Закономерности изменения солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность при безоблачном небе

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ, ПОСТУПАЮЩЕЙ НА ГОРИЗОНТАЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ПРИ БЕЗОБЛАЧНОМ НЕБЕ

М.И. Пак, Т.М. Ем

Алматинский университет энергетики и связи, г. Алматы

Аннотация

На основе анализа нормативных данных плотности прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при безоблачном небе в июле в зависимости от широты местности и часового угла азимутального перемещения Солнца показано, что плотность прямого солнечного излучения при безоблачном небе на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам, есть величина постоянная и равная 831,9 Вт/м² независимо от широты местности. Среднее квадратичное отклонение этой величины составляет ± 11,8 Вт/м² (1,4%). Найдены простые соотношения определения прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при безоблачном небе в зависимости от широты местности. солнце радиация азимутальный плотность

Ключевые слова: плотность прямой и рассеянной солнечной радиации при безоблачном небе, широта местности, склонение и часовое перемещение Солнца по небосводу.

А?датпа

Б?ЛТСЫЗ АСПАН КЕЗІНДЕ К?ЛДЕНЕ? БЕТКЕ Т?СЕТІН,

К?Н РАДИАЦИЯСЫНЫ? ?ЗГЕРІС ЗА?ДЫЛЫ?ТАРЫ

М. И. Пак, Т. М. Ем

Алматы энергетика ж?не байланыс университитеті, Алматы ?.

К?н с?улесіне перпендикуляр ты?ызды??а б?лтсыз аспан кезінде тура к?н с?улесі ты?ызды?ыны? шамасы айма? ендігінен т?уелді емес, т?ра?ты ж?не 831,9 Вт/м² те?дігі, к?нні? азимут б?рышы бойынша орын ауыстыруыны? са?атты? ж?не айма? ендігінен т?уелділіктегі, шілде айыны? б?лтсыз аспан кезінде к?лдене? бетке тура ж?не сейілтілген к?н радиациясы ты?ызды?ыны? нормативтік м?ліметтерін талдау негізінде к?рсетілген. Б?л шаманы? орташа квадратты? ауыт?уы ± 11,8 Вт/м²(1,4%) ??райды. Айма? ендігінен т?уелділіктегі, б?лтсыз аспан кезінде к?лдене? бетке тура ж?не сейілтілген к?н радиациясын аны?тауды? ?арапайым ?атынасы аны?талды.

Тірек с?здер: б?лтсыз аспан кезіндегі тура ж?не сейілтілген к?н радиациясыны? ты?ызды?ы, айма? ендігі, К?нні? аспан бойымен са?атты? орын ауыстыруы ж?не б?рылуы.

Abstract

VARIATION REGULARITIES OF SOLAR RADIATION INCOMING ON THE HORIZONTAL GROUND SURFACE IN CONDITIONS OF CLEAR SKY

M. I. Pak, T. M. Em

Almaty University of Power Engineering and Telecommunications, Almaty

According to the analysis of normative data of direct and diffuse solar radiation density incoming on the ground surface in July in conditions of clear sky and with latitude and Sun azimuth travel's hour angle dependence it was shown that in conditions of clear sky the direct solar radiation density incoming on the ground surface, which is transversely to san rays, is constant and equal 831.9 W/m² independent from the latitude. The mean square deviation of this value is equal ± 11.8 W/m² (1.4%). Simple correlations were found that are to determine the direct and diffuse solar radiation density incoming on the ground surface in conditions of clear sky depending on the latitude.

Key words: direct and diffuse solar radiation density in conditions of clear sky, latitude, Sun's declination and hour movement on the firmament.

Солнечные коллекторы являются основной частью солнечных энергетических установок, так как в них происходит превращение солнечной энергии в тепловую или в электрическую энергию и основные энергопотери. Эффективность солнечного коллектора будет определяться плотностью располагаемого количества суммарной (прямой и рассеяной) солнечной радиации, поступающей на поверхность коллектора, уменьшением энергопотерь, снижением стоимости изготовления и эксплуатационных расходов.

