Кіріспе

Электромагниттік сәулеленуді өлшеу

Күн сәулеленуі – өлшеу құралының толқын ұзындығы диапазонында Күннен бірлік ауданына (беттік қуат тығыздығы) түсетін қуат. Күн сәулеленуі СИ жүйесінде шаршы метрге ватт (Вт/м²) арқылы өлшенеді. Күн сәулеленуі белгілі бір уақыт аралығында қоршаған ортаға берілген сәулелену энергиясын (шаршы метрге джоуль, Дж/м²) есептеу үшін жиі интегралданады. Бұл интегралданған күн сәулеленуі күн сәулеленуі, күнге шағылысу, күн радиациясы немесе инсоляция деп аталады. Сәулелену ғарышта немесе атмосферада сіңіріліп, шашырағаннан кейін Жер бетінде өлшенеді. Ғарыштағы сәулелену Күннен қашықтыққа, күн цикліне және оның өзгеруіне байланысты. Жер бетіндегі сәулелену өлшенетін беттің бұрышына, Күннің көкжиектен биіктігіне және атмосфера жағдайларына да тәуелді. Күн сәулеленуі өсімдіктердің метаболизміне және жануарлардың мінез-құлқына әсер етеді. Күн сәулеленуін зерттеу және өлшеудің маңызды қолданыстары бар, оларға күн электр станцияларынан энергия өндіруді болжау, ғимараттардың жылу және салқындату жүктемелерін есептеу, климатты модельдеу және ауа райын болжау, күндізгі пассивті радиациялық салқындату және ғарыш саяхаты жатады.

Түрлері

[[File:World DNI Күн ресурстары картасы GlobalSolarAtlas Дүниежүзілік банк Esmap Solargis. png|upright=1.5|thumb|Тікелей нормальдық сәулеленудің жаһандық картасы Бұл диффузды күн сәулесін (атмосфералық компоненттер арқылы шашыраған немесе шағылысқан сәуле) қамтымайды. Тікелей сәулелену атмосфераның үстіндегі сыртқы сәулеленуге тең, одан сіңіру және шашыраудан туындаған атмосфералық жоғалтулар алынады. Жоғалтулар күнің уақытына (күннің биіктік бұрышына байланысты атмосфера арқылы жарық сәулесінің ұзындығы), бұлттылыққа, ылғалдылыққа және басқа да факторларға байланысты. Атмосферадан жоғары сәулелену жылдың мезгіліне қарай өзгереді (Күнге дейінгі қашықтық өзгеретіндіктен), бірақ бұл әсер көбінесе DNI-ге тигізетін жоғалту әсерімен салыстырғанда аз болады. Диффузиялық көлденең сәулелену (DHI) немесе диффузиялық аспан сәулеленуі – атмосферадан шашыраған жарықтан Жер бетіне түсетін сәулелену. Ол аспандағы барлық нүктелерден келетін сәулеленумен көлденең бетке өлшенеді, циркумсолярлық сәулеленуді (күн дискінен келетін сәулелену) қоспағанда. Атмосфера болмаған жағдайда DHI шамалы болады. Жаһандық еңістік сәулелену (GTI) – белгілі бір еңіс және азимутқа ие, немесе күнге бағытталған бейіш бетке түсетін жалпы сәулелену. GTI өлшене алады. Ол көбінесе фотоэлектр станциялары үшін анықтама болып табылады, ал фотоэлектр модульдері бекітілген немесе күнге бағытталған конструкцияларға орнатылады. Жаһандық нормальдық сәулелену (GNI) – Күнге перпендикуляр бет элементі бар белгілі бір жерде Жер бетіне түсетін Күн сәулеленуінің жалпы мөлшері.

Бірліктер

Сәулеленудің СИ бірлігі шаршы метрге ватт (Вт/м2 = Втм−2) болып табылады. Күн энергиясы саласында көбінесе қолданылатын күн сәулесінің бірлігі – шаршы метрге (кВт/м2) шаққандағы киловатт-сағат. Лэнгли – күн сәулесінің тағы бір бірлігі. Бір Лэнгли – бір шаршы сантиметрге бір термохимиялық калорияға тең немесе 41 840 Дж/м2.

