Солнечная энергия

Количество солнечной радиации выражают в джоулях или в калориях. Джоуль – это работа силы в 1 ньютон на пути 1 м. Одна калория характеризует количество тепла, которое требуется передать одному грамму воды, чтобы увеличить ее температуру на 1 градус. Работа в результате трения превращается в тепло. Между джоулем и калорией существует постоянное соотношение: 1 кал = 4,1868 Дж.

Приток прямой солнечной радиации на земную поверхность характеризуется интенсивностью радиации I, т.е. количеством лучистой энергии, поступающим за единицу времени (одну минуту или секунду) на единицу площади поверхности (один квадратный сантиметр или один квадратный метр), перпендикулярной к солнечным лучам.

Интенсивность радиации чаще выражают в следующих единицах: кал/см²мин, или Дж/м²с. Легко показать, что 1 кал/см²мин = 697,8Дж/м²с. Поскольку 1 Дж/с = 1 ватт, то можно записать 1Дж/м²с = 1 Вт/м².

Интенсивность солнечной радиации перед вступлением ее в атмосферу (на верхней границе атмосферы) называют солнечной постоянной. Солнечная постоянная зависит только от излучательной способности Солнца и от расстояния между Землей и Солнцем. Как было сказано выше, Земля вращается вокруг Солнца по мало растянутому эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце (рис. 2.1). В начале января она наиболее близка к Солнцу (147 млн км), в начале июля – наиболее далека от него (152 млн км). Так как интенсивность радиации меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, то солнечная постоянная в течение года меняется на ±3,5%. При среднем расстоянии Земли от Солнца солнечная постоянная равна 2,00 ± 0.04 кал/см²мин. За стандартное ее значение по международному соглашению принята величина 1,98 кал/см²мин (1381,6 Дж/м²с, или 1381,6 Вт/м²). Данная величина относится к современной эпохе. Несомненно, что за время существования Солнца солнечная постоянная изменялась, поскольку с течением времени излучение Солнца меняется.

На освещенное полушарие Земли на верхней границе атмосферы за одну минуту падает количество солнечной энергии, равное произведению солнечной постоянной на площадь большого круга Земли (πr²). При среднем радиусе Земли 6371 кмэта площадь равна 12,75´10¹⁷ см², а приходящая на нее за одну минуту лучистая энергия равна 25´10¹⁷ кал. За год Земля получает 1,37´ I0²⁴ кал. В среднем на каждый квадратный километр земной поверхности приходится за год 2,6´10¹⁵ кал. Все существующие на Земле запасы каменного угля равноценны тридцатилетнему притоку сол­нечной радиации к Земле. За 1,5 суток Солнце дает Земле столько же энергии, сколько дают электростанции всех стран в течение года. При этом солнечная радиация, приходящая к Земле, – менее чем одна двухмиллиардная доля всего излучения Солнца.

Рассмотрим, следуя [85], поток солнечной радиации, поступающий к земной поверхности под углом h (рис. 2.3.), этот уголназывается высотой Солнца. На поверхности АВ и АС падает один и тот же поток солнечной энергии, но поверхность АС по площади больше АВ, следовательно, интенсивность радиации, поступающей на единицу площади АС, меньше, чем на АВ.

Рис. 2.3. Приток солнечной радиации на поверхность, перпендикулярную к лучам (АВ), и на горизонтальную поверхность (АС)

Обозначим I интенсивность прямой радиации на поверхность АВ; S – ее площадь; I´ и S´ соответственно то же самое на поверхность АС (земная поверхность). Так как общий поток радиации на обе поверхности одинаков, можем записать I×S= I'×S´, откуда I´= I×(S/S´). Но площадка S относится к площадке S´, как АВ к АС. Следовательно, I´= I (АВ/ АС), или

I´= I sin h. (2.1)

Очевидно, что I´ равно I только тогда, когда Солнце находится в зените (угол h = 90°), а во всех остальных случаях I´ меньше I. Иными словами, чем меньше угол падения солнечных лучей h, тем меньше интенсивность приходящей на земную поверхность солнечной радиации.

Как известно, земная ось наклонена к плоскости орбиты вращения Земли вокруг Солнца под углом 66°33´.

Именно по этой причине угол падения солнечных лучей к земной поверхности h (высота Солнца) меняется в зависимости от положения Земли на орбите ее движения вокруг Солнца, что и приводит к смене времен года.

Рис. 2.4. Положение Земли 21 июня

Например, на рис. 2.4изображено положение Земли 21 июня, когда лучи Солнца на Северном тропике падают отвесно. В это время в северном полушарии самое теплое время года, а в южном – самое холодное. Действительно, на рис. 2.4равные потоки солнечной энергии представлены полосами А, Б и В. Из-за кривизны земной поверхности энергия потока Б (в районе Северного тропика) распределится на меньшую поверхность, потока А – на несколько большую, тогда как для потока В – на самую большую. Соответственно, территория, на которую приходится поток Б, будет самой теплой, поток А – менее теплой, поток В – самой холодной. Следовательно, в северном полушарии 21 июня окажется значительно теплее, чем в южном.