Естественный свет в доме. Стратегии природного освещения. Солнечное освещение для дома

Давно известно, что дневное «солнце в молоке» (небесная дымка), высокие перистые облака или яркое пятно вместо солнца за сплошными неплотными облаками - идеальное освещение для съёмки. Свет и тень белеют, а это значит, что могут получаться и наилучшая цветопередача, и мягкая светотень. Как правило, освещённость в это время уменьшается в два раза, и светочувствительная матрица видеокамеры дает наилучшее разрешение, ведь избыточная освещенность матрицы приводит к растеканию электрических зарядов фотоэффекта и, следовательно, к потере четкости изображения.

Для ровного освещения нескольких объектов и при съемке в больших помещениях лучше использовать непрямой (отраженный) или сильно рассеянный свет, а чтобы избежать теней от одного человека на другом, надо применить несколько источников света.

Обратите внимание на освещение: в жилых помещениях оно почти всегда верхнее, с потолка. Это не очень хорошо, слишком контрастно, в кино этот свет называется «тюрьма», потому что именно с таким освещением снимают драматические и трагические сцены. Попытайтесь использовать естественный свет из окна, а если съемка происходит вечером, включите торшер, настольные лампы и все, что найдете подобного, чтобы сцена съемки освещалась более равномерно.

Красивое небо лучше снимать над светлыми отражающими и блестящими поверхностями, например над песком, снегом, водой, иначе контраст получится чрезмерным. Вода при высоком солнце (более 42° над горизонтом) становится темной, при низком - искрится, приобретает цвет неба.

Естественное освещение сцены (солнце) - лучше всего, если сбоку - так оно будет освещать сцену съемки рельефно. Если солнце будет у вас за спиной, то в кадре как раз и окажется пестрая каша веселых оттенков. Очень хорош на натурных съемках туман, он потрясающе подчеркивает глубину композиции, объемность кадра, поэтому на съемках настоящего кино дальние планы часто «затуманивают» с помощью специальных дымов.

В ясную погоду основными источниками света являются солнце и небо. Спектральный состав прямого солнечного света зависит от положения нашего светила относительно горизонта, так как атмосфера поглощает коротковолновые (сине-фиолетовые) лучи больше, чем красные. По мере подъема над горизонтом солнце из красного становится в зените бело-желтым, цветовая температура повышается с 2200 °К до 5700 °К. Цвет неба зависит от многих факторов и изменяется от голубого до синего, цветовая температура соответственно увеличивается от 104 до 3 х 104 °К.

Тени, которые освещаются преимущественно голубым небом, кажутся холоднее светов (освещенных участков) под желтым солнцем. Синие тени и желтые света дополнительно увеличивают контраст изображения. Днем в пасмурную погоду и при солнце в дымке разница в окрашивании света и тени мало заметна (цветовая температура около 5500 °К и 7000-8500 °К соответственно).

Солнце на рассвете или при закате стоит над горизонтом под углом 0-6° и дает резкий контраст светотени. Освещены только вертикальные поверхности предметов, прямой солнечный свет окрашивает их в красный цвет, тени черные, другие цвета приглушены. Такое положение солнца подчеркивает рельеф местности и подходит для съемки пейзажей, тихой глади воды при встречном свете. Для съемки людей крупным планом подобное освещение непригодно, особенно неприемлем боковой свет из-за чрезмерного контраста. Вечер - хорошее время для съемки городских пейзажей, так как при еще достаточном свете на улице уже зажигаются окна домов.

Низкое солнце (13-15° над горизонтом) утром, вечером или зимним днем дает резкое отличие в освещении горизонтальных н вертикальных поверхностей. На свету предметы окрашиваются в оранжево-желтые оттенки, а тени - в синие (цветовая темцература солнца - 2500-3500 °К, неба - более 15 000 °К). Контраст высокий, цветопередача искажена.

Освещенная часть лица приобретает золотистый теплый оттенок. В крупных планах полезна подсветка встроенной лампой для выравнивания освещенности теневой части до уровня яркости неба и коррекции ее цветности. Для съемки дальних планов больше подходит утреннее освещение, а не вечернее, так как воздух после жаркого дня становится менее прозрачным. Низкое солнце в пасмурную погоду не дает теней и для съемки едва ли пригодно.

Универсальным освещение бывает, когда солнце светит под углом 30-60°, свет белый, цветовая температура - около 55 000 °К. В это время освещенность горизонтальных и вертикальных поверхностей примерно одинаковая, и цветопередача освещенных участков наиболее удачная. Тени голубые, в нужных местах их можно смягчить отражающими белыми экранами на подставках. Можно снимать и людей, и пейзажи.