Атмосфераның жоғарғы бөлігіндегі сәулелену

Шарлық үшбұрыш сағат бұрышы h және күннің еңісу бұрышы δ мәліметтерінен φ ендігінде және λ бойлығындағы бақылаушы үшін күннің зенит бұрышы Θ-ны есептеу үшін, шарлық косинус заңының қолданылуына арналған. (δ – күн астындағы нүктенің ендігі, ал h – күн астындағы нүктенің салыстырмалы бойлығы). Жер атмосферасының жоғарғы бөлігіне жететін орташа жылдық күн радиациясы шамамен 1361 Вт/м² құрайды. Бұл Күнді қоршаған шар бетіндегі күн сәулеленуінің бірлік ауданына шамасы, радиусы Жерге дейінгі қашықтыққа (1 АБ) тең. Яғни, Күннен қарағанда Жердің шамамен дөңгелек дискісіне барлық уақытта шамамен тұрақты 1361 Вт/м² түседі. Бұл дөңгелек дискінің ауданы , мұндағы r – Жер радиусы. Жер шамамен шар болғандықтан, оның жалпы ауданы , демек, атмосфераның жоғарғы жағына жететін күн радиациясы Жердің бүкіл беті бойынша орташа есептегенде төртке бөлінеді және 340 Вт/м² құрайды. Басқаша айтқанда, жыл және күн бойы орташа алғанда, Жер атмосферасы Күннен 340 Вт/м² алады. Бұл көрсеткіш радиациялық күштемеде маңызды рөл атқарады.

Түрлілігі

Күннің жалпы сәулеленуі (TSI) онжылдықтар және одан ұзақ мерзімдерде баяу өзгереді. 21-ші күн циклы кезіндегі өзгеру шамамен 0,1% құрады (ең жоғарғы және ең төменгі нүктелер арасындағы айырма). Ескі реконструкциялардан өзгеше, ең соңғы TSI реконструкциялары 17-шы ғасырғы Маундер минимумы мен қазіргі уақыт аралығында шамамен 0,05%-дан 0,1%-ға ғана өскенін көрсетеді. Күлдірегіш сәулелену (EUV) 200-300 нм толқын ұзындығында күннің максималды және минималды кезеңдері арасында шамамен 1,5 пайызға өзгереді. Дегенмен, прокси-зерттеулер бойынша, Маундер минимумынан бері КӨС-сәуле 3,0%-ға өскен. Жер орбитасының өзгеруінен туындаған, жоғары ендіктердегі күн энергиясының ағынындағы өзгерістер және байқалған мұздық циклдар. Күн сәулесінің кейбір өзгерулері күннің өзгеруіне байланысты емес, Жердің перигелий мен афелий арасында қозғалуына немесе радиацияның ендік бойынша таралуының өзгеруіне байланысты. Бұл орбиталық өзгерістер немесе Миланкович циклдары ұзақ мерзімде 25%-ға дейін сәулеленудің өзгеруіне әкелді (жергілікті; жаһандық орташа өзгерістер одан да аз). Соңғы маңызды оқиға – Бореалдық жаз маусымында Голоцендік климаттық оптимумға жақын 24° осьтік бұрылыс болды. Белгілі бір жыл мезгілі және белгілі бір ендік үшін уақыт қатарын алу Миланкович циклдарының теориясында пайдалы қолданыс болып табылады. Мысалы, жазғы күн тоғысында δ ауытқуы ε көлбеулігіне тең. Күннен қашықтық – осы жазғы күн тоғысы есебі үшін эллипстік орбитаның рөлі толығымен маңызды көбейтіндіге, прецессия индексіне кіреді, оның өзгеруі эксцентриситет жоғары болғанда 65°N ендігіндегі күн сәулесінің өзгеруіне үстемдік етеді. Келесі 100 000 жыл бойы эксцентриситет өзгеруі салыстырмалы түрде аз болғандықтан, көлбеуліктің өзгеруі үстемдік етеді.

