, а також максимально простий монтаж і мінімальні вимоги до обслуговування під час експлуатації (зазвичай достатньо лише видаляти з робочої поверхні бруд у міру її накопичення). Представляючи собою плоскі елементи малої товщини, вони цілком успішно розміщуються на зверненому до сонця схилі даху або на стіні будинку, практично не вимагаючи для себе якогось додаткового місця і зведення окремих громіздких конструкцій. Єдина умова - ніщо не повинно затінювати їх протягом якомога більшого часу.

Ще один дуже важливий гідність - це те, що енергія виробляється відразу у вигляді електрики - в найбільш універсальною і зручною на сьогоднішній день формі.

На жаль, ніщо не вічне - ефективність фотоелектричних перетворювачів падає протягом терміну служби. Напівпровідникові пластини, з яких зазвичай складаються сонячні батареї, з часом деградують і втрачають свої властивості, в результаті і без того не надто високий ККД сонячних батарей стає ще менше. Тривала дія високих температур прискорює цей процес. Спочатку я наголошував на цьому як недолік фотоелектричних батарей, тим більше, що «сіли» фотоелементи відновити неможливо. Однак навряд чи який-небудь механічний електрогенератор зможе продемонструвати хоча б 1% працездатності всього лише через 10 років безперервної роботи - швидше за все він набагато раніше потребують серйозного ремонту через механічного зносу якщо не підшипників, то щіток, - а сучасні фотоперетворювачів здатні зберігати свою ефективність десятиліттями. За оптимістичними оцінками, за 25 років ККД сонячної батареї зменшується всього на 10%, а значить, якщо не втрутяться інші чинники, то навіть через 100 років збережеться майже 2/3 від початкової ефективності. Втім, для масових комерційних фотоелементів на полі і монокристаллическом кремнії чесні виробники та продавці призводять дещо інші цифри старіння - через 20 років слід очікувати втрати до 20% ефективності (тоді теоретично через 40 років ефективність складе 2/3 від початкової, скоротиться вдвічі за 60 років, а через 100 років залишиться трохи менше 1/3 від початкової продуктивності). Загалом, нормальний термін служби для сучасних фотоперетворювачів становить не менше 25 .. 30 років, так що деградація не так критична, і набагато важливіше вчасно стирати з них пил ...

Якщо ж батареї встановити таким чином, щоб природне запилення практично відсутнє або своєчасно змивалося природними же дощами, то вони зможуть працювати без будь-якого обслуговування протягом багатьох років. Можливість такої довгої експлуатації в необслуживаемом режимі - ще одна найважливіша перевага.

Нарешті, сонячні батареї здатні виробляти енергію зі світанку до заходу навіть у похмуру погоду, коли теплові сонячні колектори мають температуру, лише незначно відрізняється від температури навколишнього повітря. Звичайно, в порівнянні з ясним сонячним днем \u200b\u200bїх продуктивність падає у багато разів, але краще хоч щось, ніж зовсім нічого! У зв'язку з цим особливо цікаві розробки батарей з максимумом перетворення енергії в тих діапазонах, де хмари найменше поглинають сонячне випромінювання. Крім того, при виборі сонячних фотоперетворювачів слід звертати увагу на залежність вироблюваного ними напруги від освітленості - вона повинна бути якомога меншою (при зниженні освітленості в першу чергу повинен падати ток, а не напруга, оскільки інакше для отримання хоч якогось корисного ефекту в похмурі дні доведеться використовувати недешеве додаткове обладнання, примусово підвищує напругу до мінімально достатнього для зарядки акумуляторів і роботи інверторів).

Недоліки сонячних батарей

Звичайно, і недоліків у сонячних батарей чимало. Крім залежності від погоди і часу доби, можна відзначити наступне.

