Скільки сонячної енергії потрапляє на Землю?
Сонце випромінює величезну кількість енергії - приблизно 1,1x1020 кВтг в секунду. Кіловат-годину - це кількість енергії, необхідне для роботи лампочки розжарювання потужністю 100 ват протягом 10 годин. Зовнішні шари атмосфери Землі перехоплюють приблизно одну мільйонну частину енергії, випромінюваної Сонцем, або приблизно 1500 квадрильйонів (1,5 x 1018) кВт · год щорічно. Однак через відображення, розсіювання і поглинання її атмосферними газами і аерозолями тільки 47% всієї енергії, або приблизно 700 квадрильйонів (7 x 1017) кВт · год, досягає поверхні Землі.
Сонячне випромінювання в атмосфері Землі ділиться на так зване пряме випромінювання і на розсіяне на частках повітря, пилу, води, і т.п. містяться в атмосфері. Їх сума утворює сумарне сонячне випромінювання. Кількість енергії, що падає на одиницю площі в одиницю часу, залежить від ряду факторів:
- широти
- місцевого клімату сезону року
- кута нахилу поверхні по відношенню до Сонця.
Час і географічне положення
Кількість сонячної енергії, що падає на поверхню Землі, змінюється внаслідок руху Сонця. Ці зміни залежать від часу доби і пори року. Зазвичай в полудень на Землю потрапляє більше сонячної радіації, ніж рано вранці або пізно ввечері. Опівдні Сонце знаходиться високо над горизонтом, і довжина шляху проходження променів Сонця через атмосферу Землі скорочується. Отже, менше сонячної радіації розсіюється і поглинається, а значить більше досягає поверхні.
Кількість сонячної енергії, що досягає поверхні Землі, відрізняється від середньорічного значення: в зимовий час - менше ніж на 0,8 кВт · год / м2 в день на Півночі Європи і більш ніж на 4 кВт · год / м2 в день в літній час в цьому ж регіоні. Різниця зменшується в міру наближення до екватора.
Кількість сонячної енергії залежить і від географічного місця розташування ділянки: чим ближче до екватора, тим воно більше. Наприклад, середньорічна сумарне сонячне випромінювання, падаюче на горизонтальну поверхню, становить: в Центральній Європі, Середній Азії і Канаді - приблизно 1000 кВт · год / м2; в Середземномор'ї - приблизно 1700 кВт · год / м2; в більшості пустельних регіонів Африки, Близького Сходу та Австралії - приблизно потужність 2200 кВт · год / м2.
Таким чином, кількість сонячної радіації істотно розрізняється залежно від пори року і географічного положення (див. Таблицю). Цей фактор необхідно враховувати при використанні сонячної енергії.
Вплив облікової на сонячну енергію
Кількість сонячної радіації, що досягає поверхні Землі, залежить від різних атмосферних явищ і від положення Сонця як протягом дня, так і протягом року. Хмари - основне атмосферне явище, що визначає кількість сонячної радіації, що досягає поверхні Землі. У будь-якій точці Землі сонячна радіація, що досягає поверхні Землі, зменшується зі збільшенням хмарності. Отже, країни з переважною хмарної погодою отримують менше сонячної радіації, ніж пустелі, де погода в основному безхмарна.
На формування хмар впливає наявність таких особливостей місцевого рельєфу, як гори, моря і океани, а також великі озера. Тому кількість сонячної радіації, отриманої в цих областях і прилеглих до них регіонах, може відрізнятися. Наприклад, гори можуть отримати менше сонячного випромінювання, ніж прилеглі передгір'я і рівнини. Вітри, що дмуть у бік гір, змушують частину повітря підніматися і, охолоджуючи вологу, що знаходиться в повітрі, формують хмари. Кількість сонячної радіації в прибережних районах також може відрізнятися від показників, зафіксованих в областях, розташованих усередині континенту.