Өлшем

Ғарышқа негізделген ТҚЖ деректері оннан астам радиометрден алынған өлшемдерді қамтиды және үш күн циклын қамтиды. Барлық заманауи ТҚЖ спутниктік құралдары белсенді қуыс электрлік алмастыру радиометриясын қолданады. Бұл техника күн сәулесінің әсерінен қараңғыланған сіңіретін қуысты жылулық тепе-теңдікте ұстауға қажетті электрлік қыздыруды өлшейді, ал сәулелену дәлдік апертура арқылы өтеді. Апертураны жалюзи арқылы реттеуге болады. Ұзақ мерзімді күн сәулеленуінің өзгеруін анықтау үшін 0,01% төмен дәлдік қажет, себебі күтілетін өзгерістер ғасырға 0,05–0,15 Вт/м² аралығында болады. Әртүрлі себептерге байланысты дереккөздер әрқашан келіспейді. Күн сәулесі және климат эксперименті/жалпы сәулеленуді өлшеу (SORCE/TIM) ТҚЖ мәндері Жер радиациялық бюджеті спутнигіндегі (ERBS) Жер радиометрлік бюджеті экспериментінен (ERBE), Күн гелиосфералық обсерваториясындағы (SoHO) VIRGO және Күн максимумы миссиясындағы (SMM), Жоғарғы атмосфераны зерттеу спутнигіндегі (UARS) және ACRIMSAT-тағы ACRIM құралдарымен алынған бұрынғы өлшемдерден төмен. Ұшыру алдындағы жердегі калибрлеу жүйе деңгейінде емес, компонент деңгейінде өлшеуге негізделген, себебі сол кезде сәулелену стандарттары жеткілікті абсолютті дәлдікке ие болған жоқ. +0,60 және +0,85. Ғарышқа негізделген өлшемдер +3–7 Вт/м² шамасында. SORCE/TIM-нің төменгі ТҚЖ мәні осы айырмашылықты 1 Вт/м² азайтады. Бұл жаңа төменгі TIM мәні мен бұрынғы ТҚЖ өлшемдері арасындағы айырмашылық -0,8 Вт/м² климаттық күштеуге сәйкес келеді, бұл энергия теңгерімсіздігімен салыстыруға болады. ACRIM және PMOD ТҚЖ композиттері арасындағы айырмашылықтар байқалады, бірақ ең маңыздысы 21, 22 және 23-ші күн циклдары кезіндегі күннің ең төменгі және ең жоғары нүктелерінің өзгеруі болып табылады. ACRIM 1980 жылдан 2000 жылға дейін +0,037%/онжылдық өсімді және одан кейін төмендеуді анықтады. PMOD керісінше, 1978 жылдан бері тұрақты түрде төмендеп келеді. 21 және 22-ші күн циклдарының ең жоғары нүктелерінде де маңызды айырмашылықтарды көруге болады. Бұл ACRIM спутниктік эксперименттік топтар жариялаған бастапқы ТҚЖ нәтижелерін пайдалануымен байланысты, ал PMOD кейбір нәтижелерді ТҚЖ прокси-модельдеріне сәйкес келтіру үшін айтарлықтай өзгертеді. ХХ ғасырдың соңғы екі онжылдығындағы жаһандық жылыну кезінде ТҚЖ-ның артуының салдары – күн күштеуі климаттың өзгеруіне КМИП5 жалпы циркуляциялық климаттық модельдерінде көрсетілгеннен сәл үлкен фактор болуы мүмкін. Күн сәулелері атмосферадан өтетін кезде әлсірейді, бұл ашық күні теңіз деңгейінде шамамен 1000 Вт/м² ең жоғары қалыпты беттік сәулеленуді қалдырады. 1361 Вт/м² атмосферадан жоғары келгенде (күн бұлтсыз аспанда зенитте тұрғанда), тікелей күн сәулесі шамамен 1050 Вт/м², ал жердегі көлденең бетке жаппай сәулелену шамамен 1120 Вт/м² құрайды. Соңғы санға атмосфера мен қоршаған ортадан шашыраған немесе қайта сәулеленген сәулелер кіреді. Нақты мән күн бұрышына және атмосфералық жағдайларға байланысты өзгереді. Бұлттарды ескермесек, Жер үшін күндізгі орташа сәулелену шамамен, мысалы, фотоэлектрлік панельдің шығысы, ішінара панельге қатысты күн бұрышына байланысты. Бір Күн – қуат ағынының бірлігі, нақты сәулеленудің стандартты мәні емес. Кейде бұл бірлік Сол деп аталады, оны бір күнмен шатастырмау керек.

