Солнечная энергия, как и ветровая, присутствует в любой точке поверхности Земли. Количество энергии, посылаемое Солнцем на Землю, огромно. Так, мощность потока солнечной радиации, посту­пающей на площадь в 10 км, составляет в летний безоблачный день 7...9 млн. кВт [20]. Эта величина больше, чем мощность Красноярской ГЭС.

Лучистая энергия, проходя через атмосферу, рассеивается и по­глощается. Достигая земной поверхности, солнечная радиация частично отражается. Неотраженная часть радиации поглощается, превращаясь в тепло. Нагретая поверхность, в свою очередь, становится источником собственного излучения, направленного к атмосфере. Атмосфера, на­гревающаяся за счет теплообмена с земной поверхностью, также явля­ется источником излучения, направленного к земной поверхности и в мировое пространство.

Алгебраическая сумма приходных и расходных составляющих ра­диации представляет собой радиационный баланс, уравнение которого имеет вид

В - S + D + Eg Ек - Eg

или

B = Q - RK - Еэф,

і

где S - прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность; D - рассеянная солнечная радиация; Ек - отраженная коротковолновая радиация; Ео - противоизлучение атмосферы; Ез - излучение земной по­верхности; Q - суммарная солнечная радиация; Еэф = Ез - Ео - эффек­тивное излучение.

Под прямой солнечной радиацией S понимают пучок параллель­ных лучей, исходящих непосредственно от солнца и околосолнечной зоны радиусом 5о. Доля этой радиации, приходящаяся на горизонталь­ную поверхность, вычисляется по формуле

S = S ■ sin h,

где h - высота солнца над горизонтом.

Рассеянная солнечная радиация поступает на поверхность земли от всех точек небесного свода за исключением диска солнца и около­солнечной зоны радиусом 5о. Рассеянное излучение обусловлено моле­кулами атмосферных газов, водяными каплями или ледяными кристал­лами облаков, твердыми частицами, взвешенными в воздухе.

Интенсивность радиации удобно измерять в Ваттах на 1 м, а ее энергию за определенное время в киловатт-часах на 1 м - кВтч/м.

Наиболее полной энергетической характеристикой солнечного из­лучения является суммарная солнечная радиация:

б = S+ D.

На гелиоэнергетические ресурсы территории оказывают непо­средственное влияние географические и климатические характеристики: продолжительность светового дня; средняя месячная и годовая продол­жительность солнечного сияния; средние месячные и годовые характе­ристики прозрачности атмосферы и ряд других.

Оценка потенциала солнечной энергетики основывается на мно­голетних данных актинометрических наблюдений на возможно боль­шем количестве станций, распределенных достаточно равномерно по территории.

Потенциальные возможности прихода солнечной радиации опре­деляются географической широтой места. Климатические характери­стики района, косвенно характеризуемые продолжительностью солнеч­ного сияния, вносят существенные коррективы в возможность эффек­тивного использования энергии солнца.

В случаях недостаточного количества актинометрических станций в регионе, для расчетного определения прихода солнечного излучения разработаны соответствующие методики [18] и расчетные формулы

где б - суммарная интенсивность солнечного излучения на горизон­тальную поверхность за определенный период времени [кВт ч/м ]; бо - суммарное солнечное излучение при безоблачном небе за рас-

сматриваемый временной интервал; а, в - эмпирические коэффициенты; tc [ч] - эмпирическая продолжительность солнечного сияния за вы­

бранный период времени; t0 [ч] - астрономическая возможность време­ни солнечного сияния на данной широте [18].

Распространенным методом описания поля суммарной радиации является полиномиальная аппроксимация. Метод основан на описании участка поля метеорологической величины (Т) в окрестностях точки по­линомом первого порядка

Т(х, у) = Ao + Ai • x + A2 • y,

где х и у - декартовы координаты локальной системы, причем ось х на­правлена на восток, а ось у на север, координаты задаются в сотнях ки­лометров; А0, А1, А2 - весовые коэффициенты. Для их вычисления при­меняется метод наименьших квадратов, подробно изложенный во мно­гих работах [14, 19].

Суть метода наименьших квадратов состоит в следующем: наи­лучшими коэффициентами аппроксимации или выравнивания считают­ся те, для которых сумма квадратов невязок будет минимальной.

S (Ao, Ah A2) = I f (f, Уі ; Ao, Ab A2) - Ti ]2 = min. i=1

Необходимое условие минимума функции многих переменных за­ключается, как известно, в том, что все её частные производные должны равняться нулю. Отыскав частные производные по А0, А1, А2 и прирав­нивая их к нулю, получим систему уравнений с тремя неизвестными:

А - = 2 • I (Ao + A1 • Xi + A2 • Уі - Ti) = 0

dA0 i=1

' -§~ = 2 • I (A0 + A1 • xi + A2 • yi - Ti) • xi = 0

d1 i=1

= 2 • I (A0 + A1 • xi + A2 • yi - Ti) • yi = 0

dA2 i=1

Неизвестные коэффициенты А0, А1, А2, характеризующие поле величины Т, находятся решением системы линейных уравнений, в кото­рых N - число влияющих станций, выбранных для расчета полей харак­теристик солнечной радиации. Суммирование прямоугольных коорди­нат локальной системы x и у ведется по всем станциям.