Плотность прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит от угла географической широты местности ц, часового угла азимутального перемещения Солнца щ и угла склонения Солнца д [1]. Склонение Солнца изменяется непрерывно в течение года от -23,45⁰ (-23⁰27^' ) в день зимнего солнцестояния 22 декабря до 23,45⁰ (23⁰27^' ) в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни равноденствия 21 марта и 23 сентября. Часовой (азимутальный) угол щ равен 0 в солнечный полдень, а 1 час соответсвует азимутальному перемещению Солнца на 15⁰.

Склонение Солнца в данный день определяется по формуле

, (1)

где n- порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января. В качестве n обычно берется номер среднего расчетного дня месяца для 1-12 месяцев года [1].

Таблица 1

Величины плотности солнечной радиации (прямой и рассеянной), поступающей в июле на горизонтальную поверхность при безоблачном небе, приведены в нормативных материалах [2,3]. Данные, приведенные в [2] при ц=36⁰ в солнечный полдень (11-12 ч.) превышают величины, приведенные в [3] при ц=38⁰, на 5,86% по прямому излучению. Поэтому следует признать,что данные, приведенные в [2], являются завышенными.

В работе [4] показано, что существует оптимальный угол наклона плоского коллектора к горизонту в_опт, равный алгебраической разности широты местности ц и угла склонения Солнца д

в_опт= ц- д. (2)

Оптимальный угол здесь определен как угол, при котором в солнечный полдень прямое солнечное излучение будет падать перпендикулярно к плоскости коллектора в любое время года. Например, для широты местности ц=43,4⁰ (г.Алматы) оптимальные углы наклона коллектора к горизонту составят:

Таблица 2

Среднегодовой оптимальный угол наклона плоского коллектора к горизонту равен широте местности ц=43,4⁰, оптимальный угол будет непрерывно изменяться от 66,4⁰ в декабре до 20,3⁰ в июне для среднего дня месяца. В течение месяца в связи с изменеием склонения Солнца будет непрерывно изменяться оптимальный угол наклона коллектора к горизонту, например, для июля склонение Солнца составят 23,12⁰ для 1 июля, 21,18⁰ для 17 июля и 18,17⁰ для 31 июля и оптимальный угол наклона коллектора к горизонту для ц=43,4⁰ составят: 20,28⁰, 22,22⁰ и 25,23⁰, изменение оптимального угла за час составит 4,95⁰.

Вероятно, плотность прямой солнечной радиации, падающей перпендикулярно к поверхности на уровне моря можно рассматривать как солнечную постоянную J_n⁰. В этом случае изменение плотности солнечной радиации в солнечный полдень с изменением широты местности ц и склонения Солнца д будет описываться соотношением

J_n (ц­д) = Jcos(ц­д). (3)

Для определения J используем данные по плотности прямой солнечной радиации в солнечный полдень при безоблачном небе в июле, приведенные в [3]. Эти данные нужно рассматривать как средние значения плотности солнечной радиации в течении одного часа в интервале приведенных часов суток до полудня: 5-6,6-7,7-8,8-9,9-10,10-11,11-12 и поэтому они соответствуют среднему азимутальному углу щ в данном интервале часов: 97,5⁰, 82,5⁰, 67,5⁰, 52,5⁰, 37,5⁰, 22,5^0, 7,5⁰. Значения плотности солнечной радиации в солнечный полдень (12ч.) найдутся по соотношению

, (4)

где склонение Солнца д=21,18 определено по порядковому номеру дня n=198 (17 июля).

В таблице 1 приведенные значения, рассчитанные по соотношению (4) по данным [3].

