Определение интенсивности солнечного излучения

Количество поступающей на земную поверхность солнечной радиации может быть определено двумя методами: непосредственным измерением и косвенным измерением на основе использования интерполирующих формул. Для измерения солнечной радиации используют пиргелиометр (от греч. pir - огонь) – прибор, измеряющий интенсивность прямой солнечной радиации по тому количеству тепла, которое получает поглощающее ее абсолютно черное тело; для измерения суммарной радиации - пиранометр. В пиргелиометре Ангстрема приводятся в соответствие тепловые эффекты облучения приемника солнечной энергии и электронагрева затененного элемента. Уровень электронагрева измеряют обычными методами электрических измерений.

Пиргелиометр Аббота с серебряным диском является также стандартным прибором, в котором скорость изменения температуры диска приближенно пропорциональна интенсивности падающего излучения. Все приборы калибруются в соответствии с Международной пиргелиометрической шкалой (1956 г.). Пиранометрами можно измерять не только суммарную радиацию, но и диффузную при затенении прибора от прямых солнечных лучей. Принцип действия большинства пиранометров основан на измерении разности температур черных (поглощающих излучение) и белых (отражающих излучение) поверхностей с помощью термоэлементов. Последние дают сигнал в милливольтах, что облегчает контроль с помощью целого ряда стандартных приборов. Характерным примером прибора такого типа является пиранометр Эппли.

Существуют пиранометры, принцип действия которых основан на свойстве биметаллических пластин иметь различное расширение при нагревании. Применяют измерительные приборы на основе солнечных элементов.

Для оценки уровня солнечной радиации там, где невозможно провести прямые измерения, применяют косвенные методы. При этом исходной информацией является продолжительность солнечного сияния, наблюдение за которым ведется почти на всех метеостанциях. Она измеряется с помощью самопишущего прибора - гелиографа. Применяемая здесь сферическая линза фокусирует солнечное излучение на термочувствительную бумагу. При определенном уровне солнечной радиации на бумаге появляется след в виде прожога.

Продолжительность солнечного сияния можно связать с суммарной радиацией (энергией) с помощью уравнения регрессии:

(3.2)

где Н - суммарная энергия на горизонтальной поверхности; Н₀ - эталонное (условное) значение суммарной энергии (лучше использовать внеатмосферное (в космосе) значение солнечной энергии); и S₀ - действительная и возможная продолжительность солнечного сияния соответственно; а, b - постоянные коэффициенты.

По данному уравнению можно определить осредненную (за месяц) суммарную солнечную энергию, поступающую на горизонтальную поверхность.

При решении практических задач необходимо знать количество солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность, а также учитывать колебания ее по времени в течение месяца, сезона, года.

Среднемесячный дневной приход суммарной солнечной энергии на наклонную поверхность можно определить по выражению

где R - отношение среднемесячных дневных приходов суммарной энергии на наклонную и горизонтальную поверхности.

Для определения значения R необходимо знать составляющие солнечной энергии: прямую, рассеянную и отраженную. Предположив, что рассеянная энергия по небосводу распределена равномерно, можно записать:

(3.4)

где R_b - отношение среднемесячных приходов прямой энергии на наклонную и горизонтальную поверхности; j_k - угол наклона коллектора к горизонту; r- отражательная способность Земли, r=0,2...0,7.

Максимальное значение отражательной способности соответствует зимним условиям, когда имеется снежный покров.

Доля диффузной составляющей в суммарной энергии H_d / H зависит от показателя облачности K_T=H/H₀. Эту зависимость можно представить в виде

.

(3.5)

Теоретически R_b является функцией пропускательной способности атмосферы. Однако эту величину можно определить как отношение приходов внеатмосферной радиации на наклонную и горизонтальную поверхности. Для поверхностей, ориентированных на юг, R_b находится из уравнения

(3.6)

где γ- широта местности (для северного полушария значение положительное); w_s - часовой угол захода Солнца на горизонтальной поверхности; - часовой угол захода Солнца на наклонной поверхности; d- склонение Солнца:

(3.7)

(3.8)

(3.9)

где n - порядковый номер дня года.

Таким образом, среднемесячные значения солнечной суммарной энергии могут служить исходными данными при расчете солнечных установок. Учет же вариации солнечной энергии по времени необходим при объективной оценке возможности использования солнечных установок, то есть для определения вырабатываемой энергии за известный промежуток времени.

Изучение внутри месяца структуры солнечной энергии и прежде всего режима повторяемости ее суточных сумм позволит получить вероятностную оценку не только для суммарной энергии, но и для продолжительности солнечного сияния. В нашей стране для некоторых регионов вероятностные характеристики солнечной энергии и продолжительности солнечного сияния известны. Так графики обеспеченности продолжительности солнечного сияния для зоны Южного Урала приведены на рис.3.2.

Рис.3.2.Графики суточной продолжительности солнечного сияния для зоны Южного Урала:

1,2,3 и т.д. - обозначение месяцев - январь, февраль, март и т.д. соответственно;

а), б), в) и г) - объединение близких по характеру зависимостей.

По среднемесячным значениям продолжительности солнечного сияния можно определить ее обеспеченность в течение месяца. Так, в июне не менее чем 8-часовая продолжительность солнечного сияния ожидается с вероятностью (обеспеченностью) р(s)=0,68 (рис.3.2, г). Это значит, 20 дней из 30 ожидается S 8 ч.

Солнечная радиация в течение дня поступает симметрично относительно полудня, то есть в 12 ч по солнечному времени наблюдается максимальное значение уровня солнечной радиации, а по мере приближения к полудню или удаления от него изменяется соответственно. Например, уровень радиации одинаков в 11 и 13 ч, в 10 и 14 ч и т.д. На практике, как правило, нужно знать количество суммарной солнечной радиации, поступившей за день, а не за каждый час. Поэтому достаточно иметь данные о среднемесячной суммарной радиации с вероятностной оценкой в течение месяца.