Солнечное излучение
Солнце — это газовый шар, температура внутри которого достигает 20 млн градусов Кельвина
Столь высокая температура возникает в результате ядерных реакций, происходящих в солнечном ядре, главная из которых — преобразование водорода в гелий. Излучение из внутренних областей Cолнца нельзя наблюдать напрямую, так как оно сильно поглощается атомами водорода во внешних слоях. Тепло передается через эти слои путем конвекции . Поверхность Солнца называется фотосферой. Ее температура составляет около 6000 К или, если быть более точным, 5762 ± 50 К. Фотосферу можно с достаточно хорошей точностью описать моделью абсолютно черного тела.
Введите температуру черного тела, T = 5762 K
Пиковая длина волны, λmax = 0.5033 µm
Интенсивность солнечного излучения, H = 62499432.6 Вт/м2
Общий поток энергии, излучаеой Солнцем, можно рассчитать умножив плотность потока энергии излучения на площадь поверхности солнца, что дает 9.5×1025 Вт.
Вся испускаемая Солнцем энергия состоит из энергий частиц и фотонов различных длин волн, поэтому для глаза человека Солнце выглядит белым или желтым. Различные волны, являющиеся частью видимого спектра, можно увидеть пропустив свет через призму. Похожим образом формируется радуга: свет проходит через капли воды и распадается на составляющие. Человек воспринимает различные длины волн, как разные цвета. Но глаз устроен так, что видит не все длины волн.
Солнечное излучение в космосе
Чтобы найти освещенность объекта, находящегося на расстоянии D от Солнца, нужно разделить светимость Солнца, на площадь освещаемой поверхности этого объекта. Светимость равна sT4 на площадь поверхности Солнца 4pR2sun, где Rsun — радиус Солнца. Площадь поверхности, через которую проходит поток солнечного излучения, равна 4pD2, где D — расстояние от объекта до Солнца. Поэтому освещенность будет равна
где
H sun — светимость поверхности солнца в Вт/м2, определяемая из уравнения Стефана-Больцмана
Rsun — радиус Солнца в метрах
D — расстояние от объекта до Солнца в метрах, как показано на картинке ниже
На расстоянии D от солнца одинаковый поток излучения проходит через разные поверхности, поэтому поверхностная плотность потока уменьшается.
Например, расстояние, D = 778 (x 10 в 9ст. м)
Интенсивность солнечного света, H0 = 47.82 (Вт/м2)
Таблица, представленная ниже, содержит стандартные значения поверхностной плотности потока излучения для различных планет солнечной системы.
Солнечное излучение вне земной атмосферы
Геометрические константы для нахождения плотности потока излучения около Земли. Диаметр Земли не используется в рассчетах, но для полноты картины он тоже отмечен.
Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, поэтому расстояние между ними периодически немного изменяется, что влечет изменение плотности потока излучения. Также плотность потока изменяется в результате непостоянства светимости Солнца. Изменение плотности потока, возникающее в следствие эллиптического движения Земли составляет около 3.4%. Наибольшая плотность потока излучения приходится на Январь, наименьшая — на Июль. Уравнение, описывающее это изменение имеет вид
где
H — плотность потока излучения на границе атмосферы Земли в Вт/м2,
Hconstant — солнечная постоянная, равная 1.353 кВт/м2
n — день года
Обычно эти изменения не очень велики, и для рассчетов, проводимых для фотоэлектрических систем, плотность потока солнечного излучения можно считать постоянной. Значение солнечной постоянной и ее спектра были приняты как стандартные условия АМ0 (атмосферная масса 0). Плотность потока излучения при условии АМ0 составляет 1.353 кВт/м2. Спектральаня плотность освещенности приведена в «Приложении».
Введите день года, число от 1 до 365, n = 3
Интенсивность солнечного излучения, H = 1397.6 (Вт/м2)
Источник
Характеристики солнечного излучения
Плотность потока солнечного излучения, падающего на площадку, перпендикулярную этому потоку и расположенную над атмосферой на расстоянии 150 млн. км от Солнца, равна солнечной постоянной G0=1,353 кВт/м 2 . Это — так называемое солнечное космическое излучение.
