Pilvealune päikesekiirgus (hajukiirgus)

17. okt. 201711. aug. 2019

Tehniliselt on energia saamiseks kasutatav nii otsene (varju heitev) kui ka hajukiirgus (mis varju ei heida). Hajukiirgus on alati olemas, ainult et päikesepaiste korral on selle väärtus vaid 10–15 % kogukiirguse omast. Seevastu pilve varjus (laus- või lahkpilvede puhul) ongi 100 % päikesekiirgusest just hajukiirgus. Hajukiirguse osatähtsus on suur – Eestis umbes 50 % aasta kiirgusenergiast [1].

Veel tuleb pöörata tähelepanu eri tüüpi madalatele pilvedele, sest kaldpinnad (tehnilised seadmed on kaldu) omastavad hajukiirgust eri moodi. EMHI Tõravere Aktinomeetriajaama) 2000.–2002. aasta suviste 1- minutiliste mõõtmisandemete põhjal koostatud joonisel 1 on kujutatud päevade jaotus (ülekaalus olevate) pilvetüüpide kaupa.

Eestis on pilves 2/3 suvepäevadest, kusjuures lauspilvi (Stratocumulus perlucidus, Stratus nebulosus) ja lahkpilvi (Cumulus humilis, Cumulus mediocris, Cumulus fractus) on üsna võrdselt. Laus- ja lahkpilvede näiteid on joonistel 2 ja 3.

Need fotod on tehtud Pääsküla suletud prügimäel, mida autor on mitme aasta vältel kasutanud mõõtepolügoonina. Viimaste mõõtmiste eesmärk oli kontrollida hajukiirguse aproksimatsioonimudelit, mida kasutatakse statistiliselt kogutud (ja horisontaalpinnal mõõdetud) hajukiirguse andmeridade ümberarvutamisel kaldpindadele. Need arvutused on vajalikud energiatoodangu prognoosimiseks ja (simuleeritud) tehniliste lahenduste võrdlemiseks. Hajukiirguse jaotuse mõõtmiseks kasutati joonisel 4 kujutatud stendi, millele oli monteeritud viis eri kalde all (vahemikus 0^o < β < 90^o 22,5^o võrra nihutatud) andurit. Mõõtmisi sooritati nii positiivsesse (päikese poole) ja negatiivsesse (päikesest eemale) suunda pööratud anduritega kui ka siis, kui andurid pöörati nende suundadega risti. Nõnda saadi hajukiirguse jaotus päikest jälgiva kollektori jaoks. Lõuna-põhja ja idalääne teljel mõõdetu kirjeldab hajukiirguse jaotust lõunasse suunatud fikseeritud kollektoril.

Joonis 5 võtab kokku uurimuse olulisemad tulemused. Suhtelise hajukiirguse G`_dT = G_dT/ G_d0 , s.o pinnale kaldenurgaga β ja horisontaalpinnale toimiva hajukiirguse suhte kohta, on olemas pikaajalised statistilised andmed. Diagrammi joontel on järgmine tähendus:

joon A – kumer kõver maksimumiga siis, kui pind on horisontaalne, on suhtelise hajukiirguse keskmine jaotuskõver lauspilvede korral. Ühtlaselt mõlemas suunas langev jaotus kehtib lahkpilvede puhul ka päikesega risti oleva suuna kohta. Üksikute mõõtmiste hajuvus keskmise ümber on väike;
joon B on hajukiirguse jaotuse aproksimatsioon tuntud isotroopse mudeli järgi ning lauspilvedele sobib see hästi, väike viga ilmneb ainult vertikaalpinnal;
joon C on suhtelise hajukiirguse jaotuskõver lahkpilvede korral. Kumera kõvera maksimum on suurem hajukiirguse väärtusest horisontaalpinnal. Päikese vastassuunas on kõver pigem nõgus, ent ilma kohtmiinimumita. Üksikute mõõtmiste hajuvus on väga suur. Tuntud isotroopse hajukiirguse mudel ei ole lahkpilvede puhul pädev. Sobiv aproksimatsioon on keerukam ja avaldatakse erialakirjanduses;
joon D jälgib üksikutel mõõtmistel näidatud nurga korral leitud G* dT suurimaid ning joon E – G* dT vähimaid väärtusi.

Hajukiirguse jaotus päikese suunast suvaliselt kõrvale pööratud pinnal ei ole lauspilvede korral suunatundlik. Lahkpilvede puhul on see suund oluline – mida suurem on kõrvalepööre päikese suunast, seda lamedam on kõver, mis ristisuunas kõdub kõveraks A. Laus- ja lahkpilved on erinevad ka G`_dT stabiilsuse mõttes: lauspilvede puhul oleneb see ainult pinna kaldenurgast ning ei olene horisontaalpinnal mõõdetud hajukiirguse väärtusest, mis võib pilvekihi paksusest olenevalt muutuda mitu korda.

Lahkpilvede korral on ta ebastabiilne: G`_dT hajumine mõnekümne minuti jooksul on samas suurusjärgus hajukiirguse väärtuse hajumisega horisontaalpinnal. Hajukiirguse väärtus kaldpindadel (ja vertikaalpinnal eriti) sõltub ümbruse pinna albeedost (peegeldusvõimest). See on näha joonisel 6, millel on võrreldud samast paigast päikese suunal tehtud mõõtmisi.

Lõpetuseks tuleb märkida, et uurimus ei hõlma hajukiirgust (suhteliselt) läbipaistvate kõrgpilvede all, mille puhul otse- ja hajukiirgus pole eristatavad. Hajukiirguse omadused kaldpindadel on laus- ja lahkpilvituse puhul oluliselt erinevad. Ilma täiendava uurimiseta ei saa väita, kui palju see isotroopse mudeli kasutamist väärab (kui üldse, sest lahkpilvede varjud kestavad enamasti lühikest aega).

Artikli autor: TEOLAN TOMSON TTÜ Materjaliteaduse instituudi vanemteadur, tehnikadoktor

Fotol on lauspilved (Stratus nebulosus). Foto: T. Tomson

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 1/2013. Täismahus artikli koos jooniste ja tabelitega leiad ajakirjast lk 2-33.

Viidatud allikas