Η ηλιακή ακτινοβολία αποτελεί μια αστείρευτη ενεργειακή πηγή του πλανήτη μας, καθώς ανά πάσα χρονική στιγμή περίπου 173,000 TW ηλιακής ισχύος διασχίζουν τα όρια της γήινης ατμόσφαιρας. Παράλληλα, η ηλιακή ενέργεια είναι η πλέον αξιοποιούμενη από τις Ήπιες Μορφές Ενέργειας στον τομέα κάλυψης των θερμικών αναγκών, ενώ η αντίστοιχη τεχνολογία εξελίσσεται συνεχώς επιδιώκοντας να καταστεί πλήρως ανταγωνιστική των συμβατικών πηγών ενέργειας.
Για τη μελέτη και αποδοτική λειτουργία ενός οποιουδήποτε ηλιακού συστήματος είναι απαραίτητη η γνώση της διαδικασίας μέτρησης και υπολογισμού της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας, μέσω του προσδιορισμού της προσπίπτουσας σε μια επιφάνεια ακτινοβολίας, συνυπολογίζοντας την κλίση και τον προσανατολισμό αυτής καθώς και το χρόνο και τον τόπο της μελέτης.
Το θέμα του προσδιορισμού της διαθέσιμης ηλιακής ενέργειας είναι άκρως επίκαιρο για την περίπτωση της χώρας μας, η οποία εμφανίζει υψηλή ηλιοφάνεια σε όλη τη διάρκεια του έτους, καθιστώντας τις εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας ιδιαίτερα αποδοτικές και οικονομικά συμφέρουσες.
Η ηλιακή ενέργεια μεταφέρεται με την ηλιακή ακτινοβολία από τον ήλιο, ο οποίος βρίσκεται σε μια μέση απόσταση 149.6 x 106 km (το μήκος αυτό αντιστοιχεί σε μία αστρονομική μονάδα, 1 AU) από τη γη. Η ετήσια μεταβολή της απόστασης ήλιου-γης, λόγω της ελλειπτικής μορφής της τροχιάς της γης γύρω από τον ήλιο είναι περίπου 1.7% και επαναλαμβάνεται με μικρές μεταβολές από χρόνο σε χρόνο. Η αντίστοιχη διακύμανση της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια του πλανήτη μας εκτιμάται στα επίπεδα του +- 3.4%.
Από υφιστάμενες αναλύσεις υπολογίζεται ότι ο ήλιος εκπέμπει ενέργεια (ανά μονάδα χρόνου) υπό μορφή ακτινοβολίας ισχύος 3.72 x 1023 kW. Η ποσότητα εκπεμπόμενης ενέργειας, ανά μονάδα χρόνου, που φτάνει σε μια μοναδιαία επιφάνεια κάθετη στη διεύθυνση της ακτινοβολίας, στη μέση ετήσια απόσταση γης-ήλιου, ονομάζεται ηλιακή σταθερά, GSC και ισούται με 1367 W/m2. Η ηλιακή ακτινοβολία κατανέμεται σε ένα ευρύ φάσμα μήκους κύματος, δηλαδή από 2500 έως 40000 Angstrom (ενώ ισχύει 1 Angstrom=10-10 m).
Σύμφωνα με τις πλέον σύγχρονες αναλύσεις, το μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας βρίσκεται στα μικρά μήκη κύματος, δηλαδή έως τα 3 με 4 μm. Συνεπώς, ακτινοβολία μεγαλύτερη των 4 μm ονομάζεται ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος. Από τα διαθέσιμα στοιχεία προκύπτει ότι το 99% της ηλιακής ενέργειας περιλαμβάνεται σε μήκη κύματος από 0.25 έως 4 μm. Στο ορατό τμήμα της ακτινοβολίας περιέχεται το 46.41% της ενέργειας, ενώ στο υπεριώδες (μήκος κύματος <0.4 μm) περιέχεται το 8.03%. Τέλος η φασματική περιοχή του ηλιακού φωτός με μήκος κύματος >0.77 μm περιέχει το υπόλοιπο 45.56% της ενέργειας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.
Η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης, χωρίζεται σε άμεση και διάχυτη, ενώ το άθροισμα αυτών είναι η ολική ακτινοβολία. Η ηλιακή ακτινοβολία συμβολίζεται με G σε W/m2 όταν έχουμε στιγμιαία ένταση. Αντίστοιχα με I σε J/m2 περιγράφεται η ωριαία ποσότητα ηλιακής ενέργειας, ενώ με Η σε J/m2 συμβολίζεται η ημερήσια ή μηνιαία ηλιακή ενέργεια.
Η πλέον αξιόπιστη εκτίμηση των τιμών της ηλιακής ακτινοβολίας σε μια περιοχή βασίζεται σε πειραματικές μετρήσεις μέσω κατάλληλων οργάνων. Για τη μέτρηση της άμεσης ακτινοβολίας Ibn χρησιμοποιείται το πυρηλιόμετρο. Το πυρηλιόμετρο προσομοιώνει ένα σύστημα περιορισμένης δέσμης και διαθέτει έναν αισθητήρα που βρίσκεται στο βάθος κατάλληλου σωλήνα με άνοιγμα περίπου 5ο στο ένα άκρο του. Ο σωλήνας αυτός επιτρέπει τη διέλευση μόνο της άμεσης ακτινοβολίας στον αισθητήρα. Το πυρηλιόμετρο μετακινείται με τη βοήθεια μιας ηλεκτρονικής βάσης, η οποία παρέχει τη δυνατότητα προσαρμογής της θέση του σωλήνα στην τροχιά του ήλιου, με αποτέλεσμα ο ηλιακός δίσκος να είναι πάντοτε ορατός μέσα από το σωλήνα.
Ο σωλήνας είναι βαμμένος εσωτερικά με μαύρο χρώμα ώστε να απορροφάται η τυχούσα διάχυτη ακτινοβολία πριν αυτή φτάσει στη βάση του σωλήνα.
Αντίστοιχα, η ολική και η διάχυτη ακτινοβολία μετρώνται με τη χρήση του πυρανομέτρου. Ένα πυρανόμετρο μετράει την ολική ηλιακή ακτινοβολία του ημισφαιρίου γύρω από το όργανο (ουράνιος θόλος), πάνω από μια οριζόντια ή κεκλιμένη επιφάνεια περιλαμβάνοντας και την ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία. Το ίδιο όργανο έχει τη δυνατότητα μέτρησης και της διάχυτης ακτινοβολίας αφού σκιαστεί με κατάλληλο δακτύλιο που δεν επιτρέπει την πρόπτωση της άμεσης ακτινοβολίας στον αισθητήρα. Ο δακτύλιος σκίασης πρέπει περιοδικά να ρυθμίζεται ανάλογα με το εκάστοτε ηλιακό ύψος.
