При створенні будь-яких конструкцій, що використовують сонячну енергію, необхідно знати повну кількість сонячного світла, придатного для фотоелектричного перетворення. Хоча енергія сонячного випромінювання в певні моменти часу може бути велика, рідко вдається встановити за цими миттєвим значенням характер сонячного випромінювання протягом доби. Для цього необхідно усереднити значення сонячної енергії за тривалий період часу.

Кількість потрапляє на освітлювану поверхню потенційно корисного сонячного випромінювання визначається поняттям, іменованим інсоляцією. Сонячна інсоляція сильно змінюється від однієї точки земної поверхні до іншої. Пустелі Нью-Мехіко отримують значно більше сонячного світла, ніж Чикаго чи Сан-Франциско. При знаходженні величини інсоляції-якого району необхідно враховувати кілька факторів.

Для обліку всіх факторів, що впливають на зміну використовуваної сонячної енергії, необхідно ввести одиницю вимірювання, абсолютно відмінну від тих, якими ми користувалися досі. Найбільш ефективною є тривалість сонячного опромінення, тобто час корисного використання сонячної енергії (в годинах). Словосполучення «корисне використання» буде нерідко згадуватися і надалі.

Виміряти тривалість сонячного опромінення досить просто. По суті все, що необхідно зробити, – це підрахувати кількість годин за день, протягом яких світить сонце, т. е. кількість корисних для використання годин. На наше вимір будуть впливати декілька факторів.

Безсумнівно, найбільш важливим фактором є кут падіння сонячного світла на поверхню Землі. При обертанні Землі навколо Сонця її вісь не перпендикулярна напрямку на Сонце, а нахилена до нього під кутом близько 23 °. Фактично злегка нахилені осі обертання 5 з 9 планет Сонячної системи. Отже, сонячні промені падають на Землю не точно перпендикулярно до екватора. Замість цього точка перпендикулярного падіння переміщується протягом року то північніше, то південніше екватора. Цей ефект відбивається в зміні пір року.

Коли Північний полюс відхилений від Сонця, як показано на рис. 1, Сонце освітлює області обертового земної кулі значно південніше екватора; для тих, хто живе в Північній півкулі, Сонце проходить по небу низько над горизонтом.

Рис. 1

Рис. 2

В результаті цього дні стають короткими. Чим коротше дні, тим менше енергії надходить від Сонця, і настає зима.

З обертанням Землі навколо Сонця Північний полюс поступово повертається до Сонця. Навесні взаємне розташування Землі і Сонця таке, що сонячна енергія падає безпосередньо на екватор.

Тим часом Земля продовжує свій рух навколо Сонця. Коли вона проходить половину орбіти, Північний полюс повертається в бік Сонця (мал. 2). Це дозволяє сонячної радіації концентрувати свою енергію на північ від екватора.

Дні стають довшими, і Земля отримує можливість поглинати і запасати більшу кількість надходить сонячної енергії. Для нас збільшення інсоляції відчувається як наступ літа. Різниця між тривалістю літнього і зимового дня для більшої частини континентальної території Сполучених Штатів Америки становить 6 год (рис. 3).

Рис, 3

Земля продовжує свою подорож, проходить повний цикл і знову приходить в початкову точку. Потім сезонний і сонячний цикли починаються знову.

Звичайно, для живуть у Південній півкулі сезони будуть абсолютно протилежні нашим. Коли ми мерзнемо від холоду взимку, вони гріються на сонці протягом довгих літніх днів.

Зміна висоти підйому сонця над горизонтом протягом року можна точно передбачити і легко врахувати. З іншого боку, місцеві погодні умови також помітно впливають на сонячну інсоляцію, але їх важче передбачити.

Найбільше на погоду впливають хмари. Нехай навіть не повністю закриваючи сонце, вони можуть значно послабити проходження сонячного світла. В залежності від типу хмарності інтенсивність сонячного випромінювання може зменшуватися на 20-50%.

Особливу проблему представляє різноманітність форми і розмірів хмар. Легкі, перисті хмари лише незначно знижують кількість сонячного світла, що досягає земної поверхні. Отже, ними можна в якійсь мірі знехтувати. З іншого боку, щільні, купчасті хмари пропускають дуже мало світла. Якщо в хмарному покриві є розриви, сонце буде то з’являтися, то знову пропадати. Отже, необхідно оцінити кількість сонячного світла, проникаючого через хмарний покрив. Чи достатньо його для фотоелектричного перетворення? Або освітленість занадто мала?

Щоб усе це точно врахувати, необхідно визначити нижній граничний рівень світла, ще доцільний для фотоелектричного перетворення. Розрахунок ведеться, якщо інтенсивність світла перевищує цей рівень. В іншому випадку розрахунок припиняється.

Характер місцевості, освітлюваної сонцем

Туман, дощ або імла також вносять свої поправки. Фактично погода – єдина у своєму роді змінна умов навколишнього середовища. Ділянки місцевості, що знаходяться на відстані всього лише 50 км один від одного, можуть мати зовсім різні умови інсоляції.

На закінчення необхідно розглянути рельєф місцевості. Припустимо, що є великий пагорб, що загороджує сонце до 10 год ранку. Таким чином, якщо навіть схід сонця відбувається в 7 год ранку, ми не зможемо скористатися його енергією, поки воно не здасться над вершиною горба. По суті губляться 3 год, потенційно придатні для використання.

Призахідне сонце ставить перед нами ще одну проблему, так як цілком імовірно, що вершини дерев загородив його промені в 4 год дня. Хоча це, може бути, і не перешкодить вечірньому відпочинку на прохолодною веранді, але напевно знизить кількість використовуваної сонячної енергії.