Невисокий ККД. Той же сонячний колектор при правильному виборі форми і матеріалу поверхні здатний поглинути майже все що потрапило на нього сонячне випромінювання практично у всьому спектрі частот, що несуть помітну енергію, - від далекого інфрачервоного до ультрафіолетового діапазону. Сонячні батареї же перетворюють енергію вибірково - для робочого збудження атомів потрібні певні енергії фотонів (частоти випромінювання), тому в одних смугах частот перетворення йде дуже ефективно, а інші частотні діапазони для них не приносять користі. Крім того, енергія уловлених ними фотонів використовується квантово - її «надлишки», що перевищують необхідний рівень, йдуть на шкідливий в даному випадку нагрів матеріалу фотоперетворювача. Багато в чому саме цим і пояснюється їх невисокий ККД.
До речі, невдало вибравши матеріал захисного покриття, можна помітно знизити ефективність роботи батареї. Справа ускладнюється тим, що звичайне скло досить добре поглинає високоенергетичну ультрафіолетову частину спектру, а для деяких типів фотоелементів саме на часі саме цей діапазон, - енергія інфрачервоних фотонів для них занадто мала.

Чутливість до високої температури. З підвищенням температури ефективність роботи сонячних батарей, як і майже всіх інших напівпровідникових приладів, знижується. При температурах вище 100..125 ° С вони взагалі можуть тимчасово втратити працездатність, а ще більший нагрів загрожує їх необоротним пошкодженням. До того ж підвищена температура прискорює деградацію фотоелементів. Тому необхідно вживати всіх заходів для зниження нагріву, неминучого під палючими прямими сонячними променями. Зазвичай виробники обмежують номінальний діапазон робочих температур фотоелементів до + 70 ° .. + 90 ° С (мається на увазі нагрівання самих елементів, а температура навколишнього повітря, природно, повинна бути набагато нижче).
Додатково ускладнює ситуацію те, що чутлива поверхня досить тендітних фотоелементів часто закривається захисним склом або прозорим пластиком. Якщо між захисним покривом і поверхнею фотоелемента залишиться повітряний прошарок, то утворюється своєрідний «парник», що збільшують перегрів. Правда, збільшивши відстань між захисним склом і поверхнею фотоелемента і з'єднавши зверху і знизу цю порожнину з атмосферою, можна організувати конвекційний потік повітря, природним чином охолоджуючий фотоелементи. Однак на яскравому сонці і при високій температурі зовнішнього повітря цього може виявитися недостатньо, до того ж такий метод сприяє прискореному запиленію робочої поверхні фотоелементів. Тому сонячна батарея навіть не дуже великих розмірів може зажадати спеціальної системи охолодження. Справедливості заради треба сказати, що подібні системи зазвичай легко автоматизуються, а привід вентилятора або помпи споживає лише малу частку енергії, що виробляється. При відсутності яскравого сонця великого нагріву немає і охолодження взагалі не потрібно, так що енергія, зекономлена на приводі системи охолодження, може бути використана для інших цілей. Слід зауважити, що в сучасних панелях заводського виготовлення захисне покриття зазвичай щільно прилягає до поверхні фотоелементів і відводить тепло назовні, але в саморобних конструкціях механічний контакт з захисним склом може привести до пошкодження фотоелемента.

Чутливість до нерівномірності засвічення. Як правило, для отримання на виході батареї напруги, більш-менш зручного для використання (12, 24 і більше вольт), фотоелементи з'єднуються в послідовні ланцюжки. Струм в кожній такій ланцюжку, а отже, і її потужність, визначається найслабшою ланкою - фотоелементом з гіршими характеристиками або з найменшою освітленістю. Тому якщо хоча б один елемент ланцюжка виявляється в тіні, він істотно знижує вироблення всього ланцюжка - втрати неспіврозмірні затінення (більш того, при відсутності захисних діодів такий елемент почне розсіювати потужність, що виробляється іншими елементами!). Уникнути непропорційного зниження вироблення можна, лише поєднавши все фотоелементи паралельно, однак тоді на виході батареї буде занадто великий струм при дуже малому напрузі - зазвичай для окремих фотоелементів воно становить всього 0.5 .. 0.7 В залежно від їх типу і величини навантаження.