Солнце в зените мало пригодно для съемки, так как освещаются в основном горизонтальные поверхности. Но только такое естественное освещение и бывает в лесных чащах, глубоких карьерах, дворах-колодцах. Здесь требуется фронтальная подсветка и подсветка снизу, удовлетворительные результаты получаются при съемке на светлом песке или на снегу.

В солнечный день под сенью деревьев образуется множество световых пятен и бликов, из-за чего контраст становится запредельным. По этой причине снимать в парке или в лесу лучше пасмурным днем или при солнце в дымке. Место для съемки желательно выбрать на поляне, чтобы в кадр попал хотя бы небольшой участок неба.

Рваное предгрозовое небо, когда из-за темных туч пробивается яркое солнце, может стать отличным, но непредсказуемым освещением для разворачивания драматичных событий. Пейзажи приобретают внутреннюю напряженность. Солнце за плотной тучей при голубом небе дает тусклый и рассеянный свет, в котором исчезают тени, предметы становятся плоскими. Такое освещение не слишком хорошо для съемки.

Пасмурный день не дает теней, контрастность очень низкая, цветовая температура более 6500 °К, цвета блекнут. Изображение получается плоским, необходимы дополнительные средства для подчеркивания объема и формы предметов. Освещение подходит для съемки людей крупным планом, но при этом желательна боковая направленная подсветка, особенно для плоских лиц, нужны цветовые контрасты. Яркая теплая подсветка встроенным осветителем даст эффект съемки при заходящем солнце.

Освещенность - базовые понятия

Освещённость - это физическая величина, характеризующая освещение поверхности, создаваемое световым потоком, падающим на поверхность.

Единицей измерения освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр), в СГС - фот (один фот равен 10000 люксов).

В отличие от освещённости, выражение количества света, отражённого поверхностью, называется яркостью.

Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Когда лучи света падают наклонно к освещаемой поверхности, освещённость уменьшается пропорционально косинусу угла падения лучей.

Для примера:

Освещение солнечными лучами в полдень - 100 000 люкс
При киносъёмке в студии - 10 000 люкс
На открытом месте в пасмурный день - 1000 люкс
В светлой комнате вблизи окна - 100 люкс
На рабочем столе для тонких работ - 100–200 люкс
Необходимое для чтения - 30–50 люкс
На экране кинотеатра - 85–120 люкс
От полной луны - 0,2 люкс
От ночного неба в безлунную ночь - 0,0003 люкс

Освещение - базовые понятия

Как правило, освещение бывает направленным, рассеянным и комбинированным.

Направленный свет - это свет, дающий на объекте резко выраженные света и тени и в некоторых случаях блики.
Рассеянный свет - это свет, равномерно и одинаково освещающий все поверхности объекта, вследствие чего на них отсутствуют тени, блики и рефлексы.
Комбинированное освещение представляет собой сочетание направленного и рассеянного света.

Уменьшение общей освещённости изменяет соотношение между яркостями светов и теней: яркость свето́в убывает быстрее, чем теней. Это может происходить за счёт некоторого освещения теней рассеянным светом. Таким образом, уменьшение общей освещённости вызывает одновременно и уменьшение контраста.

Освещение является простым, если свет имеет одно направление, и сложным, если он идет по нескольким направлениям, от двух и более источников.

Освещение будет жёстким, когда источником света является вольтова дуга или электролампа без арматуры; смягчённым - если он заслонен полупрозрачным экраном (из бумаги, молочного стекла, лёгкой ткани), и мягким - когда он заключён в широкий софит с полупрозрачным экраном.

Вид освещения сказывается на очертании теней и характере рельефа. При жёстком освещении границы теней очень точно очерчены, а рельеф объекта преувеличивается - созидается впечатление, что все впадины углубились. Смягчённое освещение размывает контуры теней и уменьшает рельефность объекта. Мягкое освещение ещё более увеличивает этот эффект.

Если источник света близко расположен к освещаемому телу, то тени будут конусообразными и резко очерченными. Если два источника света посылают в пространство взаимно перекрещивающиеся лучи, то они дадут тень и полутень, которые смягчат контраст изображения.

Лучи, падающие на поверхность объекта под углом больше 45°, дают прямое освещение, а под меньшим - косое.

Косое освещение подчёркивает форму предметов и хорошо выявляет их детали. Его разновидностью является скользящее освещение, когда угол падения на поверхность объекта близок к нулю градусов. Скользящее освещение особенно чётко выявляет фактуру объекта. Для смягчения контраста при скользящем освещении дают дополнительное прямое освещение объекта съёмки, но от более слабого источника света, чем источник скользящего освещения.