Солнечное излучение обусловлено ядерными реакциями в ядре Солнца, где температура достигает 10 млн.К. Внешние неактивные слои, нагретые до 5800°К, изменяют спектр, и к верхней границе атмосферы поступает излучение в диапазоне 0,3…2,5 микрон.
Солнечный спектр состоит из трёх участков: (1) ультрафиолетовое излучение (с длиной волны до 0,4 микрон) – составляет 9% интенсивности, (2) видимое излучение (0,4…0,7 микрон) – 45% интенсивности и (3) инфракрасное излучение (более 0,7 микрон) – 46% интенсивности.
Часть энергии солнечного излучения доходит до Земли в виде прямых солнечных лучей. Другая часть, достигая атмосферы, рассеивается облаками и пылью и доходит до поверхности Земли в виде рассеянного излучения. Первую часть потока в отличии от второй можно сфокусировать и в таком виде использовать в технических устройствах. Отношение интенсивности направленного потока к полной интенсивности излучения меняется от 0,9 в ясный день до нуля в пасмурный день.
Максимальная плотность направленного солнечного излучения на 1 м 2 поверхности Земли – около 1 кВт/м 2 в диапазоне волн 0,3…2,5 микрон. Это – коротковолновое излучение и оно включает видимый спектр. В зависимости от времени суток, места, погоды плотность излучения меняется в десятки раз. Эта тепловая энергия может быть использована с помощью технических устройств. Плотность потока энергии излучения, связывающая атмосферу с поверхностью земли также около 1 кВт/м 2 , но уже в диапазоне длинных волн 5…25 микрон.
Полная энергия солнечного излучения, которая приходится на единицу поверхности за день, представляет собой суточную облучённость. Величина суточной облучённости (Н) зависит от широты местности и времени года. В высоких широтах сезонные изменения особенно велики из-за меняющейся продолжительности дня, меняющейся ориентации приёмной площадки (горизонтальной плоскости), изменяющегося поглощения в атмосфере.
Сезонные изменения суточной облучённости горизонтальной приёмной площадки в ясный день на разных широтах – представлены на графике, рис.2.1.1. Летом она составляет 25…26 МДж/м 
в день или 7 кВт·ч/м 2 в день во всех широтах, зимой – в высоких широтах она намного меньше из-за более короткого дня, косого падения лучей и большего ослабления атмосферой. Расстояние, пройденное прямыми солнечными лучами через атмосферу, зависит от угла падения (зенитного угла) и высоты над уровнем моря. При этом важно не только само расстояние, а взаимодействие излучения с атмосферными газами и парами. Увеличение длины пути при наклонном падении луча по сравнению с путём при нормальном падении называют оптической массой. Облученность горизонтальной площадки в течение суток летом и зимой характеризуется рис.2.1.2.
Прохождение солнечного коротковолнового излучения через атмосферу сопровождается: (1) поглощением, т.е. переходом энергии излучения в тепло, с последующим излучением света большей длины волны, (2) рассеянием, т.е. изменением направления распространения света в зависимости от длины волны, (3) отражением, которое не зависит от длины волны.
Прохождение в атмосфере различно для разных участков спектра солнечного и атмосферного излучения. Оно приводит к повышению температуры.
Коротковолновая ультрафиолетовая область (до 0,3 микрон) почти полностью отсутствует на уровне моря, так как поглощается кислородом О2, О3, О и азотом N2.
Коротковолновая ультрафиолетовая область (0,3…0,4 микрон)- частично проходит.
Видимый диапазон (0,4…0,5 микрон) почти полностью проходит через чистую (не загрязнённую) атмосферу. Это почти половина потока солнечного излучения.
Ближняя инфракрасная область (0,7…2,5 микрон) – почти половина солнечного космического излучения – в значительной степени (на 20%) поглощается в атмосфере в основном парами воды и углекислого газа СО2.