Чутливість до забруднень. Навіть малопомітний шар бруду на поверхні фотоелементів або захисного скла може поглинути істотну частку сонячного світла і помітно знизити вироблення енергії. У курному місті це зажадає частого очищення поверхні сонячних батарей, особливо встановлених горизонтально або з невеликим нахилом. Безумовно, така ж процедура необхідна і після кожного снігопаду, і після пилової бурі ... Однак далеко від міст, промислових зон, жвавих доріг та інших сильних джерел пилу при куті нахилу 45 ° і більше дощі цілком здатні змивати природне запилення з поверхні панелей, «автоматично» підтримуючи їх в досить чистому стані. Та й сніг на такому ухилі, до того ж зверненому на південь, навіть в дуже морозні дні зазвичай довго не затримується. Так що далеко від джерел атмосферних забруднень панелі сонячних батарей можуть роками успішно працювати взагалі без будь-якого обслуговування, було б сонце в небі!

Нарешті, останнє, але найважливіше з перешкод для широкого і повсюдного поширення фотоелектричних сонячних батарей - їх досить висока ціна. Собівартість елементів сонячної батареї в даний час складає мінімум 1 $ / Вт (1 кВт -1000 $), і це для малоефективних модифікацій без урахування вартості збірки і монтажу панелей, а також без урахування вартості акумуляторів, контролерів зарядки і інверторів (перетворювачів виробляється низьковольтного постійного струму до побутового або промислового стандарту). У більшості випадків для мінімальної оцінки реальних витрат ці цифри слід помножити в 3-5 разів при самостійній збірці з окремих фотоелементів і в 6-10 разів при покупці готових комплектів обладнання (плюс вартість монтажу).

З усіх елементів системи енергопостачання на фотоелектричних батареях найкоротший термін служби мають акумулятори, однак виробники сучасних необслуговуваних акумуляторів стверджують, що в так званому буферному режимі вони пропрацюють близько 10 років (або відпрацюють традиційні 1000 циклів сильної зарядки-розрядки - якщо вважати по одному циклу в добу, то в такому режимі їх вистачить на 3 роки). Зазначу, що вартість акумуляторів зазвичай становить лише 10-20% від загальної вартості всієї системи, а вартість інверторів і контролерів заряду (і те, і інше - складні електронні вироби, і тому існує певна ймовірність їх виходу з ладу) - ще менше. Таким чином, беручи до уваги тривалий термін служби і можливість роботи на протязі довгого часу без будь-якого обслуговування, фотоперетворювачів за своє життя цілком можуть окупитися не один раз, і не тільки у віддалених районах, а й у обжитих місцевостях - якщо тарифи на електрику продовжать рости нинішніми темпами!

Сонячні теплові колектори

Назва «сонячні колектори» закріпилося за пристроями, що використовують безпосереднє нагрівання сонячним теплом, - як одиночними, так і нарощуваними (модульними). Найпростіший зразок теплового сонячного колектора - чорний водяний бак на даху вищезгаданого дачного душа (до речі, ефективність нагріву води в літньому душі можна помітно підвищити, спорудивши навколо бака міні-парничок хоча б з поліетиленової плівки; бажано, щоб між плівкою і стінками бака зверху і збоку залишався зазор в 4-5 см).

Однак сучасні колектори мало схожі на такий бак. Зазвичай вони представляють собою плоскі конструкції з тонких зачернённих трубок, покладених у вигляді решітки або змійкою. Трубки можуть кріпитися на зачернённом ж теплопровідних аркуші-підкладці, який уловлює сонячне тепло, що потрапляє в проміжки між ними - це дозволяє зменшити загальну довжину трубок без втрати ефективності. Для зниження тепловтрат і підвищення нагріву колектор зверху може бути закритий листом скла або прозорого стільникового полікарбонату, а зі зворотного боку теплорозподільного листа даремні втрати тепла запобігає шар теплоізоляції - виходить своєрідна «теплиця». За трубці рухається нагрівається вода або інший теплоносій, який може збиратися в накопичувальному термоізольованому баку. Рух теплоносія відбувається під дією насоса або самопливом за рахунок різниці щільності теплоносія до і після теплового колектора. В останньому випадку для більш-менш ефективної циркуляції потрібен ретельний вибір ухилів і перетинів труб і розміщення самого колектора якнайнижче. Але зазвичай колектор розміщується в тих же місцях, де і сонячна батарея - на сонячній стіні або на сонячному схилі даху, правда додатково десь треба розмістити і накопичувальний бак. Без такого бака при інтенсивному розборі тепла (скажімо, якщо треба наповнити ванну або прийняти душ) ємності колектора може не вистачити, і через невеликий час з крана потече трохи підігріта вода.

