Глава первая ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

Солнце — гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Его масса (2-10зо кг) в 333 тыс. раз превышает массу Земли, а объем в 1,3 млн. раз больше объема Земли. Химический состав Солнца: 81,76 % водорода, 18,14 % гелия и 0,1 % азота. Средняя плотность вещества Солнца равна 1400 кг/м^, а в его центре она достигает 76 000 кг/м^. Внутри Солнца происходят термоядерные , реакции превращения, водорода в гелий и ежесекундно 4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины. Мощность потока солнечного излучения составляет 4-10^^ кВт. В центре Солнца давление достигает огромного значения в 2-10° МПа ;(около 204 млрд. ат), а температура по разным оценкам составляет 8—40 млн. К, температура фотосферы на поверхности Солнца приблизительно равна 5900 К.

Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Еще в 212 г. до н.э. с помощью концентрированных солнечных лучей зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий ученый Архимед при защите родного города поджег паруса кораблей римского флота.

Солнечная радиация — это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. На Землю попадает незначительная доля излучаемой Солнцем энергии, причем 95 % поступающей солнечной энергии —• это коротковолновое излучение в диапазоне длин - ВОЛН от 0,3 до 2,4 MKUL!

Верхней грайщы атмосферы Земли за год достигает

поток солнечной энергии в количестве 5,6-10^* Дж. Атмосфера Земли отражает 35 % этой энергии, т. е. 1,9Х ХЮ^* Дж, обратно в космос, а остальная энергия расходуется на нагрев земной поверхности (около 2,4 10^* Дж), испарительно-осадочный цикл (около 1,3-10^ Дж) и образование волн в морях и океанах, воздушных и океанских течений и ветра (около l,2•10^2 Дж). Мощность потока солнечного излучения у верхней границы атмосферы Земли равна 1,78-10 Вт, а на поверхности Земли 1,2-10" Вт.

Плотность потока солнечной энергии /о у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную перпендикулярно направлению солнечных лучей, составляет 1353 Вт/м^ и называется солнечной постоянной, а среднее количество энергии ^о.н, поступающей за 1 ч на 1 м* этой поверхности, равно 4871 кДж/(ч-м^). Вследствие вращения Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите расстояние между ними в течение года изменяется в пределах 150 млн. км±1,7%, а часовое количество внеатмосферной солнечной энергии, поступающей па 1 м* нормальной поверхности, изменяется в течение года менее чем на 7 % — от 4710 до 5036 кДлi/(ч•м^).

Годовое количество поступающей на Землю солнечной энергии составляет 1,05-10^ кВт-ч, причем на поверхность суши приходится только Vs часть этой энергии, т.е. 2-10 кВт-ч. (Заметим, что 1 кВт-ч = 3600 кДж, а 1000 кДж=278.Вт-ч.) К этому добавляются энергия ветра (1,58-10^ кВт-ч в год с мощностью 1,8-10^ кВт) и другие косвенные виды солнечной энергии.

Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5% всей падающей на Землю солнечной энергии, т.е. 1,62-10® кВт-ч в год (что эквивалентно огромному количеству топлива — 2-10^ т условного топлива), при этом мощность потока энергии составляет 1,85.102 кВт.

Распределение глобального потока солнечной радиации на поверхности земного шара крайне неравномерно. Количество солнечной энергии, поступающей за год иа 1 м^ поверхности Земли, изменяется приблизительно от 3000 МДж/м^ на севере до 8000 MДж/м^ в наиболее жар-ких пустынных местах (рис. 1).

■ Т^р^негодовое количество солнечной энергии, поступающей за 1 день на 1 м^ поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДн^/м^ на севере до 21,4 МДж/м^ в пустынях и

I паюш

о

Ш

о ^

сз

S а

Э -

со

«5

о й 2

о я « в-S я а. ч с:

g«

" a.

тропиках. Среднегодовая плотность потока солнечного излучения составляет ZJ^—^f^O Вт/м^ в субтропических областях и пустынях, 130—210 Вт/м^ в центральной части СССР и. 80—130 Гт/м^ на севе"рё~ СССР. Пиковая плотность потока солнечной энергии достигает 1 кВт/м^..

Солнечное излучение у верхней границы земной атмосферы приблизительно соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 5900 К и включает ультрафиолетовое излучение (длина волн Я от 0,2 до 0,4 мкм), видимый свет (Я от 0,4 до 0,78 мкм) и инфракрасное излучение с более длинными волнами. Максимум интенсивности солнечного излучения приходится на длину волны 0,5 мкм.

При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается и поглощается молекулами озона, воздуха и водяного пара, а также частицами пыли — это приводит к ослаблению прямого солнечного излучения и появлению диффузного (рассеянного) излучения. Часть энергии, поглощенной и рассеянной газовыми частицами, возвращается обратно в космическое пространство, а основной ее поток достигает поверхности Земли в виде рассеянного (диффузного) излучения. Доля рассеянного (диффузного) излучения;»

Таблица I. Среднемесячное дневное поступление суммарной солнечной энергии на поверхность Земли Е, МДж/м^ в день

Ширина, град

поток

общем потоке поступающей солнечной радиации зависит от географических и климатологических факторов и изменяется в течение года. Так, в Киеве она изменяется от 0,39 в июле до 0,75 в декабре, в Москве — соответственно от 0,54 до 0,8, в Ташкенте — от 0,19 до 0,5, а в Ашхабаде — от 0,3 до 0,5. В табл. 1 показано распределение среднемесячного дневного поступления солнечной энеп-- гии на 1 м^ горизонтальной поверхности на всех широтах — от экватора до северного полюса.

£500 --

2ш1

iSOO \~

О 0,4 0,3 1,2 J,6 2fi 2,4 2,Ь 3,2

Рнс. 2. Интенсивность прямого солнечного излучения выше атмосферы Земли (/о), на уровне моря (/) и излучения абсолютно черного тела при температуре 5900 К (/о^) в зависимости от длины волны А,

На рис. 2. показано спектральное распределение интенсивности прямого солнечного излучения / у верхней границы атмосферы и на уровне моря в сравнении с излучением абсолютно черного тела при температуре 5900 К. На рис.3 приведено изменение суточного прихода суммарного солнечного излучения на вертикальные поверхности с южной [а) и восточной или западной [б) ориентацией, расположенные на различных широтах — на экваторе (5), северном полюсе (СП), у полярного круга (ПК) и на широте 30, 42, 50 и 60° с. ш.

21,3 21,5 22,1 22,9 22,11 20,1 21,3 Дата а)

Дата 5}

.Рис. 3. Количество суммарной солнечной энергии, поступающей па вертикальную поверхность с южной (а) и восточной (б) ориента-

цией:

5 —экватор; СЯ —северный полюс; Л/С—полярный круг, широта 30, 42, 60,

60° с. ш.