• Произход и Разпространение

Пряко или косвено, повечето енергиини процеси и всички възобновяеми енергиини източници на повърхността на земята са производни на термоядрения синтез [1] породен в ядрото на слънцето. Този процес сам по себе си, според много учени и не толкова учени хора, ще доведе народите на планетата ни до енергийна независимост в близкото бъдеще, ако бъде овладян. Термоядрения синтез е процеса при който са се образували всички елементи познати ни, като под въздействието на високо налягане и температура по-леки елементи се "сливат" за да образуват по-тежки такива. В случая с нашето слънце, водород се конвертира в хелий, при което според еквивалентния принцип [2] за маса-енергия на Айнщайн се отделя огромно количество енергия. В резултат на това, повърхността на слънцето е нагрята до близо 6000К и емитира радиантна електромагнитна енергия (светлина) в трите пространствени измерения. Количеството емитирана енергия е във функция от температурата на тялото, което я излъчва, според закона за Абсолютно Черни Тела (АЧТ) на Планк [3].

Слънчевата радиация, достигаща повърхността на Земята е разделена условно на Директна, Дифузна и Глобална. Директната радиация е идващата пряко от слънцето, докато дифузната е рефлектирана от околността и атмосферата. Глобалната радиация е сбора от директна и дифузна. Според Интернационалната Стандартизация (SI - Standard International), количество глобална радиация върху единица площ за единица време е прието да се нарича "Инсолация" и се отбелязва с латинското "G", количество директна инсолация се обозначава с "B", а количество дифузна инсолация се обозначава с "D". Сумарната глобална инсолация, или по-конкретно интегрираната инсолация, за даден времеви период се нарича "Ирадиация" и се отбелязва с латинското "G_d", където субскриптите обозначават времевия период, за който е интегрирана инсолационната функция. Обикновенно, ирадиациата е часова"G_h", дневна "G_d", месечна "G_m" и годишна "G_y". Мерните единици за инсолация и ирадиация най-често са респективно W/m² и Wh/m².

Ирадиацията на Земята е във функция от редица фактори, като орбиталната механика, диктуваща планетарната траектория, а с това отстоянието и ъгъла, който планетата ни заема спрямо Слънцето, е най-важния. Средно аритметичната инсолация (Соларната Константа) достигаща до перпендикулярна повърхност на средно аритметичната дистанция между Земята и Слънцето (т.н. астрономическа единица - AU=149 597 870.691km), е равна на 1367.7W/m² и се отбелязва I_SC.

Както се вижда от Фигура 1, площта на Слънцето отговорна за осветяването на планетата Земя е малка и може да бъде изчислена да е равна на около 2776 кв.км, или на около 5 пъти площта на град София, ако се направи асумпция, че в пространството между двете тела, електромагнитната радиация не се губи, а само намалява плътността си.

Основния принос за енергията достигаща Земята има Фотосферата на Слънцето. Фотосферата [4] [5] е тънка обвивка от плътен горещ газ с дебелина от около 500км и емитира електромагнитна радиация почти безпрепиатствено в космическото пространство. Наблюдавана посредством апаратура с висока разделителна способност, структурата й е нехомогенна, гранулирана [5], осеяна с образувания подобни на оризови зърна.

Над Фотосферата още два слоя са дефинирани от науката, при които плътността намалява, с което намалява нееднородността им като структура. Първият е Хромосферата [4] и вторият е Короната [5] . Хромосферата е лесно видима при слънчеви затъмнения, а Короната е много неплътен слой, който е видим само със специална апаратура и особено по време на пълно слънчево затъмнение.

Соларната константа е средно-аритметична стойност, както бе упоменато по-горе. Реалната инсолация посрещана от плоскост, перпендикулярна на оста между Земята и Слънцето е функция на планетарната геометрия или по-точно на Хелиоцентристката позиция на Земята спрямо Слънцето. Точната стойност на дистанцията между центъра на маса на Земята и този на Слънцето или т.н. Земен Хелиоцентристки Радиусен Вектор (ЗХРВ) може да се намери според редица емпирични алгоритми, както и може да се използват конкретните механични Частични Диференциални Уравнения с решения посредством Числени Методи. В слънчевия инженеринг обаче, емпиричните методи са с достатъчна дискрета и Ние ще се придържаме към тях.

• Географско Положение

Количеството инцидентна радиация, достигащо до Земната повърхност, е в първостепенна зависимост от географското положение от интерес и във второстепенна от климатологичните специфики на дадената точка от земното кълбо, които сами по себе си са зависими от географското положение. Най-важния фактор в случая е Географската Ширина (ГШ), която е мерило за ъгъла, който прави една мислена линия минаваща през центъра на земното кълбо и географската точка от интерес с равнината на екватора. Географската Дължина(ГД) не е от първостепенна важност, понеже от математически аспект всички точки на същата ГШ за период от 24 часа ще бъдат облъчени със същото количество радиация, което разбира се не важи за нашата планета, поради намесата на климатологични и други фактори. Третия географски фактор, който има пряко влияние върху количеството радиация, е Надморското Равнище(НР). От НР зависят много суб-фактори, основно климатологични, но приоритетно погледнато, факта че се съкращава пътя на слънчевата радиация през атмосферата увеличава теоретичния добив на eлектромагнитна радиация.

• Атмосфера и Климат

Атмосферата и Климатологичните специфики са най-неустановените и трудни за изчисление фактори повлияващи слънчево-радиационните естимации. Спектрографския анализ във Фигура.2 (данните са собственост на "Националната Лаборатория по Възобновяеми Източници" - САЩ) на слънчевата радиация преди да бъде повлияна от атмосферата и след това, показва поглъщането и разсейването й. Интегрирайки дадените данни посредством числени методи показва, че стандартната атмосфера от 1.5 Атмосферни Маси (AM) поглъща близо 75% от достъпната ирадиация извън атмосферата.

Във Фигура.2 също се вижда, че най-енергийните фотони идващи от Слънцето са в диапазона 380-750 нанометра или в т.н. Видим Спектър. Кумулативно, 45% от соларната ирадиация е във видимия спектър. За соларния инженер е от изключително значение да познава спектралната характеристика на соларната радиация поради редица причини свързани с начина на поглъщене на фотоните от Фотоволтаици, от Концентриращи системи и др., но това ще бъде обсъждано в детайл по-нататък.

• Радиационни Естимации

Изчисленията за Соларната радиация са изключително комплексни и целта на този труд е да навлезе в детайлите на изчислителните алгоритми, както и да представи един лесно разбираем и достъпен пресмятащ апарат, който всеки може да ползва от дома си съвсем безплатно.

Първоначалния анализ, който ще направим, е теоретичния анализ на чистото небе(АЧН), при който се правят следвите асумпции:

• Атмосферата не съдържа облаци

• Атмосферата е равномерна по дебелина навсякъде по земното кълбо

• Температурата и Налягането са еднакви за целия времеви период, в който се прави АЧН