Абсорбция және шағылысу

thumb|солға|биіктігі=1.5|Атмосфера үстіндегі және жер бетіндегі күн сәулелену спектрі

Объектіге жеткен сәулеленудің бір бөлігі сіңіріледі, ал қалғаны кері шағылысады. Әдетте, сіңірілген сәуле жылу энергиясына айналып, объектінің температурасын көтереді. Дегенмен, жасанды немесе табиғи жүйелер сіңірілген сәулеленудің бір бөлігін электр энергиясы немесе фотоэлектрлік жасушалар мен өсімдіктердегідей химиялық байланыстар сияқты басқа түрге айналдыра алады. Шағылысқан сәулеленудің үлесі – объектінің шағылыстыру қабілеті немесе альбедосы.

Жобалау эффектісі

Баяушақпен проекциялау эффектісі: Бір мильге созылатын бір күн сәулесі жерге 90° бұрышта, ал екіншісі 30° бұрышта түседі. Күн сәулесінің көлбеулігі жарық энергиясын екі есе үлкен аумаққа таратады. Жер бетіне түсетін күн сәулесінің мөлшері, бет тікелей күнге қарағанда (қалыпты жағдай) ең көп болады. Жер беті мен Күн арасындағы бұрыш қалыптыдан ауытқанда, күн сәулесі бұрыштың косинусына пропорционал түрде азаяды; Күн бұрышының климатқа тигізетін әсерін қараңыз. Суретте көрсетілген бұрыш тік бағыт емес, жер мен күн сәулесі арасындағы бұрыш болғандықтан, косинус емес, синус қолданылады. Бір миль еніндегі күн сәулесі тікелей жоғарыдан түседі, ал екіншісі көлденең жазықтыққа 30° бұрышта түседі. 30° бұрыштың синусы 1/2, ал 90° бұрыштың синусы 1-ге тең. Сондықтан, бұрышты күн сәулесі жарықты екі есе үлкен аумаққа таратып жібереді. Осының салдарынан, әр шаршы мильге жартылай жарық түседі. Бұл проекция эффектісі Жердің полярлық аймақтарының экваторлық аймақтардан әлдеқайда суық болуының басты себебі. Жылдық орташа көрсеткіш бойынша, полюстер экваторға қарағанда аз күн сәулесін алады, себебі полюстер әрқашан тропиктерге қарағанда Күннен көбірек бұрыштады, және олардың қыс айларында алты ай бойы мүлдем күн сәулесін алмайды.

Абсорбция әсері

Төмен бұрыштан жарық атмосфераның көбірек қабатынан өтуі керек. Бұл оны әлсіретеді (сіңіру және шашырату арқылы), бетке жететін күн сәулесінің мөлшерін одан әрі азайтады. Әлсіреу Бир-Ламберт заңымен реттеледі, атап айтқанда, бетке жететін күн сәулесінің өткізгіштігі немесе үлесі атмосфера арқылы күн сәулесінің өту жолының оптикалық тереңдігіне немесе сіңіру қабілетіне (екі түсінік тек тұрақты фактормен ғана ерекшеленеді) пропорционалды түрде экспоненциалды азаяды. Жолдың кез келген қысқа бөлігі үшін оптикалық тереңдік сол бөліктегі сіңірушілер мен шашыратушылардың санына пропорционалды, әдетте биіктік төмендеген сайын артады. Жолдың толық оптикалық тереңдігі – жол бойындағы оптикалық тереңдіктердің интегралы (қосындысы). Егер сіңірушілердің тығыздығы қабатты түрде орналасса, яғни атмосферада көлденең емес, тік бағытта өзгеретін болса, оптикалық тереңдік проекция эффектісіне кері пропорционалды, яғни зенит бұрышының косинусына шамамен тең болады. Өткізгіштік оптикалық тереңдік артқан сайын экспоненциалды түрде төмендейді, сондықтан күн көкжиекке жақындағанда сіңіру күні бойы проекциядан басым болатын нүкте пайда болады. Сіңірушілердің деңгейі жоғары болса, бұл кешкі және таңертеңгі уақытта маңызды бөлікті құрауы мүмкін. Керісінше, (теориялық) сіңірудің толық болмауы жағдайында оптикалық тереңдік күннің барлық биіктіктерінде нөл болып қалады, яғни өткізгіштік 1-ге тең болады, сондықтан тек проекция эффектісі ғана қолданылады.