При освещении искусственными источниками света крупных планов (портретов, натюрморта и т.д.) пользуются следующими видами освещения:

Заполняющий, или общий свет – равномерное, рассеянное, бестеневое освещение объекта, имеющее достаточную интенсивность для короткой выдержки. Осуществляется комбинацией источников верхнего и переднего света.
Рисующий свет - пучок света, направленного на объект или его сюжетно важную часть. Его задача - создание основного светового эффекта. Такой свет должен давать бо́льшую освещённость на освещённом участке объекта по сравнения с освещённостью общего света. Самостоятельно рисующий свет употребляется редко, так как он даёт контрастное освещение, затрудняющее проработку деталей в тенях или света́х из-за большого интервала яркостей.
Моделирующий свет - узкий направленный пучок света малой интенсивности, используемый для получения бликов, улучшающих передачу объёма объекта и подсветки теней с целью их смягчения, а иногда и полного устранения. Назначение моделирующего света - улучшение градации светотени. Прибором для моделирующего света служит глубокий узкий софит с обыкновенной лампой накаливания небольшой мощности или обычный софит с надетым на него тубусом.
Контурный, или контрово́й, свет - задний скользящий свет, используемый для выделения контура объекта от фона. Таким светом выявляют форму всего объекта или какой-либо его части. Источник контурного света помещают позади объекта на близком расстоянии от него. Получают тонкую линию светового контура, которая расширяется с удалением источника света от объекта. В качестве прибора для контурного света используют софит со средним диаметром рефлектора.
Фоновый свет - свет, освещающий фон, на котором проецируется объект. Освещённость фона должна быть меньше, чем освещённость, даваемая общим и рисующим светом. Фоновый свет бывает равномерным и неравномерным. Обычно его распределяют так, чтобы светлые участки объекта рисовались на тёмном фоне, а тёмные - на светлом. Для равномерного освещения фона используют источники света в широком софите, а для создания на нем световых пятен - в узком софите. Прекрасные результаты смягчения света дает отраженный свет, для этого используются зонты с отражающей поверхностью и плоские отражатели изготовленные из белой ткани на каркасе.

15.06.2005

Единственным источником естественного освещения является солнце...

Оно излучает прямой солнечный свет, часть которого рассеивается в атмосфере и создает рассеянное излучение. Таким образом, различают свет, падающий непосредственно от солнца и свет «неба» - солнечного света рассеянного атмосферой.

Естественное освещение меняется в зависимости от времени дня, состояния погоды и времени года. Главная особенность естественного освещения - непостоянство интенсивности и спектрального состава его излучения. Изменение освещенности подвержено влиянию закономерных и случайных факторов.

Закономерные факторы, влияющие на изменчивость естественного освещения - высота солнца над горизонтом и географическая широта. Случайные факторы определяются состоянием атмосферы - ясно, дождь, туман. Случайным дополнительным фактором является отражение света от земли и окружающих предметов.

С восходом солнца увеличивается интенсивность света и его цветовая температура . Примечателен тот факт, что в силу преломления солнечных лучей в атмосфере мы видим восход солнца несколько раньше, а закат - чуть позже, чем это имеет место в действительности. Расчеты показывают: когда мы видим, что нижний край Солнца коснулся горизонта, в действительности оно уже зашло.

Лучи, входящие в состав солнечного света, фиолетовые, синие, голубые и зеленые, преломляются в атмосфере Земли сильнее, чем желтые и красные. Поэтому первые лучи при восходе Солнца - синий и зеленый, так же как и последний луч заходящего солнца.

Из-за рассеивания в атмосфере синий луч не наблюдается. Зеленый луч - редкое зрелище. Его удается увидеть при очень чистом, спокойном и однородном воздухе, когда вплоть до горизонта отсутствуют конвекционные восходящие потоки в атмосфере. Чаще всего зеленый луч наблюдают на берегу спокойного моря.

Таблица 1.2.

Спектральная характеристика естественного освещения
Фазы дневного освещения	Цветовая температура излучения, К
Прямые солнечные лучи при восходе и заходе солнца	2200
Прямой солнечный свет через час после восхода солнца	3500
Прямой солнечный свет ранним утром и в предвечернее время	4000.. .4300
Солнечный свет в полдень летом	5400... 5800
Рассеянный дневной свет в тени летом	7000
Рассеянный дневной свет в пасмурную погоду	7500... 8400
Свет от голубого неба	9500.. .30000

В зависимости от высоты солнца над горизонтом естественное освещение делится на периоды эффективного, нормального и зенитного освещения.

