지표면에 입사하는 태양에너지 계산법

[구름치기]

지표면에 입사하는 태양에너지 ()

지구의 대기권 밖에서 태양광선에 수직인 단위면적이 단위시간당 받는 태양복사에너지를 태양상수라 하며 그 값은 시기에 따라 다소 변동하지만 평균적으로 약 정도 된다. 최근에 세계일사센타(WRC)에서는 값을 공식적으로 채택하여 쓰고 있다.  태양상수를 S라 하고 지구의 반지름을 R이라 하면 지구가 받는 전체량은 가 된다. 그러나 지구 전체의 표면적은 이므로 지구 전체의 표면에서 받는 에너지는 S/4, 즉 가 된다.  한편 지구는 지축이 약 23.5°기울어져 있으므로 지표면이 받는 일사량의 위도와 계절에 따른 변화는 복잡하다. 그림에서와 같이 태양의 반경을 Rs, 태양표면 1㎠가 매분 방사하는 열량을 Qs, 태양과 지구간의 거리를 d, 지구대기의 상한에 도달하는 태양복사의 강도를 Io라 하면 이 된다. nbsp;그런데 이 값은 태양광선에 수직인 면에 대한 것이므로 다음 그림 3-3에서와 같이 태양고도를 α,태양의 천장각을 θ라 하고 태양광선에 직각인 방향으로 AD면적에 들어온 복사에너지를 IO라 하면 AH면적의 수평면상에서 받는 태양복사에너지 I는 다음과 같이 된다. 가 된다.  여기서 그 지점의 위도를 φ, 태양의 적위(Solar declination)를 δ, 시각(Hour angel)을 H라 하면 θ는 다음 식으로 구할 수 있다. cosθ = sinφcosδ + cosφcosδcosH····················(3-4)  지구는 태양을 중심으로 공전하고 있으며 24시간의 주기로 자전하고 있다. 또 지구는 적도면이 공전궤도면과 23..5°의 각을 이루고 있다.  따라서 하지에는 태양이 북위23..5°의 북회귀선상에 있으며 동지에는 남위 23.5°의 남회귀선상에 있다. 따라서 태양으로부터의 광선이 지구의 적도면과 이루는 각인 적위는 +23.5°∼-23.5°의 값을 가지며 태양고도각 α와 위도 φ사이에 다음과 같은 관계식을 갖는다. α = 90°- φ + δ····························(3-5) 한편 하루중 지표면에 도달하는 총태양복사에너지의 양 Qd는 (3-3)식을 적분하여 얻을 수 있다. 즉 여기서 Hs는 일몰시각, -Hs는 일출시각이다. 따라서 H를 하루 낮길이의 반을 각도로 나타낸시각이라 한편 일출과 일몰시에는 Z=90°이므로 cosZ=0이고 (3-4)식은 -sinφsinδ= cosφcosδcosHs cosφcosδ= (-sinφsinδ)/cosHs Hs=cos-1(-tanφtanδ)··························(3-8) 이 된다. 따라서 (3-8)식을 (3-7)식에 대입하고 Hs를 라디안으로 표시하면 다음 식으로 나타낼 수 있다. 다음 그림3-4는 대기가 없다고 가정하였을 때 윗식에 의해 계산된 1일간의 복사량을 위도와 계절에 따라 나타낸 것이다. 그림에서 보면 태양복사에너지는 동지에 남극에서 최대로서 를 초과하며 같은 시기에 북극에서는 태양복사에너지가 0이 된다. 반대로 하지에는 북극의 복사에너지가 최대이지만 동지의 남극에서 받는 양에는 미치지 못하는데 그 이유는 하지에 지구가 원일점에 있기 때문이다. 이와 같이 어느 특정일에 대한 복사에너지는 극에서 최대이지만 반대로 복사에너지가 적은 기간도 있으므로 연 평균치로 볼 때는 적도 부근에서 최대가 된다. 그러나 실제 관측결과를 보면 위도 20∼30°부근에서 연평균 태양복사에너지가 최대가 되는데 이것은 적도부근은 흐린날이 많기 때문이다.     [관련태그] 태그없음

지구복사와 복사평형 ()

온도를 가지고 있는 물체는 어떤 물체든지 복사에너지를 방출한다. 온도가 높은 물체일수록 단파장 쪽의 복사를 하며 온도가 낮은 물체는 장파장 쪽의 복사를 한다. 태양은 표면온도가 6000。K의 고온이므로 태양복사의 스펙트럼 범위는 대체로 0.15∼4.0㎛이지만 지구는 약300。K이어서 지구가 내보내는 지구복사의 스펙트럼 범위는 3∼80㎛이다. 따라서 태양복사를 단파복사라 하고 지구복사는 장파복사라 한다. 지구복사중 최대강도의 파장은 Wien의 법칙을 따르면 10㎛ 정도된다. 대기중에는 복사에너지를 흡수하는 수증기, 탄산가스, 오존등의 기체가 있다. 이들은 특정한 파장의 에너지를 선택적으로 흡수한다. 그중에서 수증기에 의한 흡수정도가 가장 크며 예를 들어 수증기는 파장 5.5∼7.0㎛과 27㎛이상의 복사에너지를 거의 모두 흡수하며 4㎛이하에도 좁은 에너지 흡수대가 있다. 따라서 혼합기체로서의 대기는 태양복사에너지는 대부분 통과시키지만 지구복사에너지는 대부분 흡수한다. 흡수한 에너지중 일부는 적외선의 창을 통해 대기권 밖으로 내보내지만 대부분은 다시 지표를 향하여 역복사하므로 지구의 열에너지를 보존하는 역할을 한다. 이러한 작용을 지구대기의 온실효과라고 한다. 지구에 입사하는 태양복사량에 대해 지구가 반사하는 양의 비를 알베도라고 한다. 지구는 이 입사량과 반사량의 차이에 의해 더워지지만 지구 자체도 끊임없이 복사하므로 이 양자가 균형을 이루어 지구는 일정한 온도를 유지하는데 이를 복사평형이라고 한다. 지구 반경을 r라고 하면 지구의 전 표면적에서 방출되는 복사에너지는 이고 지구가 흑체복사한다고 가정하면 이다. 여기서 σ는 Stefan상수, T는 지구표면의 절대온도, 즉 복사평형온도이다. 한편 알베도를 A라 하면 태양으로부터 받는 복사에너지는 이다. S는 태양상수이다. 따라서, 이식을 풀면 T는 약 255。K이다. 이 온도가 실제 관측되고 있는 지구의 평균온도 288。K보다 낮은 것은 지구대기의 온실효과 등이 고려되지 않았기 때문이다. 한편 태양으로부터 지구에 들어오는 복사에너지의 양은 위도에 따라 크게 다르다. 이것은 위도에 따라 시기별로 태양고도가 달라지기 때문이다. 다음 그림3-9는 위도에 따른 수열량과 방열량을 나타낸 것이다. 그림에서 보면 위도 약 40도를 경계로 하여 적도 쪽에서는 수열량이 방열량보다 많고 극쪽에서는 방열량이 수열량보다 많다. 지구에서의 수열량과 방열량을 단기적으로 보면 평형을 이루지 못하지만 적도쪽의 남는 에너지가 대기 대순환에 의해 극쪽으로 이동되므로 장기간에 걸쳐 보면 평형을 이루고 있다고 볼 수 있다. 따라서 지구의 연평균 기온은 유지된다. 다음 그림3-10은 지구대기상한에 도달하는 일사량을 100이라 하였을 때 대기와 지표면의 열평형을 보인 것이다.