Күн потенциалы карталары

Күн энергиясының әлеуетін бағалау және картаға түсіру әлемдік, аймақтық және елдік деңгейде маңызды академиялық және коммерциялық қызығушылық тудырды. Жеке елдер үшін күн энергиясының әлеуетін жан-жақты картаға түсіруге жасалған алғашқы әрекеттердің бірі – БҰҰ Қоршаған ортаны қорғау бағдарламасының қаржыландыруымен және АҚШ Жаңартылатын энергия көздері ұлттық зертханасы жүргізген Күн және жел ресурстарын бағалау (SWERA) жобасы. Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасы және осыған ұқсас басқа институттар жасаған жаһандық карталар да бар, олардың көптегені Халықаралық жаңартылатын энергия агенттігі ұсынған Жаңартылатын энергияның жаһандық атласында қолжетімді. Күн энергиясын өндірушілерге күн ресурстары туралы деректерді ұсынатын бірқатар коммерциялық фирмалар қазірде бар, олардың ішінде 3E, Clean Power Research, SoDa Solar Radiation Data, Solargis, Vaisala (бұрынғы 3Tier) және Vortex компаниялары бар, және осы фирмалар көбінесе күн әлеуетінің карталарын тегін ұсынды. 2017 жылдың қаңтар айында Дүниежүзілік банк Solargis ұсынған деректерді пайдалана отырып, барлық елдерді қамтитын жоғары сапалы күн деректері, карталар және ГИС қабаттарын бір көзден ұсыну мақсатында Дүниежүзілік күн атласын іске қосты. Күн сәулесінің карталары спутниктік суреттерден алынған деректер базасын пайдалана отырып құрастырылады, мысалы, Meteosat Prime спутнигінен алынған көрінетін суреттерді пайдалану арқылы. Суреттерге күн сәулесін анықтау үшін әдіс қолданылады. Жарықтандыруға қатысты жақсы расталған спутниктік модель – SUNY моделі. Бұл модельдің дәлдігі жақсы бағаланған. Жалпы, күн сәулеленуінің карталары дәл, әсіресе жаһандық көлденең сәулелену үшін.

Қолданбалар

+ Айналдыру коэффициенті (жоғарғы қатарды көбейту арқылы жақын қатарды алу) Вт/м2 кВт·сағ/(м2·күн) күн сағаты/күн кВт·сағ/(м2·жыл) кВт·сағ/(кВт·жыл) Вт/м2 1 41.66666 41.66666 0.1140796 0.1521061 кВт·сағ/(м2·күн) 0.024 1 1 0.0027379 0.0036505 күн сағаты/күн 0.024 1 1 0.0027379 0.0036505 кВт·сағ/(м2·жыл) 8.765813 365.2422 365.2422 1 1.333333 кВт·сағ/(кВт·жыл) 6.574360 273.9316 273.9316 0.75 1