Инфракрасный диапазон (более 12 микрон) – для него атмосфера
 |
Рис.2.1.1. Суточная облученность в зависимости от широты местности и времени года.
 |
Рис.2.1.2. Облученность горизонтальной площадки на широте
54 градуса в течение суток
Отражённое коротковолновое излучение возвращается в космическое пространство. Это 30% солнечного космического излучения. Большую часть отражают облака, меньшую снег и лёд на поверхности земли. Плотность оставшегося потока коротковолнового излучения и составляет около 1 кВт/м 2 .
Измерения солнечной энергии необходимы для расчётов эффективного использования солнечных установок. Для измерения используются пиргелиометры, солариметр и другие приборы. Эталонный пиргелиометр– служит для измерения направленного излучения путём сравнения с нагревом поверхности электрическим током; солариметри солнечные элементы – для измерения суммарного излучения; актинометр – для измерения прямого излучения. Для определения количества солнечных часов применяются самописцы. Обычные визуальные наблюдения невооружённым глазом и фотографирование со спутников позволяют оценить облачность.
Собирающий приёмник должен быть расположен прямо по направлению потока солнечного излучения. Оптимальное расположение фиксированного плоского приёмника определяется из условия получения максимума суммарной (интегральной) облучённости за день, месяц, год:
где 
облучённость прямыми солнечными лучами площадки, перпендикулярной прямым лучам, кВт/м 2 , 
— угол между направлением потока излучения и нормалью к поверхности приёмника,
облучённость рассеянным облучением, кВт/м 2 .
Иногда приёмник располагают по направлению к экватору, иногда- ориентируют в зависимости от того, когда нужно получить больший поток энергии– утром или днём.
Ориентировочные суточные изменения облучённости горизонтальной поверхности в ясные дни в различные времена года для Беларуси (54 градуса северной широты) представлены на графике, рис.2.1.2.
Максимальная облученность горизонтальной поверхности или плотность направленного солнечного излучения летом составляет
0,8 кВт/м 2 , зимой – 0,2 кВт/м 2 . В тропиках максимальная облученность около 0.9 кВт/м 2 круглый год.
Величина суточной облучённости может быть определена как
,
где Gм- максимальная облучённость площадки прямыми солнечными лучами, кВт/м 2 ;
N – продолжительность светового дня, часов;
где: φ– широта места,
- склонение, или угол между направлением от Солнца и экваториальной плоскостью;
В северном полушарии 21 июня =23,5°, 21 декабря = -23,5°.
Наибольшее число солнечных часов в году в восточной Сахаре– 4300 (97% возможных), в Беларуси- 2000…2300 (50% возможных).
Доля приходящего солнечного излучения, которое может быть сфокусировано на приёмнике зависит от облачности и запылённости атмосферы и от угла наклона приёмника.
Индекс ясности Кт – это отношение лучистой энергии, пришедшей на горизонтальную поверхность за день к энергии пришедшей на параллельную ей поверхность, расположенную вне атмосферы. Для самого ясного дня Кт»0,8. Для таких дней доля рассеянной составляющей излучения равна 0,2; она увеличивается до 1 в пасмурные дни, когда Кт=0. В солнечные дни при небольшой облачности и при значительном количестве аэрозолей в атмосфере рассеянная составляющая равна 0,5.
Фокусирующие системы плохо работают в условиях сильной облачности. Однако, системы, следящие за солнцем, могут собирать большую часть потока, идущую по нормали к поверхности.
Максимум облучённости приёмника зависит от широты расположения, угла наклона приёмника и времени года. Так для местности, расположенной на 45° северной широты при Кт»0,5 , коэффициенте отражения земли 0,2 средняя облучённость вертикальной поверхности мало изменяется от времени года и составляет 8…12МДж/ м или 2,2…3,3 кВт·ч/м в день. Средняя облучённость горизонтальной поверхности для этой широты изменяется в более широких пределах от 5 МДж/ м в декабре до 20 МДж/ м в день в июне. Этого может быть достаточно для создания солнечных электростанций. (45°северной широты – это Крым, Север Италии, Центральная Франция). 