Координаты x и у определяются по формулам

х = a ■ cos ф • (А,- A0); y = a ■ (ф - ф0),

где х и у - прямоугольные координаты в сотнях километров; ф и A - ши­рота и долгота станции в градусах; ф0 и А0 - координаты начала локальной прямоугольной системы координат в градусах; ф - сред­няя широта исследуемого района в градусах; а - коэффициент, равный 111,2 км/градус, соответствующий средней длине одного градуса дуги меридиана.

Выше приведенные формулы, хотя и являются приближенными, но для умеренных широт дают хорошие результаты для площадей, по­перечник которых не превышает 2000.. .3000 км [19].

Аналитическое представление осредненных полей средних месяч­ных величин в виде полинома позволяет оценить их горизонталь­ное распределение. Физический смысл весовых коэффициентов пре­дельно прост и заключается в следующем: А0 - характеризует месячные значения метеорологической величины в начале координат (х = 0, у = 0); А1 - показывает изменение этой величины в направлении с запада на восток на 100 км, знак минус означает понижение её с запада на восток; А2 - показывает изменение величины с юга на север на 100 км, знак ми­нус соответствует понижению её с увеличением широты местности.

При оценке потенциальных гелиоэнергоресурсов важно учиты­вать следующие климатические характеристики:

1) средние многолетние месячные и годовые суммы суммарной радиации Q;

2) процентное соотношение прямой солнечной радиации в общей сумме Q. Прямая радиация, поступающая на приёмную поверхность солнечной установки, может преобразовываться в тепловую или элек­трическую энергию;

3) экстремальные месячные суммы Q;

4) среднеквадратичное отклонение месячных и годовых сумм Q;

5) средние многолетние суточные суммы Q по месяцам;

6) экстремальные суточные суммы Q по месяцам при реальных условиях облачности;

7) среднеквадратичное отклонение суточных сумм Q;

8) средние многолетние суммы Q за часовые интервалы;

9) средние многолетние значения интенсивности Q по срокам;

10) коэффициент вариации (%) суточных и месячных сумм Q;

11) продолжительность светового дня, когда могут работать ге­лиоустановки;

12) средняя месячная и годовая продолжительность солнечного сияния;

13) повторяемость непрерывной продолжительности солнечного сияния более 6 ч;

14) отношение фактической продолжительности солнечного сия­ния к возможной;

15) средняя продолжительность солнечного сияния за день с солнцем;

16) число дней без солнца;

17) средние многолетние месячные и годовые значения коэффи­циента прозрачности атмосферы;

18) среднее многолетнее месячное и годовое количество общей и нижней облачности;

19) средняя месячная многолетняя повторяемость ясного (0.. .2 балла), полуясного (3.. .7 баллов), пасмурного (8.. .10 баллов) неба по общей и нижней облачности.

Для измерения прямой солнечной радиации на актинометриче­ских станциях используются приборы-актинометры. Рассеянная и отра­женная радиация измеряется универсальным пиранометром. Радиаци­онный баланс - балансометром.

Приход солнечной радиации к земной поверхности зависит от многих факторов:

1) от широты места;

2) от времени года и суток;

3) от прозрачности атмосферы;

4) от облачности;

5) от характера подстилающей поверхности;

6) от высоты места над уровнем моря;

7) от закрытости горизонта.

Последние два фактора оказывают существенное влияние на по­ступающую солнечную радиацию в условиях изрезанного рельефа.

Количество радиации, получаемое земной поверхностью за сутки, зависит, прежде всего, от широты и времени года. На каждой широте время года определяет продолжительность дневной части суток (свето­вого дня) и, следовательно, продолжительность притока радиации. С увеличением широты продолжительность светового дня зимой уменьшается, а летом увеличивается.

Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность за­висит не только от продолжительности дня, но и от высоты солнца. Вы­сота солнца меняется в зависимости от широты места, времени года и суток.

Максимальная (в истинный полдень) высота Солнца в день летне­го солнцестояния равна

hmax = 90°- ф + 23,5°,

где ф - широта места.

Наименьшая высота Солнца - в день зимнего солнцестояния

hmm = 90°- ф - 23,5°.

