Энергетические характеристики солнечного излучения

Площадь, ограниченная этой кривой, равна солнечной постоянной G_C = 1353 Вт/м². Солнечная постоянная представляет собой плотность потока солнечного излучения (или интенсивность солнечного излучения) над атмосферой Земли на расстоянии 1,496·10⁸ км от Солнца (среднее расстояние между Землей и Солнцем).

В строгом понимании солнечная постоянная не является постоянной и изменяется на ±1,5% из-за малой эллиптичности орбиты Земли вокруг Солнца (±4%).

Спектр солнечного излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой приблизительно 5800 К, и его можно разделить на три основные области:

§ ультрафиолетовое излучение (λ < 0,4 мкм) – 9%;

§ видимое излучение (0,4 мкм < λ < 0,7 мкм) – 45%;

§ инфракрасное излучение (λ > 0,7 мкм) – 46%.

Проходя через атмосферу, солнечное излучение частично поглощается и рассеивается, и на поверхности Земли имеет меньшую интенсивность. Интенсивность солнечного излучения имеет сезонный характер и изменяется в течение суток. Параметры солнечного излучения, попадающего на земную поверхность, регистрируются метеостанциями в течение многих лет. Однако данные метеостанций являются усредненными, и текущие значения заметно отличаются от средних значений.

Физические основы процесса преобразования энергии солнечного излучения в тепло

Принцип получения тепла очень простой – лучистая энергия солнечного излучения поглощается веществом и переходит в кинетическую энергию атомов вещества, которые при увеличении колебаний увеличивают свою температуру. Теплоту от нагретого тела можно передавать различными способами менее нагретому телу.

Поток лучистой энергии, поглощаемой каким либо приемником солнечного излучения, равен /2, 3, 8, 9/:

Р_С = α_ПР F_ПР G_ПР                                                                        (3.4)

где Р_С – поток лучистой энергии, поглощаемый приемником солнечного излучения, Вт;

α_ПР – коэффициент поглощения поверхностью приемника солнечного излучения;

 F_ПР – площадь освещаемой поверхности, м²;

N_ПР – интенсивность солнечного излучения на приемник, Вт/м².

Приемник солнечного излучения, нагреваясь до температуры, превышающей температуру окружающей среды, сам начинает отдавать тепло в окружающую среду. Поток отдачи тепла определяется по формуле /9/:

                                       (3.5)

Здесь Т_ПР – температура поверхности приемника, К;

 Т_ОС – температура окружающей среды, К;

 β_ПР – коэффициент теплоотдачи, Вт/К·м²;

 R_t – термическое сопротивление, К·с/Дж.

Результирующий поток тепла равен геометрической сумме потока лучистой энергии от Солнца и потока теплоотдачи в окружающую среду:

                            (3.6)

где η_СИ – коэффициент захвата солнечного излучения.

Как следует из (3.5) для более полного использования энергии солнечного излучения для нагрева приемника необходимо увеличивать коэффициент захвата солнечного излучения, то есть, увеличивать коэффициент поглощения солнечного излучения приемника и его термическое сопротивление. Последнее эквивалентно уменьшению коэффициента теплоотдачи. Эти условия учитываются при создании солнечных коллекторов – нагревательных устройств.