Захисне скло, звичайно, дещо знижує ефективність колектора, поглинаючи і відбиваючи кілька відсотків сонячної енергії, навіть якщо промені падають перпендикулярно. Коли ж промені потрапляють на скло під невеликим кутом до поверхні, коефіцієнт відображення може наближатися до 100%. Тому при відсутності вітру і необхідності лише невеликого нагрівання щодо навколишнього повітря (на 5-10 градусів, скажімо, для поливу городу) «відкриті» конструкції можуть бути більш ефективні, ніж «засклені». Але як тільки потрібно різницю температур в декілька десятків градусів або якщо піднімається навіть не дуже сильний вітер, тепловтрати відкритих конструкцій стрімко зростають, і захисне скло при всіх своїх недоліках стає необхідністю.

Важливе зауваження - необхідно враховувати, що в спекотний сонячний день при відсутності розбору вода може перегрітися вище температури кипіння, тому в конструкції колектора необхідно прийняти відповідні запобіжні заходи (передбачити запобіжний клапан). У відкритих колекторах без захисного скла такого перегріву зазвичай можна не побоюватися.

Останнім часом починають широко використовуватися сонячні колектори на так званих теплових трубках (не плутати з «тепловими трубками», застосовуваними для відводу тепла в системах охолодження комп'ютерів!). На відміну від розглянутої вище конструкції, тут кожна нагрівається металева трубка, по якій циркулює теплоносій, впаяна всередину скляної трубки, а з проміжку між ними відкачано повітря. Виходить аналог термоса, де за рахунок вакуумної теплоізоляції тепловтрати зменшуються в 20 разів і більше. В результаті, за твердженням виробників, при морозі в -35 ° С зовні скла, вода у внутрішній металевій трубці зі спеціальним покриттям, що поглинає максимально широкий спектр сонячного випромінювання, нагрівається до +50 .. + 70 ° С (перепад понад 100 ° С) .Ефективність поглинання в поєднанні з відмінною теплоізоляцією дозволяють нагрівати теплоносій навіть в похмуру погоду, хоча потужність нагріву, звичайно, в рази менше, ніж при яскравому сонці. Ключовим моментом тут є забезпечення схоронності вакууму в зазорі між трубками, тобто вакуумної герметичності стику скла і металу, в дуже широкому діапазоні температур, що досягає 150 ° С, протягом усього терміну експлуатації, що становить багато років. З цієї причини при виготовленні таких колекторів не обійтися без ретельного узгодження коефіцієнтів температурного розширення скла і металу і високотехнологічних виробничих процесів, а значить, в кустарних умовах навряд чи вдасться зробити повноцінну вакуумну теплову трубку. Але більш прості конструкції колекторів без проблем виготовляються самостійно, хоча, звичайно, їх ефективність дещо менше, особливо взимку.

Крім описаних вище рідинних сонячних колекторів, існують і інші цікаві типи конструкцій: повітряні (теплоносій - повітря, і замерзання йому не страшно), «сонячні ставки» та ін. На жаль, більшість досліджень і розробок по сонячним колекторам присвячено саме рідинним моделям, тому альтернативні види серійно практично не виробляються і відомостей про них не так вже й багато.