Источник
Система обеспечения теплового режима космического аппарата. Расчет характеристик систем обеспечения теплового режима космических аппаратов , страница 2
Вынужденная конвекция обеспечивается специальными техническими устройствами – вентиляторами, насосами и т.п.
Теплообмен излучением (лучистый теплообмен) осуществляется путем излучения и поглощения телами электромагнитных волн. Величина теплового потока, излучаемого телом, пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени. Вследствие этого результирующий тепловой поток будет направлен от горячих тел к холодным.
В земных условиях все три вида теплообмена широко распространены. Специфические условия полета КА определяют две очень важных особенности его теплообмена.
Во-первых, полет КА осуществляется в среде с чрезвычайно малой плотностью. В связи с этим теплообмен КА с окружающим пространством возможен только посредством лучистого теплообмена или путем выброса хладагента за пределы КА.
Во-вторых, поскольку на борту КА в условиях орбитального полета имеет место невесомость, то отсутствует свободный конвективный теплообмен между внутренними элементами КА. Поэтому для обеспечения конвективного теплообмена между внутренними элементами КА необходимы специальные устройства, обеспечивающие принудительное перемещение газовой или жидкой среды (вентиляторы, насосы и т.п.).
3.1.3. ХАРАКТЕРИСТИКА ВНЕШНИХ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ НА КА
Основными внешними тепловыми потоками для КА являются (рис. 3.1):
— прямое солнечное излучение qs;
— солнечное излучение, отраженное от планеты qотр (если КА находится вблизи планеты);
— собственное тепловое излучение планеты qсоб;
— атмосферный тепловой поток qатм (если полет осуществляется в атмосфере планеты);
— собственный тепловой поток КА qизл.
Дадим характеристику каждому из этих тепловых потоков.
1. Прямое солнечное излучение. Солнце излучает тепловой поток Qсол = 3,78×10 26 Вт. Данная величина называется болометрической постоянной Солнца. Основная часть прямого солнечного излучения относится к видимому диапазону длин волн.
Для характеристики тепловых потоков, воздействующих на КА, пользуются величинами плотностей тепловых потоков. Плотность теплового потока представляет собой тепловой поток, проходящий через площадку единичной площади, расположенную перпендикулярно направлению теплового потока. Плотность прямого солнечного излучения на расстоянии r от Солнца определяется следующим образом
. (3.1)
В околоземном пространстве (r=149 млн. км) плотность солнечного излучения составляет qs = 1400 Вт/м 2 . Естественно, что тепловой поток прямого солнечного излучения воздействует на КА на освещенном участке орбиты. На теневом участке орбиты qs = 0.
Рис. 3.1. Внешние тепловые потоки, действующие на КА 1 — Солнце; 2 — планета; 3 — космический аппарат; 4 — орбита КА.
2. Солнечное излучение, отраженное от планеты. Падающий на планеты тепловой поток частично поглощается ими и частично отражается. Доля отраженного планетой солнечного излучения называется альбедо планеты. Ее величина определяется состоянием поверхности и составом атмосферы планеты. Для Земли альбедо составляет a=0.37, т.е. 37% падающего на Землю теплового потока отражается в окружающее пространство. При этом 27% падающего солнечного излучения отражается облачным покровом Земли, 7% отражается атмосферой и 3% поверхностью Земли.
При полетах вблизи планет отраженный тепловой поток имеет величину, соизмеримую с величиной потока прямого солнечного излучения, и должен учитываться при проведении тепловых расчетов КА.
 |
Рис.3.2. Схема распределения отраженного от планеты солнечного теплового потока
Определим плотность отраженного от планеты солнечного теплового потока qотр на высоте Н от поверхности планеты (рис. 3.2). Допустим, что после отражения от планеты солнечный тепловой поток распространяется в полусфере. Тогда
, (3.2)
где Q отр — тепловой поток, отраженный от планеты;
Источник