Кількість сонячної енергії, що надходить протягом дня, в значній мірі залежить від місцевих атмосферних явищ. Опівдні при ясному небі сумарне сонячне
випромінювання, що потрапляє на горизонтальну поверхню, може досягти (наприклад, в Центральній Європі) значення в 1000 Вт / м2 (при дуже сприятливих погодних умовах цей показник може бути вище), в той час, як при дуже похмурій погоді - нижче 100 Вт / м2 навіть опівдні.
Вплив забруднення атмосфери на сонячну енергію
Антропогенні і природні явища також можуть обмежувати кількість сонячної радіації, що досягає поверхні Землі. Міський зміг, дим від лісових пожеж і переносимо по повітрю попіл, що утворився в результаті вулканічної діяльності, знижують можливість використання сонячної енергії, збільшуючи розсіювання і поглинання сонячної радіації. Тобто, ці чинники більшою мірою впливають на пряме сонячне випромінювання, ніж на сумарне. При сильному забрудненні повітря, наприклад, при смог, пряме випромінювання зменшується на 40%, а сумарна - лише на 15-25%. Сильне вулканічне виверження може знизити, причому на великій території поверхні Землі, пряме сонячне випромінювання на 20%, а сумарна - на 10% на період від 6 місяців до 2 років. При зменшенні кількості вулканічного попелу в атмосфері ефект слабшає, але процес повного відновлення може зайняти кілька років.
Потенціал сонячної енергії
Сонце забезпечує нас в 10 000 разів більшою кількістю безкоштовної енергії, ніж фактично використовується у всьому світі. Тільки на світовому комерційному ринку купується і продається трохи менше 85 трильйонів (8,5 x 1013) кВт · год енергії на рік. Оскільки неможливо простежити за всім процесом в цілому, не можна з упевненістю сказати, скільки некомерційної енергії споживають люди (наприклад, скільки деревини і добрива збирається і спалюється, яка кількість води використовується для виробництва механічної або електричної енергії). Деякі експерти вважають, що така некомерційна енергія становить одну п'яту частину усієї використовуваної енергії. Але навіть якщо це так, то загальна енергія, споживана людством протягом року, становить лише приблизно одну семитисячну частина сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі в той же період.
У розвинених країнах, наприклад, в США, споживання енергії становить приблизно 25 трильйонів (2.5 x 1013) кВт · год на рік, що відповідає більш ніж 260 кВт · год на людину в день. Даний показник є еквівалентом щоденної роботи більш ніж ста лампочок розжарювання потужністю 100 Вт протягом цілого дня. Середньостатистичний громадянин США споживає в 33 рази більше енергії, ніж житель Індії, в 13 разів більше, ніж китаєць, в два з половиною рази більше, ніж японець і вдвічі більше, ніж швед.
Кількість сонячної енергії, що потрапляє на поверхню Землі, у багато разів перевищує її витрата навіть в таких країнах як США, де енергоспоживання величезна. Якби тільки 1% території країни був використаний для установки сонячного обладнання (фотоелектричні батареї або сонячні системи для гарячого водопостачання), що працює з ККД 10%, то США були б повністю забезпечені енергією. Те ж саме можна сказати і щодо всіх інших розвинених країн. Однак, в певному сенсі, це нереально - по-перше, через високу вартість фотоелектричних систем, по-друге, неможливо охопити такі великі території сонячним обладнанням, не завдаючи шкоди екосистемі. Але сам принцип є вірним.
Можна охопити ту ж саму територію, розосередити установки на дахах будівель, на будинках, по узбіччях, на заздалегідь визначених ділянках землі і т.д. До того ж, у багатьох країнах вже понад 1% землі відведено під видобуток, перетворення, виробництво і транспортування енергії. І, оскільки велика частина цієї енергії є не відновлюваної в масштабі існування людства, цей вид виробництва енергії набагато шкідливіший для довкілля, ніж сонячні системи.