І хоча захід може бути чудовим, промені західного сонця далеко не так енергійні, як нам би хотілося. Сукупність декількох факторів звужує межі найбільшої продуктивності сонячного випромінювання в інтервалі приблизно від 10 год ранку до 4 годин дня. При цьому необхідно враховувати зміну кута падіння сонячних променів при русі сонця по небосхилу впродовж дня, якщо у вашому розпорядженні немає пристрою стеження за рухом Сонця. Сонячні промені, що падають на освітлювану поверхню під дуже малим кутом, стають малопридатними для використання.

Всіма вищевикладеними чинниками і визначається загальний час корисного використання сонячної енергії.

В даний час достатньо просто сконструювати вимірювач сонячної інсоляції, що задовольняє вказаним вище вимогам. Якщо ми хочемо встановити реальну тривалість тимчасового інтервалу, протягом якого сонячне освітлення корисно стосовно до наших фотоелектричних перетворювачів, природно вибрати в якості датчика випромінювання кремнієвий сонячний елемент.

Для даної конструкції буде потрібно малопотужний джерело живлення, який генерує напругу 1,5 В при струмі 3 мА. Його можна виготовити з декількох невеликих елементів, з’єднаних послідовно за способом, що нагадує укладку черепичного даху (гл. 1). Потім сонячну батарею слід приєднати до кварцовим механічному годиннику, що споживають дуже мало енергії. Коли сонячне світло потрапить на фотоелектричний перетворювач, що виділяється електрична енергія призведе годинник в рух. Реєструючи проміжок часу за день, протягом якого працювали годинник, ви отримаєте тривалість сонячного опромінення за день (в годинах).

Щоб виявити різницю в інтенсивності сонячного випромінювання, до сонячній батареї підключається резистор, який грає роль навантаження сонячних елементів, кілька знижуючи їх напруга. Поки інтенсивність світла не перевищує певний рівень, який відповідає рівню корисної роботи сонячної батареї, напруги, що розвивається нею, недостатньо для харчування годин і цей час не реєструється.

Вимірювач інсоляції

Корпус вимірника сонячної інсоляції виготовлений повністю з акрилового пластику, наприклад плексигласу. Я взяв аркуш плексигласу, який іноді використовується для створення подвійних віконних рам і зазвичай є у продажу. Від цього листа слід відрізати два шматки розміром 10 X 12 см2, один шматок розміром 10 X 10 см2 і один шматок розміром 14 X 14 см2.

Потім шматок розміром 14×14 см2 розріжте по діагоналі на два трикутники. Далі в центрі пластини розміром 10×10 см2 просвердлите отвір діаметром 9 мм. Висверлівая отвір в такому термопластичних матеріалів, як акрил, необхідно уникати нагрівання свердла, інакше пластик буде плавитися. Цю ж обережність дотримуйте і за відпилювання пластика. Найкращого результату можна досягти при невеликих швидкостях свердління й різання, але при достатньому тиску.

Тепер можна приступати до збірки. По-перше, необхідно закріпити кварцові годинники з допомогою гайок в отворі діаметром

9 мм на пластині розміром 10 х 10 см2. При бажанні можна постачити таймер циферблатом від настінних годинників (він притискається з’єднувальними гайками). Для своєї моделі я просто просвердлив по колу в пластині 12 отворів для індикації положення стрілок.

Тепер деталі склеюються разом згідно рис. 4. Хоча переважний акриловий клей, однак можна скористатися іншим типом клею. Я рекомендую приклеїти прямокутні пластини спочатку тільки до однієї трикутної пластині і лише потім приєднати другу трикутну пластину. Це дозволить точніше поєднати деталі та уникнути розмазування клею.

Потім сонячна батарея зміцнюється на аркуші пластика, розташованому за годинником. Легка сонячна батарея без праці кріпиться на пластик за токоподводящіе провідники, приєднані до контактів елемента, за допомогою крапельок клею. Необхідно уникати потрапляння клею на поверхню сонячних елементів.

Рис. 4

Необхідно відзначити, що провідники не ізольовані і ніяк не позначені. Провідник, що йде з лицьового (світлочутливої) поверхні елемента, з’єднайте з негативним (-) контактом харчування годин. Інший провідник, що йде з тильної поверхні, приєднується до позитивного (+) входу харчування. Нарешті, в якості навантаження до висновків сонячної панелі припаюється резистор 220 Ом. Тепер конструкція готова до вимірювань.

Приладом можна користуватися двома способами. Можна почати хоча б з того, що встановити годинник на легкозапоминающиеся час (я зазвичай ставлю на 12 год) і направити датчик на південь. Азимутальний кут сонячної батареї складає 45 °, що приблизно відповідає правильній установці для більшості районів США.

Вимірювання починаються рано вранці, зі світанку. Тепер до самого заходу сонця прилад фіксуватиме кількість годин, протягом яких сонце дає достатню для використання кількість енергії. При цьому автоматично враховуються вплив пропливають хмари і періоди падіння променів під гострим кутом до поверхні (при яких на батарею падає дуже малу кількість енергії). В кінці дня можна безпосередньо зняти показання числа корисних сонячних годин за день. Якщо стрілка показує на 5, значить, було 5 корисних годин. Знову встановіть годинник – і вони готові до наступного дня.

За допомогою іншого методу можна отримати сукупне значення інсоляції. Просто відзначаються свідчення кожен день без переведення годинників і підраховується повна кількість оборотів стрілки в Протягом виміру. У результаті виходять умови інсоляції за тривалий період часу.

Можна визначити середнє значення тривалості сонячного опромінення (в годинах) декількома різними способами: за тиждень, за сезон, за рік. Все залежить від того, які необхідні дані.

Література: Байєрс Т. 20 конструкцій з сонячними елементами: Пер. з англ. – М.: Мир, 1988 рік.