Период эффективного освещения характеризуется малой освещенностью и большим содержанием оранжево-красных лучей в естественном свете. При восходе и закате они равноценны свету ламп накаливания (см. табл. 1.2). Их цветовая температура составляет 3000...3200°К.

Благоприятным для глаз является период нормального освещения. В это время плавно изменяется освещенность и незначительно изменяется спектр естественного освещения.

Период зенитного освещения характеризуется наибольшей разницей освещения горизонтальных и вертикальных поверхностей. Он неприятен для глаз из-за высокого контраста между освещенными участками и освещенностью в тенях. Высокий контраст при зенитном освещении наиболее остро ощущается в южных широтах.

Таблица 1.3.

Освещенность земной поверхности в различные периоды года и часы дня, %
Месяцы	Время суток, час
Месяцы
Июнь
Май - июль
Апрель - август
Март - сентябрь
Февраль - октябрь
Январь - ноябрь
Декабрь
	Данные приведены для средней полосы (широта 55°)

В безоблачную погоду, при отсутствии дымки, колебания освещенности, связанные с влиянием атмосферных факторов, невелики. Относительные средние характеристики естественного освещения в безоблачную погоду в зависимости от времени суток приведены в табл. 1.3.

На характер естественного освещения значительное влияние оказывает состояние атмосферы - густота облаков, их высота и расположение по отношению к солнцу, дымка, туман, дождь, снег. При этом изменяется освещенность объектов, контрастность и спектральная характеристика света.

Например, при наличии кучевой облачности освещенность незатененных объектов, освещенных солнцем, увеличивается на 25%, а освещенность в тени возрастает в два с половиной раза. Контрастность освещения снижается приблизительно в два раза в сравнении с освещением в безоблачную погоду. При сплошной облачности наблюдается значительное уменьшение освещенности и контрастности освещения.

С восхождением солнца постепенно увеличивается не только интенсивность света, но и его цветовая температура. Взвешенные в воздухе частицы меньше рассеивают лучи коротковолновой части спектра - фиолетовых, синих и голубых. Увеличение доли синих лучей приводит к расширению коротковолновой части спектра и, следовательно, к увеличению цветовой температуры дневного освещения.

Цветовая температура - это мера объективного впечатления от цвета данного источника света. По определению, цветовой температурой характеризуются источники света с непрерывным спектром излучения, которые излучают свет от нагретого тела.

Зимнее и летнее время

Человек стремится вставать с рассветом, чтобы максимально использовать световой день. Отсюда берет начало идея летнего и зимнего времени, по которому сейчас живут во многих странах мира. Совмещение времени бодрствования со светлыми часами суток позволяет экономить потребление электроэнергии: весной стрелки часов, идущих по поясному времени, переводят на час вперед, а осенью ставят опять по поясному времени.

На рис. 1.6 показано изменение светлого и темного времени суток в течение года для широты 50° (широта Киева). Границей между светлым и темным временем принято считать начало или конец так называемых гражданских сумерек, то есть времени, когда Солнце опустилось за горизонт на 6°. По вечерам к этому моменту на улицах города следует включать освещение. На графике указано солнечное истинное время.

Среднестатистический человек встает в 7 утра и ложится в 23 часа по местному времени. На графике время бодрствования такого человека отмечено двумя горизонтальными пунктирными линиями. Начиная с марта, он встает после рассвета. Переводя часы вперед, его заставляют вставать раньше (сплошные горизонтальные линии). Это оправдано тем, что он будет вставать в светлое время суток, и расходовать меньше электроэнергии на освещение.

Возвращение на зимнее время в октябре к экономии электроэнергии не приводит. Как оказалось, это делается исключительно для того, чтобы зимой люди не вставали много раньше восхода Солнца. Поэтому переход на зимнее время представляется не оправданным.

Рационально вернуться к декретному времени, отказаться от ежегодного перевода часов и жить при неизменном отсчете, который будет отличаться на один час вперед в сравнении с поясным временем. Такой ритм жизни, с биологической точки зрения, наиболее благоприятен для человека.

В прошлом любое пространство находилось в тотальной зависимости от естественного освещения. Было время, когда это вышло из моды и люди прятали интерьер своего дома за многослойными занавесами. Сегодня человечество вновь возвращается к максимально активному использованию природного освещения, ведь оно приносит комфорт и хорошее самочувствие.

К тому же - и это немаловажно! - эффективное использование естественного света снижает потребление электроэнергии на 50–80%. Мы расскажем о том, как «поймать» солнечный свет и сделать его своим союзником.

