ЭФФЕКТИВНЫЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
- Солнечная энергия
Η. П. Селиванов
- Общие сведения о солнце как источнике изучения и свойствах энергетического поля солнечной радиации.
Центральное светило нашей планетной системы — Солнце — является самой близкой к нам звездой и как источник излучения представляет собой раскаленный газовый шар со средним видимым угловым диаметром, равным 31'59,3". Его излучательная способность характеризуется тремя звездными температурами [1,2]: эффективной (энергетической) Тэ=5784 К, цветовой температурой Тцв=7140 К и температурой излучения Те=5036 К (численные значения и Те приведены соответственно для видимого λ=0,4—0,7 мкм и инфракрасного λ= 11,1 мкм излучения). Полный спектр электромагнитных излучений солнца очень широк (рис. 1.1.) [2]. Для теплотехнических задач строительной гелиотехники применительно к объектам, расположенным на поверхности Земли (поверхность материков, океана), практический интерес представляет относительно небольшая часть солнечного спектра, а именно, селективные участки ультрафиолетового (УФ) спектра и видимый и ближний инфракрасный (ИК) диапазоны, в которых переносится до 99% солнечной энергии, проникающей сквозь толщу атмосферы. Диапазон электромагнитных излучений Солнца, реально воздействующих на орбитальные и инопланетные сооружения, лишенные благотворной защиты газовой атмосферы, более широк и охватывает, в частности, весь УФ-спектр, рентгеновские и γ-излучения, представляющие реальную опасность для космонавтов и других представителей земной биосферы, особенно в период солнечных вспышек. Однако эти вопросы находятся на стыке гелиотехники и биологической защиты от излучений, рассматриваются в космической биологии и других смежных областях прикладной науки, т. е. выходят за рамки настоящей работы.
Рис 1.1 Спектр электромагнитных колебаний и распределение энергии в спектре солнечного излучения и абсолютно черного тела
а — спектр электромагнитных колебаний; 1 — диапазон, в котором солнечная радиация оказывает тепловое и физико-химическое воздействие на космические сооружения и аппараты: 2 — то же, для земных сооружений; 3 — диапазон коротковолнового и длинноволнового лучистого теплообмена космических сооружений; 4 — то же, для земных сооружений; б — распределение энергии в спектре солнечного излучения; 1 — рентгеновский лучи, 2 — линейчатая ультрафиолетовая часть спектра; 3 — ультрафиолетовая и видимая части спектра, 4 видимая часть спектра, 5— инфракрасная часть спектра, 6 — α-лииия Лаймана, 7 — β-линия Лаймана, в— распределение энергии по спектру; 1 — по данным НИЛ ВМС США, 2 — по данным Смитсонианской астрофизической обсерватории, г — спектральный состав солнечной энергии, прошедшей через сухую и чистую атмосферу при раз личных высотах солнца Ао, д спектры излучения абсолютно черного тела (а ч. т 1 — при температурах от 200 до —40° С, 2 — смещение максимумов спектральной интенсивности излучения а. ч. т.
Выделим некоторые наиболее важные для гелиотехнических разработок свойства энергетического поля солнечной радиации, создаваемого в окрестностях строительных объектов как на поверхности планеты, так и в окружающем пространстве [3]:
спектральный состав электромагнитных волн, соответствующий излучению высокотемпературного источника, основная энергия которого переносится в диапазоне от 0,3 до 3,0 мкм;
анизотропность поля излучения;
периодичность и изменчивость направления и энергетического уровня потоков радиации во времени и пространстве для большинства вращающихся объектов и систем, например системы «Земля — здание»;
взаимодействие с облучаемой конструкцией по поверхности облучения и в пределах глубины лучепрозрачного слоя;
способность поглощаться строительными материалами с выделением теп лоты.
Именно эти свойства, как будет показано ниже, и определяют специфику гелиотехнического конструирования зданий и солнечных термостатирующих систем для них.
Дадим основные определения, необходимые для дальнейшего рассмотрения вопроса.
Радиация, поступающая к ограждениям облучаемого объекта в виде потока параллельных лучей, исходящих от диска солнца, называется прямой солнечной радиацией 5 [1] Часть радиации, рассеянная атмосферой, поступает к ограждениям зданий и сооружений в виде диффузных потоков от небесного свода и называется рассеянной солнечной радиацией D. Общее поступление на наружные ограждения прямой, рассеянной и отраженной от окружения (D') радиации в актинометрии называют суммарной радиацией
Q = S+ D + D'. (1.1)
Часть радиации, взаимодействуя с ограждениями объекта и отражаясь в окружающее пространство, образует отраженную коротковолновую радиацию R'. Остальная часть суммарной радиации образует поглощенную коротковолновую радиацию, пропорциональную коэффициенту поглощения р. Баланс коротковолновой радиации наружных ограждений может быть представлен в виде
(1-2)
Отражательная способность ограждения характеризуется величиной интегрального альбедо поверхности А, %, определяемой отношением отраженной к поступающей суммарной радиации:
(1.3)
а коэффициент поглощения коротковолновой радиации
(1-4)
Наряду с коротковолновой солнечной радиацией к строительному объекту на поверхности планеты, окруженной газовой оболочкой, поступает длинноволновое излучение атмосферы Еа, называемое в актинометрии также тепловым противоизлучением [1]. Часть длинноволнового теплового противоизлучения атмосферы поглощается ограждением пропорционально коэффициенту тепло вой черноты ε. Остальная часть отражается. Ограждения строительных объектов, имеющие температуру выше абсолютного нуля, сами излучают в длинноволновом спектре — это так называемое собственное излучение ограждения Е0. Основную часть (99%) теплового излучения атмосферы и конструкций составляют электромагнитные волны ИК-диапазона длиной от 4 до 40 мкм.
Баланс длинноволнового излучения называется эффективным излучением ограждения Еэф. Актинометрическое определение эффективного излучения не совпадает с трактовкой эффективного излучения в теплотехнике.
Величина, характеризующая приход-расход лучистой энергии в коротковолновом и длинноволновом спектре, представляет собой остаточную радиацию, или радиационный баланс ограждений