Переваги сонячних колекторів

Найважливіша гідність сонячних колекторів - простота і відносна дешевизна виготовлення їх цілком ефективних варіантів, що поєднується з невибагливістю в експлуатації. Необхідний мінімум для того, щоб зробити колектор своїми руками - це кілька метрів тонкої труби (бажано мідної тонкостінної - її можна зігнути з мінімальним радіусом) і трохи чорної фарби, хоча б бітумного лаку. Згинаємо трубку змійкою, фарбуємо чорною фарбою, розміщуємо в сонячному місці, підключаємо до водяної магістралі, - і ось найпростіший сонячний колектор вже готовий! При цьому змійовика легко можна надати майже будь-яку конфігурацію і максимально використовувати все виділене для колектора місце. Найбільш ефективним зачорнінням, яке можна нанести в кустарних умовах і яке до того ж дуже стійке до високих температур і прямого сонячного світла, є тонкий шар сажі. Однак сажа легко стирається і змивається, тому для такого зачернения обов'язково потрібно захисне скло і спеціальні заходи, щоб запобігти можливому потраплянню конденсату на вкриту сажею поверхню.

Інше найважливіше гідність колекторів полягає в тому, що на відміну від сонячних батарей, вони здатні вловити і перетворити в тепло до 90% потрапив на них сонячного випромінювання, а в найбільш вдалих випадках - і більше. Тому не тільки в ясну погоду, але і при легкої хмарності ККД колекторів перевершує ККД фотоелектричних батарей. Нарешті, на відміну від фотоелектричних батарей, нерівномірність засвічення поверхні не викликає непропорційного зниження ефективності колектора - важливий лише загальний (інтегральний) потік випромінювання.

Недоліки сонячних колекторів

Зате сонячні колектори більш чутливі до погоди, ніж сонячні батареї. Навіть на яскравому сонці свіжий вітер здатний у багато разів знизити ефективність нагріву відкритого теплообмінника. Захисне скло, звичайно, різко скорочує втрати тепла від вітру, але в разі щільної хмарності і воно безсиле. У похмуру вітряну погоду толку від колектора практично немає, а сонячна батарея хоч трохи енергії, і розвиває.

Серед інших недоліків сонячних колекторів насамперед виділю їх сезонність. Досить коротких весняних або осінніх нічних заморозків, щоб утворився в трубах нагрівача лід створив небезпеку їх розриву. Звичайно, це можна виключити, підігріваючи холодними ночами «тепличку» зі змійовиком стороннім джерелом тепла, проте в такому випадку загальна енергетична ефективність колектора легко може стати негативною! Інший варіант - двоконтурний колектор з антифризом в зовнішньому контурі - не зажадає витрати енергії на підігрів, але буде набагато складніше одноконтурних варіантів з прямим нагріванням води як у виготовленні, так і при експлуатації. Повітряні конструкції в принципі не можуть замерзнути, але там є інша проблема - низька питома теплоємність повітря.

І все ж, мабуть, головний недолік сонячного колектора полягає в тому, що він є саме нагрівальним приладом, причому хоча промислово виготовлені зразки при відсутності розбору тепла можуть нагріти теплоносій до 190..200 ° С, зазвичай досягається температура рідко перевищує 60..80 ° С. Тому використовувати здобуту тепло для отримання істотних обсягів механічної роботи або електричної енергії вельми скрутно. Адже навіть для роботи самої низькотемпературної паро-водяної турбіни (наприклад тієї, яку свого часу описав В.А.Зисін) необхідно перегріти воду хоча б до 110 ° С! А безпосередньо у вигляді тепла енергія, як відомо, довго не зберігається, та й при температурі менше 100 ° С її зазвичай можна використовувати лише в гарячому водопостачанні та опаленні будинку. Втім, з урахуванням низької вартості і простоти виготовлення це може бути цілком достатньою причиною для створення власного сонячним колектором.

Справедливості заради потрібно відзначити, що «нормальний» робочий цикл теплової машини можна організувати і при температурах нижче 100 ° С - або якщо температуру кипіння знизити, знижуючи тиск в випарної частини за допомогою відкачування звідти пара, або використавши рідина, температура кипіння якої лежить між температурою нагрівання сонячного колектора і температурою навколишнього повітря (оптимально - 50..60 ° С). Правда, я можу згадати лише одну НЕ екзотичну і відносно безпечну рідину, більш-менш задовольняє цим умовам - це етиловий спирт, в нормальних умовах киплячий при 78 ° С. Очевидно, що в такому випадку обов'язково доведеться організовувати замкнутий цикл, вирішуючи безліч пов'язаних з цим проблем. У деяких ситуаціях перспективним може бути застосування двигунів із зовнішнім нагрівом (двигунів Стірлінга). Цікавим в цьому плані може бути і використання сплавів з ефектом пам'яті форми, про які на цьому сайті розказано в статті І.В.Найгеля - їм для роботи достатньо температурного перепаду всього в25-30 ° С.