Зависимость прихода солнечной радиации от широты более чётко прослеживается зимой: в направлении к более высоким широтам коли­чество солнечной радиации убывает. Летом с увеличением широты уве­личивается продолжительность дня и прозрачность атмосферы, что спо­собствует увеличению прямой и суммарной радиации. Увеличение же облачности уменьшает прямую и увеличивает рассеянную радиацию. Поток рассеянной радиации, хотя частично и компенсирует ослабление потока прямой солнечной радиации в атмосфере, но эта компенсация не является полной. Поэтому поток суммарной радиации при наличии об­лачности, если солнце не закрыто облаками, будет больше, чем при без­облачном небе.

Влияние роста прозрачности в реальных условиях может пере­крываться влиянием облачности на приход радиации. Уменьшение про­зрачности атмосферы приводит к увеличению рассеянной радиации.

В качестве примера обработки статистических наблюдений об­лачности над территорией Томской области приведем полиномиальную зависимость первой степени, отражающую среднегодовое значение об­щей облачности в баллах

N = 6,76 + 0,02 • х - 0,03 • у.

Коэффициент 6,76 характеризует среднее годовое количество об­лаков в баллах (в начале локальной системы координат). Коэффициент при х показывает, что общая облачность за год имеет тенденцию к уве­личению на 0,02 балла на 100 км с запада на восток. Коэффициент при у характеризует уменьшение среднего балла общей облачности на 0,03 балла с юга на север. Общий градиент увеличения облачности на­правлен с северо-запада на юго-восток Томской области.

Кроме прозрачности и облачности большое влияние на рассеян­ную радиацию оказывает характер подстилающей поверхности. По мере увеличения отражательной способности подстилающей поверхности значительно возрастает поток рассеянной радиации. При наличии снеж­ного покрова увеличивается отражение прямой солнечной радиации, вторичное рассеяние которой в атмосфере приводит к увеличению рас­сеянной радиации.

С увеличением высоты над уровнем моря поток прямой солнеч­ной радиации возрастает, что объясняется уменьшением оптической

толщины атмосферы. Вследствие этого максимальные значения потока солнечной радиации в горных районах больше, чем на равнинной мест­ности.

Величина потока рассеянной радиации с поднятием над уровнем моря уменьшается при ясном небе, т. к. уменьшается толща рассеиваю­щих слоёв атмосферы. При наличии же облачности поток рассеянной радиации в слоях ниже облаков с высотой увеличивается.

Приход прямой и суммарной радиации уменьшается в пунктах, расположенных на дне долин или котловин, за счёт закрытости гори­зонта.

Прямая, рассеянная и суммарная солнечная радиация имеют хо­рошо выраженный годовой и суточный ход, которые определяются из­менениями высоты Солнца и облачности.

Пример районирования региона - Томской области по гелиоэнер­гетическим ресурсам в виде карты с нанесенными зонами потенциаль­ной энергии солнечного излучения приведен на рис. 6.

По потенциальным возможностям поступления солнечной радиа­ции в пределах Томской области можно выделить следующие зоны [19]: I - юго-западная часть Томской области. Средние годовые сум­мы суммарной радиации на горизонтальную поверхность составляют 1100-1200 кВтч/м при средних значениях облачности, прозрачности атмосферы и открытости горизонта. Эти условия обеспечивают ста­бильную эксплуатацию гелиосистем.

II - центральная часть Томской области. Среднее значение энергетических ресурсов за год составляет 1000-1100 кВтч/м, что в основном удовлетворяет требованиям эксплуатации малых и средних гелиосистем.

III - северо-восточная часть Томской области. Потенциальные гелиоресурсы составляют 900-1000 кВт ч/м. В этом районе условия не­благоприятны для использования крупных и средних гелиосистем.

Приведенные характеристики потенциальных гелиоэнергетиче­ских характеристик являются интегральными, что не позволяет отра­жать ряд микроклиматических особенностей, которые могут оказывать на них определенное влияние.

Оценки гелиоэнергетических ресурсов получены для горизон­тально расположенной приемной поверхности солнечной батареи. Про­стейшим способом увеличения коэффициента полезного действия ге­лиоустановок является ориентация их приемных поверхностей на юг под углом 45...50 о, что позволяет повысить эффективность преобразо­вания солнечной энергии на 15.20 %.

Изучение распределения мощности солнечного излучения по ме­сяцам позволило сделать вывод, что эффективная работа солнечных энергоустановок в северной и центральной частях Томской области до широты 58 о продолжается с апреля по август. В более южных районах период их эффективной работы увеличивается с марта по сентябрь. В остальные месяцы из-за малой высоты солнца над горизонтом и ослаб­ления солнечного излучения атмосферой эффективность использования гелиоприемников падет в 4.5 раз.

Таким образом, Томская область характеризуется довольно широ­кими возможностями для применения солнечных энергоустановок се­зонного типа, особенно в сельской местности.

В целом, солнечная энергия характеризуется максимальной про­стотой использования и повсеместным распространением. Эти обстоя­тельства определяют гелиоэнергетику как одно из наиболее перспек­тивных направлений развития возобновляемой энергетики.