Естественный свет в комнатах

Циркадные ритмы человека, от которых напрямую зависит наше здоровье, регулируются различными качествами света: его цветом, направлением, количеством. Солнце и вращение Земли - главные дирижеры этого оркестра.

Известный римский архитектор I века Витрувий доказал, что светом можно даже лечить, и настаивал на важности определённой ориентации постройки по сторонам света.

К современным зданиям предъявляют следующие требования:

с начала весны до начала осени все жилые комнаты в доме должны получать прямые солнечные лучи минимум 2,5 часа в сутки;
60% комнат в доме должны быть хорошо освещены;
площадь окна должна составлять около 1/5 от площади помещения;
верх окна нельзя располагать ниже 1,9 м от пола (чем выше потолок, тем выше должно быть окно);
расстояние от окна до противоположной стены не должно превышать 6 м, а расстояние между окнами - полутора метров.

Решая, в какой части помещения располагать ту или иную комнату, обязательно учитывайте интенсивность освещения. Так, для детских, гостиных, рабочих кабинетов и других комнат, где мы проводим основное время бодрствования, предпочтительнее выбирать более освещённые помещения, с окнами, ориентированными на юг или восток.

При зонировании комнат уделяют внимание функциональности: рабочие поверхности, письменные и обеденные столы располагают в самых светлых зонах помещения, а вот места отдыха могут быть освещены слабее.

Стратегии естественного освещения

Естественное освещение бывает следующих видов:

боковое - проникает через стену по периметру здания, т. е. через обычные окна;
верхнее - проникает через окна в верхней части стен или крышу;
двусветное - его организуют за счёт расположенных друг над другом окон в больших и глубоких помещениях.

Выбрать ту или иную стратегию освещения можно лишь на стадии проектирования жилища. Однако и с готовым домом или квартирой можно поработать, чтобы уловить как можно больше солнечного света.

При нехватке света готовые оконные проемы можно увеличить, и даже прорезать дополнительные.
Улучшают освещённость специальные отражающие поверхности, которые направляют свет из окна на потолок, откуда он рассеивается по комнате.
Потолок, стены и пол должны обладать достаточными отражающими свойствами: для потолка коэффициент отражения составляет 80%, для стен - 50–70%, для пола - 20–40%.
Чтобы помещение казалось светлее, в нем стараются использовать светлые тона: это касается окраски стен, пола и потолков, предметов интерьера.
За счёт отражения солнечных лучей освещённости добавляют зеркала и гладкие лакированные поверхности.
Следите за тем, чтобы окна не заслоняли густые кусты и ветви деревьев.
Если хочется избавиться от прямых солнечных лучей, например, в рабочей зоне у окна, можно занавесить нижнюю его часть. Общее освещение на кухне при этом сохранится.

Не стоит сильно увлекаться в «ловле» естественного света, ведь комната может получиться пересвеченной, а глянцевый пол будет бить по глазам отражённым полуденным Солнцем. Важно выдержать равномерность.

Природный свет, цвет и светильники

Север: здесь всегда несколько приглушённый холодный свет, который можно удачно скорректировать за счёт соответствующих оттенков желтого, красного, оранжевого, коричневого, и, как ни странно, белого. Голубой и зелёный цвет в такой комнате заставят человека зябнуть.

Юг: здорово, тепло и солнечно! Вы можете смело экспериментировать с цветами, а в случае слишком яркого естественного освещения (юго-восточное окно) скорректировать его шторами соответствующей плотности.

Восток: светлое начало дня сменяется мрачным вечером. В таком интерьере уместна комбинация тёплых и холодных оттенков, помогающая выровнять неравномерное освещение. Радостное настроение создадут контрастные сочетания бирюзового и терракотового, сиреневого и золотого.

Запад: Вторая половина дня в такой комнате насыщена светом. Используйте спокойные, нейтральные тона, контрастные цвета. Северо-запад потребует теплых пастельных оттенков золотисто-желтого, юго-запад - серебристо-серого, зеленовато-голубого.

Искусственное освещение должно следовать за естественным и органично его дополнять. Очень удобны системы управления с датчиками освещённости и присутствия, позволяющие включать светильник лишь тогда, когда в нем возникает реальная необходимость.

Не следует забывать и о , цветопередаче ламп, чтобы в вечернее время ваш интерьер соответствовал своему предназначению и не терял тщательно созданной привлекательности.