Концентрація сонячної енергії

Підвищення ефективності сонячного колектора насамперед полягає в стійкому підвищенні температури води, що нагрівається вище температури кипіння. Для цього зазвичай застосовується концентрація сонячної енергії на колекторі за допомогою дзеркал. Саме такий принцип лежить в основі більшості сонячних електростанцій, відмінності полягають лише в кількості, конфігурації і розміщенні дзеркал і колектора, а також в методах управління дзеркалами. В результаті в точці фокусування цілком можливе досягнення температури навіть не в сотні, а в тисячі градусів, - при такій температурі вже може відбуватися пряме термічний розклад води на водень і кисень (отриманий водень можна спалювати вночі і в похмурі дні)!

На жаль, ефективна робота подібної установки неможлива без складної системи управління дзеркалами-концентраторами, які повинні відслідковувати постійно змінюється положення Сонця на небі. В іншому випадку вже через кілька хвилин точка фокусування покине колектор, який в таких системах часто має вельми невеликі розміри, і нагрів робочого тіла припиниться. Навіть використання дзеркал-параболоїдів вирішує проблему лише частково - якщо їх періодично НЕ доворачивать слідом за Сонцем, то через кілька годин воно вже не буде потрапляти в їх чашу або стане висвітлювати лише її край - толку від цього буде небагато.

Найпростіший спосіб концентрації сонячної енергії в «домашніх» умовах - це горизонтально покласти дзеркало біля колектора так, щоб більшу частину дня «сонячний зайчик» потрапляв на колектор. Цікавий варіант - використовувати в якості такого дзеркала поверхню спеціально створеного біля будинку водойми, особливо якщо це буде не звичайний водойму, а «сонячний ставок» (хоча зробити це непросто, а ефективність відображення буде набагато менше, ніж у звичайного дзеркала). Гарний результат може дати створення системи вертикальних дзеркал-концентраторів (ця затія зазвичай набагато більш клопітка, але в деяких випадках цілком виправданою може виявитися проста установка великого дзеркала на сусідній стіні, якщо вона утворює з колектором внутрішній кут, - все залежить від конфігурації і розташування будівлі та колектора ).

Перенаправлення сонячного випромінювання за допомогою дзеркал може підвищити і вироблення фотоелектричної батареї. Але при цьому зростає її нагрівання, а він може вивести батарею з ладу. Тому в даному випадку доводиться обмежуватися відносно невеликим виграшем (на кілька десятків відсотків, але не в рази), і потрібно ретельно контролювати температуру батареї, особливо в спекотні ясні дні! Саме через небезпеку перегріву деякі виробники фотоелектричних батарей прямо забороняють експлуатацію своїх виробів при підвищеної освітленості, створеної за допомогою додаткових відбивачів.

Перетворення сонячної енергії в механічну

Традиційні типи сонячних установок не мають на увазі безпосереднього отримання механічної роботи. До сонячної батареї на фотоперетворювачах для цього треба підключити електродвигун, а при використанні теплового сонячного колектора перегрітий пар (а для перегріву навряд чи вдасться обійтися без дзеркал-концентраторів) треба подати на вхід парової турбіни або в циліндри парової машини. Колектори з відносно невеликим нагріванням можуть перетворювати тепло в механічний рух більш екзотичними способами, наприклад за допомогою актуаторов зі сплавів з ефектом пам'яті форми.

Проте, існують і установки, що припускає перетворення сонячного тепла в механічну роботу, безпосередньо закладене в їх конструкцію. Причому розміри і потужність їх найрізноманітніші - це і проект величезної сонячної вежі висотою в сотні метрів, і скромний сонячний насос, якому саме місце на дачній ділянці.