Күн энергиясы

Күн сәулесі көзге көрінетін жарықтың толқын ұзындығында сәулелену энергиясын тасымалдайды. Сәулелену энергиясын күн қуатын өндіру үшін пайдалануға болады. Күн қуаты жүйелерін орналастыруды жоспарлау үшін күн сәулесінен сәулелену көрсеткіштері қолданылады. Көптеген елдерде бұл көрсеткіштерді күн сәулесінің картасынан немесе соңғы 30-50 жылдың деректерін қамтитын күн сәулесі кестелерінен алуға болады. Күн қуатының әртүрлі технологиялары жалпы сәулеленудің әртүрлі компоненттерін пайдалана алады. Күн фотоэлектрлік панельдері тікелей және тараған сәулеленуді электр энергиясына айналдыра алады, ал концентрацияланған күн қуаты тек тікелей сәулеленумен ғана тиімді жұмыс істейді, сондықтан бұл жүйелер салыстырмалы түрде аз бұлтты аймақтарда ғана қолайлы. Күн коллекторларының панельдері көбінесе Күнге қарай белгілі бір бұрышпен орнатылғандықтан, панельге түсетін күн сәулесінің мөлшерін анықтау үшін сәулелену көрсеткіштерін түзету қажет. Бұл қыста тым төмен, ал жазда тым жоғары бағалауды болдырмайды. Бұл сонымен қатар, жоғары ендіктегі күн панеліне түсетін күн сәулесінің мөлшері, тек көлденең беттегі сәулеленуді ескере отырып көрінетіндей, экватордағы панельге қарағанда кем емес екенін білдіреді. Көлденең сәулелену деңгейі Норвегияда 800-950 кВт⋅сағ/(кВт⋅жыл) құрайды, ал Австралияда – 2900 кВт⋅сағ/(кВт⋅жыл) дейін жетеді. Бірақ 50° ендікте дұрыс бұрышпен орнатылған панельге жылына 1860 кВт⋅сағ/м² энергия түседі, ал экваторда – 2370 кВт⋅сағ/м². Шындығында, ашық аспан астында жазғы күн тоғысында солтүстік немесе оңтүстік полюсте көлденең орналастырылған күн панелі 24 сағат ішінде көбірек күн сәулесін алады (түсу бұрышының косинусы sin(23.5°) немесе шамамен 0.40), экватордағы күн тоғысындағы көлденең панельге қарағанда (орташа косинус 1/2 немесе шамамен 0.32). Фотоэлектрлік панельдер стандартты жағдайларда Wp (жойқын қуат) рейтингін анықтау үшін сынақтан өтеді, содан кейін күтілетін қуатты анықтау үшін бұрыш, іздеу және көлеңке сияқты факторлармен түзетілген сәулелену деректері қолданылады.

Азаматтық инженерлік

Азаматтық инженерия және гидрология салаларында қардың еруінен туындайтын су ағынының сандық модельдері күн сәулесінің шамасын өлшеу деректерін пайдаланады. Бұл, еру қардан судың қандай жылдамдықпен босатылатынын бағалауға мүмкіндік береді. Далалық өлшеулер пиранометр көмегімен жүзеге асырылады.

Климат зерттеулері

Сәулелену климатты модельдеу және ауа райын болжауда маңызды рөл атқарады. Атмосфераның жоғарғы бөлігіндегі нөлдік емес орташа жаһандық таза сәулелену, климаттық күштеудің нәтижесінде Жердің жылулық тепе-теңдігінің бұзылуын көрсетеді. 2014 жылғы ТҚБ (Total Solar Irradiance) мәнінің төмендеуі климаттық модельдерге қандай әсер ететіні белгісіз. ТҚБ абсолюттік деңгейінің бірнеше ондық пайызына болатын өзгерулер климаттық симуляциялар үшін көбінесе аз маңызды деп есептеледі. Жаңа өлшемдер климаттық модельдердің параметрлерін түзетуді талап етеді. GISS Model 3 моделімен жүргізілген тәжірибелер, қазіргі және өнеркәсіптік дәуірге дейінгі кезеңдерде модельдің өнімділігінің ТҚБ абсолюттік мәніне сезімталдығын зерттеді, мысалы, сәулеленудің азаюы атмосфера мен жер беті арасында қалай бөлінетінін және шығарылатын сәулеленуге тигізетін әсерін сипаттайды. Пассивті радиациялық салқындату бетінің салқындату қуатын өлшеу үшін, атмосфералық және күн сәулелерінің жұтылған қуаты есептелуі керек. Ашық күні күн сәулесінің сәулеленуі 1000 Вт/м²-ге жете алады, ал тараған компоненті 50-100 Вт/м² аралығында болады. Орташа есеп бойынша, күндізгі пассивті радиациялық салқындату бетінің салқындату қуаты ~100-150 Вт/м² деп бағаланады.

Ғарыш

Күн сәулесінен қоршалу ғарыш кемелерін жобалау және планетатанудағы тепе-теңдік температурасын анықтайтын басты фактор. Күннің активтілігі мен сәулеленуін өлшеу ғарыш саяхаты үшін маңызды мәселе. Мысалы, АҚШ-тың ғарыш агенттігі NASA, Күн сәулесі мен климаттық эксперимент (SORCE) спутнигін, Күн сәулесін өлшейтін құралдармен бірге ұшырды.