Основным источником, определяющим естественную освещенность, является Солнце. Спектральный состав солнечного излучения на границе атмосферы принято аппроксимировать излучением черного тела с температурой К. Истинное распределение энергии в спектре солнечного излучения несколько отличается от распределения для черного тела с К: в области 0,4...0,75 мкм Солнце излучает больше энергии, чем черный излучатель при К, в ультрафиолетовой области – меньше, а в инфракрасной области отличия несущественны. Солнце как излучатель представляет собой шар и теоретически излучает расходящийся поток лучей, однако из-за большого удаления Солнца его излучение на земной поверхности практически представляет поток параллельных лучей. Энергетическая освещенность, которую создают солнечные лучи на перпендикулярной к ним плоскости вне земной атмосферы на среднем расстоянии от Земли до Солнца, характеризуется солнечной постоянной .

Освещенность естественных ландшафтов определяется высотой Солнца над горизонтом и влиянием атмосферы. Высота Солнца для района с геодезической широтой и долготой определяется по следующей расчетной формуле:

где – склонение Солнца на дату наблюдения; – разность долгот Солнца и наблюдателя (часовой угол).

Разность долгот (градус) связана с местным временем соотношением , где – время в часах и его долях.

На заданный момент московского времени величина определяется следующими равенствами для зимнего и летнего времени соответственно:

где – уравнение времени (поправка по времени) в долях часа.

Склонение Солнца задается таблично, но с достаточной для моделирования точностью может быть определено аналитически: , где – время в сутках от дневного равноденствия (22 марта) до даты съемки. Значения определяются по номограмме или по таблицам.

Для моделирования реалистичных изображений при естественном освещении необходимо определить также азимут Солнца , для вычисления которого используются , и :

В процедурах синтеза изображений целесообразно использовать единичный вектор , указывающий направление на Солнце. Если использовать правую топоцентрическую систему координат, в которой ось направлена на север, а ось перпендикулярна поверхности Земли и направлена в зенит, то составляющие вектора по осям будут определяться следующими соотношениями:

(1.3.4)

Отметим, что для характеристик положения Солнца наряду с высотой используется зенитное расстояние .

Воздействие атмосферы проявляется в ослаблении прямого солнечною излучения и его рассеивании. В соответствии с этим освещенность земной поверхности определяется двумя световыми потоками: ослабленной прямой радиацией и рассеянной радиацией солнечного излучения , идущей к Земле.

Существенная нестабильность свойств атмосферы, значительное число факторов, обусловливающих ее изменчивость, не позволяют давать точный прогноз освещенности. Обычно используются приближенные модели с ограниченным числом параметров, характеризующих оптические свойства атмосферы. Для расчетов широко используется модель средней стандартной атмосферы. Спектральная освещенность, создаваемая Солнцем у поверхности Земли на площадке, перпендикулярной солнечным лучам, при безоблачном небе и стандартной атмосфере определяется формулой

, (1.3.5)

где - спектральная освещенность, создаваемая солнечным излучением на границе атмосферы; – оптическая толща атмосферы.

Обобщенным параметром практически можно пользоваться в диапазоне , в пределах которого ослабление прямой солнечной радиации обусловлено в основном молекулярным и аэрозольным рассеиванием (рис. 1.3.1).

Рис. 1.3.1. Ослабление прямой солнечной радиации в атмосфере:

1 – солнечное излучение на границе атмосферы; 2 – солнечное излучение у земной поверхности; 3 – аэрозольное рассеивание; 4 – поглощение в атмосфере

Для этого диапазона зависимость от длины волны для стандартной атмосферы описывается эмпирической формулой

где – оптическая толща атмосферы при нм. При вычислениях по (1.3.6) значения подставляются в нанометрах.

При расчетах обычно используется несколько типовых значений . Для среднезамутненной атмосферы составляет 0,3. Слабой замутненности атмосферы соответствует , повышенной замутненности , высокой .

Освещенность, создаваемая прямым излучением Солнца, на произвольно ориентированной площадке определяется углом между единичным вектором направления на солнце и единичным вектором нормали к площадке :

, (1.3.7)

где – скалярное произведение векторов и .

В программе синтеза изображений обязательно должно учитываться условие неотрицательности освещенности

При невыполнении условий (1.3.8) данная сторона площадки не освещена: . Единичный вектор нормали к площадке должен быть направлен от поверхности, освещенность которой вычисляется. Это означает, что принципиально площадка характеризуется двумя единичными векторами нормали и , определяющими две ее стороны. Очевидно, что .

Отметим, что из общей формулы для определения освещенности (1.2.23) непосредственно следует приводимая в литературе формула для освещенности земной поверхности. Для горизонтальной земной поверхности и, следовательно, .

