Солнечная инсоляция.

Инсоляция. Общие сведения для расчёта солнечных коллекторов.

Инсоляцией (на латыни in solo – выставляю на солнце) называется облучение поверхности параллельных пучком лучей, которые берут свое начало с направления источника света. В нашем случае источником света всегда является Солнце.

Среднегодовая инсоляция (мощность, Вт/м²) в верхней части земной атмосферы (вверху) и на поверхности планеты (внизу, расчетные данные)

Инсоляция значительно отличается в разных точках поверхности Земли. В южных районах России инсоляция значительно выше чем в средней полосе или на севере страны.

Для сравнения приведем суммарные годовые значения инсоляции для различных регионов земного шара: Европа 1000-1800кВт×ч/м2; Центральная Африка примерно 2300 кВт×ч/м2, Ближний Восток - 2000кВт*ч/м*2, Средняя Азия 1800кВт*ч/м*2, Москва 1000кВт*ч/м*2, Сочи 1300кВт*ч/м*2, Архангельск - 850кВт*ч/м*2.

Сезонные колебания значений месячной инсоляции увеличиваются, чем ближе к одному из полюсов Земли. Например в Москве разница между инсоляцией летом и зимой может отличаться более чем в 7-8 раз, а в Краснодаре лишь в 3-4 раза (хотя и это много).

Подобные сезонные колебания инсоляции были бы малоощутимы, будь ось Земли перпендикулярна орбите вращения Земли вокруг Солнца. И тогда такие колебания инсоляции зависели бы лишь от расстояния до Солнца. Но реально земная ось составляет угол в 23° с плоскостью орбиты Земли, и это вносит существенные сезонные колебания в инсоляцию конкретной области Земли.

Изображенные на рисунке выше потоки энергии солнечного света А, Б и В идентичны, но по причине кривизны земной поверхности и атмосферы, энергия потоков А и В после прохождения атмосферы уменьшается сильнее, чем энергия потока Б.

На рисунке показано положение Земли для 21 июня, дня когда лучи Солнца на 23-й параллели попадают на поверхность перпендикулярно. Это день с максимальной долготой дня.

Широта местности учитывается ориентацией «солнечных модулей» при монтаже солнечной установки.

Кроме того инсоляция зависит еще от нескольких важных факторов:

• времени года, например зимнее время характеризуется малой освещенностью и коротким световым днем;
• времени суток, т.к. освещенность в течении дня меняется, кроме того солнечные лучи, попадающие на поверхность солнечного модуля под очень острым углом практически не воспринимаются солнечным модулем;
• рельефа местности, включая предметы загораживающие солнце: здания, деревья, горы и прочее);
• конкретных погодных условий в режиме реального времени (снег, туман, облака).

Солнечная радиация на верхней границе атмосферы (Вт × ч/м2в сутки)

Согласно таблице инсоляция летом и зимой отличается весьма значительно. Если сравнивать значения инсоляции на разных широтах 21 июня, то можно заметить, что инсоляция колеблется в пределах 370-512Вт*ч/м*2, т.е. не очень сильно. А вот 21 декабря ситуация совершенно иная - значения инсоляции колеблется от 0 до 401Вт*ч/м*2. Т.е. зимой, чем выше широта, тем значительней разница с летним значением инсоляции.

В декабре между северными и южными широты имеет максимальное отличие. Вследствие этого инсоляция сильно различается в зависимости от времени года и географического положения. Об этом не стоит забывать при использовании ВИЭ на основе солнечных коллекторов.

Годовые колебания инсоляции на экваторе совсем незначительны, но весьма сильно нарастают при перемещении к северу. Даже для южных регионов нашей страны, таких как Краснодарский край, из-за низкой облачности в зимний период солнечная радиация в 3-4 раза меньше, чем летом. Для Москвы же эта разница достигает 8-10 раз. Эти годовые колебания на территории России невелики для Восточной Сибири, Дальнего Востока, а также районов высокогорья. Здесь, кроме более менее равномерного распределения инсоляции в течении года, сказывается тот факт, что при одной и той же освещенности эффективность холодной солнечной батареи несколько выше, чем нагретой жарким летним солнцем.

По этой причине при монтаже солнечных модулей на кровле следует обеспечить воздушный зазор для свободной циркуляции воздуха под солнечными модулями для охлаждения рабочей поверхности модуля. Небольшой компенсации влияния сезонности на работу солнечной станции добиваются летним и зимним положением солнечных модулей относительно горизонта - для летнего периода угол наклона на 15° меньше географической широты, а для зимнего периода на 15° больше. Это связано с высотой стояния светила.

При круглогодичном использовании солнечного коллектора с целью получения максимума энергии в целом за год без сезонной регулировки наклона угол должен быть равен географической широте местности.

Фактор времени суток можно учитывать проводя слежение за солнцем. Слежение по азимуту даст прибавку в 20% к снимаемой с солнечной батареи энергии, а дополнительное слежение за светилом по высоте еще 10%. Устройства, обеспечивающие подобное слежение называются трекерами. "Слежение" осуществляется при помощи поворотной платформы на которой закреплены солнечные модули. Платформа непрерывно или дискретно "следит" за Солнцем. Но прежде всего необходимо сопоставить количество дополнительно полученной энергии со стоимостью трекера, его монтажа и обслуживания. В обычной практике ограничиваются стационарной установкой солнечных батарей.

В статье «Таблицы инсоляции» опубликованы среднестатистические нормы инсоляции на территории основных территорий РФ и бывшего СССР с градацией по месяцам и ориентации плоскости светоприемника в пространстве. Необходимо учитывать, что в таблице 2 значения солнечной радиации выражены в МДж/м2 и для горизонтальной поверхности. Перевод МДж/м2 в кВт/м2 производится делением на 3.6 значения в МДж/м2.