Освещенность, создаваемая рассеянной радиацией, определяется яркостью неба. Важность учета рассеянной радиации обусловлена тем, что она определяет освещенность участков сцены, находящихся в тени.

Яркость произвольной точки небосвода представляет собой функцию четырех основных параметров : высоты Солнца , пропускания атмосферы , зенитного расстояния точки небосвода и угла между направлением на Солнце и в заданную точку небосвода.

Расчет освещенности произвольно ориентированной площадки с учетом истинного распределения яркости небосвода требует выполнения численного интегрирования с использованием таблично заданных функций. Это весьма серьезно усложняет процедуру вычисления освещенности точек картинной плоскости. Процедуру вычислений можно существенно упростить, если яркость всех точек небосвода принять одинаковой и равной некоторой усредненной величине. Среднюю яркость небосвода можно аппроксимировать зависимостью вида

Величина сравнительно слабо зависит от и . В ряде случаев ее полагают постоянной. Более точное приближение можно получить, если полагать . При этом различия в результатах, полученных на основе более точных моделей и изложенной выше, невелики. Максимальные различия достигают 20 % лишь при значительной высоте Солнца ().

Для определения освещенности от небосвода произвольно ориентированной площадки рассмотрим общую схему определения освещенности, создаваемой протяженным источником (рис. 1.3.2).

Рис. 1.3.2. Определение освещенности произвольно ориентированной площадки небосводом

В соответствии с (1.2.16) освещенность от небосвода площадки определяется следующим образом: , где – проекция на освещаемую плоскость , в которой лежит площадка , видимой части небесной сферы. до . За пределами этого диапазона значения практически являются нулевыми.

Хотя переход от энергетической системы к светотехнической не вызывает принципиальных затруднений, однако для систем видимого диапазона удобнее пользоваться расчетными формулами, выражающими освещенность непосредственно в светотехнической системе. Для таких расчетов может быть использовано соотношение, базирующееся на известном в , но дополненное учетом наклона освещаемой площадки:

где – освещенность плоскости, перпендикулярной к лучам Солнца на границе атмосферы в светотехнической системе единиц; – коэффициенты, характеризующие прозрачность и рассеивание в атмосфере.

Для средних параметров стандартной атмосферы ; . В соответствии с (1.2.29) максимальная освещенность горизонтальной площадки на земной поверхности для стандартных условий составляет 106000 лк (при ).

На величину естественной освещенности большое влияние оказывает характер облачности. Наличие облачности вызывает значительное увеличение рассеянного излучения. При разорванной облачности освещенность "на Солнце" оказывается на 10...30 % выше, чем при безоблачной погоде, а освещенность в тени может возрастать до двукратной величины. Это обстоятельство является причиной значительного разброса в экспериментальных данных по освещенности в тени и оправдывает применение в машинной графике относительно простых моделей расчета освещенности, использование поправочных коэффициентов, увеличивающих значение освещенности в тени по сравнению с расчетными при углах Солнца .

В последнее время все большие приходится задумываться об экономии энергоносителей. Цены на свет и газ постоянно растут, приходится думать об использовании бесплатных источников энергии. Владельцам частных домов и дач неплохо поможет сэкономить уличное освещение на солнечных батареях.

Плюсы и минусы

Сада, придомовой территории требует больших затрат — требуется не только установить светильники, но и проложить кабель. Более надежна , а это большой объем земельных работ, плюс солидные затраты на кабель, так как он должен быть в защитной оболочке, а лучше — в броне. Но это не все — в процессе эксплуатации приходится оплачивать солидные счета за электроэнергию — освещение работает ежесуточно, по 6-8 часов. Частично решить проблему может уличное освещение на солнечных батареях.

Достоинства

Почему частично? Потому что наиболее «ответственные» зоны (ворота, парковка, входные двери) придется освещать стационарно — так надежнее. Зато на остальной площади можно поставить светильники на солнечных батареях. Они имеют целый ряд преимуществ.

Недостатки

Как видите, плюсов немало, главный из которых — экономия электроэнергии и очень простой монтаж/демонтаж. Но и минусы есть:

Как видите, вариант не идеальный, но действительно помогает экономить на электричестве, ведь штатное освещение ответственных зон — это далеко не половина расходов на общее освещение двора и сада.

Уличные светильники на солнечных батареях могут иметь различную форму, внешний вид, способ установки, но все они состоят из определенного набора элементов:

Как вы поняли, принцип работы такой: в светлое время суток солнечные лучи улавливаются солнечной панелью, где превращаются в электрическую энергию и передается а аккумулятор. При наступлении сумерек (освещенность 20 Лк) контроллер включает подачу электроэнергии, светодиодная лампа загорается. Утром на рассвете (при освещенности 10 Лк) освещение отключается.

Выбор светильников для уличного освещения на солнечных батареях

В торговой сети есть светодиодные уличные светильники с очень большим разбросом цен — от ста рублей до десятков тысяч. Порой есть модели, которые выглядят почти одинаково, но очень отличаются по цене. Как это понимать и как выбрать осветительные приборы для уличного освещения на солнечных батареях? Все просто — надо смотреть технические характеристики. Именно в них вся разница.

Мощность

При устройстве освещения необходимо учитывать, сколько света может давать светильник. От этого зависит количество светильников и расстояние, на котором их необходимо устанавливать друг от друга. В технических характеристиках обычно указывается мощность в ваттах, а в случае со светодиодными светильниками она мало о чем говорит.

Чтобы понять уровень освещенности, можно сравнить с аналогом обычной лампы накаливания — их мощность нам более-менее понятна, а также можно перевести этот показатель в Люмы (Лм) — единицы измерения освещенности. Так реально можно оценить насколько эффективной будет именно этот светильник.

Как понимаете, модели с мощностью 1 Вт дают не так уж и много света — примерно как 20 Вт лампа накаливания, потому использовать их можно только для подсветки или маркировки участка — обозначения дорожек, подсветки беседок и т.д.

Класс защиты и материал корпуса

Чтобы уличное освещение на солнечных батареях работало долго и надежно, необходимо чтобы корпус и световой блок (плафон) имели защиту от попадания пыли и влаги. Желательно чтобы класс защиты был не ниже IP44 (больше цифры — это хорошо, меньше — плохо).

Также стоит обратить внимание на материал из которого изготовлены светильники. Обычно это специальный ударопрочный пластик или металл. Если «металл» — отличный от нержавеющей стали или алюминия, предпочтение лучше отдать пластикам. Они точно не ржавеют и длительное время сохраняют хороший внешний вид.

Вид и способ монтажа

По способу монтажа светодиодные уличные светильники делят на несколько групп:

Установка в грунт. Это группа светильников на ножках разной высоты — от 20-30 см до метра и выше. Их установка чрезвычайно проста — они просто втыкаются в грунт в нужном месте.
Самая обширная группа — светильники просто втыкаются в грунт
Светильники-столбы. Как правило, это более высокие модели с высотой ножки от 1,5 метров и выше. Они тоже могут устанавливаться грунт, но требуют уже более серьезных мер по установке — имеют большую высоту и вес. Придется делать лунку, вставлять в нее столб, засыпать грунтом и уплотнять его. Есть модели для установки на твердое покрытие — плитки, асфальта и т.д.
Настенные светильники на солнечных батареях. Есть в разных стилях — от классического «фонарного» дизайна, до моделей в современном стиле. Монтироваться могут на стену, забор, заборные столбы.
Подвесные. Вариантов тоже немало — есть модели, которые можно крепить к потолку, балке и т.п., а есть которые можно развесить на ветках.
Встраиваемые в грунт, дорожки, лестницы. Очень практичные модели, которые позволяют осветить даже лестницы, причем подсвечивают не сверху, как обычно, а на уровне ступеней. Интересное и практичное решение — при таком варианте свет не слепит глаза, а освещенность остается хорошей.
Подсветка лестниц — удобно, экономно и красиво
Декоративные. Выполнены в виде различных фигурок. В дневное время они выглядят как обычный декор, в ночное дополнительно еще излучают свет. Монтажа в данном случае нет — просто ставят светильник в предназначенное для него место.

Выбор уличных светильников на солнечных батареях для уличного освещения действительно велик. По стилю, размерам, цене ассортимент большой, так что можно выбрать.

Автономное уличное освещение на солнечных батареях

При массе плюсов уличное освещение при помощи отдельных светильников на солнечных батареях имеет существенный недостаток: запас энергии в аккумуляторах мизерный. После пасмурного дня его хватает всего на несколько часов. В ясный солнечный день «лишняя» энергия пропадает, так как емкость аккумулятора ограничена и он не в состоянии принять больше. Проблему можно решить, если поставить мощную солнечную батарею, подключить к ней аккумулятор и светильники. В этом случае использовать можно любые светодиодные светильники, которые могут работать от 12 В.

Плюс такого решения — имеется некоторый запас энергии (зависит от емкости аккумулятора), что гарантирует работу даже после пасмурного дня. Недостатки — высокая цена и необходимость прокладки кабелей, так как все требуется объединить в единую систему.