Среднеарифметическая величина равна =831,91Вт/м² при среднем квадратичном отклонении, равном у=±11,8Вт/м², что составляет 1,4% относительного квадратичного отклонения. Данные, приведенные в [2], не использованы в связи с тем, что в среднем они отличаются от даных в [3] на 5,9% и не имеют максимума вблизи ц­д=0 (в_опm=0).

В таблице 1 также приведены данные плотности прямой солнечной радиации в интервале часов (11-12) (11-12), рассчитанные по соотношению (4) по определенной плотности прямой солнечной =831,91Вт/м². Как видно из приведенных данных, в пределах среднего квадратичного отклонения определения хорошо совпадают с данными приведенными в [3]. В среднем отклонение расчитанных данных от данных приведенных в [2], составляет 57,06 Вт/м², а от данных, приведенных в [3] составляют ±8 Вт/м².

Анализ данных плотности рассеяного излучения в солнечный полдень, приведенный в [2,3], показывает, что они согласуются друг с другом, при этом в пределах ц от 0⁰до 58⁰ включительно доля рассеяного излучения от прямого излучения составляет 17,7%, а в пределах ц от 60⁰до 68⁰ - 14,8%. Физическая сущность такого явления трудно объяснима, если предположить, что рассеянное излучение на поверхности Земли является диффузным. В таблице 1 приведены рассчитанные плотности рассеянного излучения , а также значения плотности рассеянного излучения, приведенные в [2,3] J_p [2,3]. В качестве плотности прямого излучения приняты значения рассчитанной плотности излучения (11-12).

Таблица 3 - Солнечная радиация (прямая J_n, рассеянная J_p), поступающая при безоблачном небе в расчетный день в июле при безоблачном небе, Вт/м²

В солнечный полдень 17 июля на широте местности ц=21,2⁰ будет наблюдаться максимальная плотность солнечной радиации на горизонтальную поверхность, поскольку горизонтальная поверхность будет совпадать с плоскостью оптимального угла наклона коллектора к горизонту (ц­д=0).

Используя данные, приведенные в [3] при ц=38⁰ и при ц=50⁰, а также данные приведенные в [2] при ц=20⁰ расчитаны значения плотности прямого солнечного излучения в зависимости от часового (азимутального) перемещения Солнца. При расчетах принято, что часовому интервалу (11-12) соответствует часовой угол 7,5⁰ и т.д. Значение J_{n o} определены по соотношению

 (5)

Результаты расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 4 - Зависимость прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при безоблачном небе в июле от часового угла щ, Вт/м²

Как видно из приведенных данных с максимальным относительным отклонением, не превышающейим 2,6%, часовое изменение плотности прямой солнечной радиации при ц=20,0⁰ подчиняется закону косинуса в пределах изменения 0?10?67,5

J_nщ=J_no?cos щ (6)

где J_no - плотность прямой солнечной радиации при щ=0.

С увеличением широты местности ц интервал часового угла щ, где выполняется соотношение (6), уменьшается. Часовому углу 90⁰ соответствует 6 часов до полудня, а интервалу часов до полудня (5-6) соответствует часовой угол 97,5⁰. Поэтому трудно объяснить данные, приведенные в [2,3], где плотность прямого излучения в этом интервале часов не равна нулю.

При автоматическом поддержании оптимального угла наклона коллектора к горизонту ц­д=0 и при автоматическом слежении за азимутальным перемещением Солнца щ=0 следует ожидать, что плотности прямого и рассеянного излучения при безоблачном небе в пределах светового дня останутся постоянными и равными =831,9Вт/м², J_p=147,2Вт/м² в пределах изменения широты местности 0⁰?ц?58⁰. При ц>58⁰ можно предположить, что J_p=123Вт/м². При этом условная сумма прямого и рассеянного излучения от 6ч до 18ч составит 9983+1476=11459Вт/м², отсюда, например, величина суммарной солнечной радиации в июле на широте ц=44⁰ увеличится на 47%, а на широте ц=58⁰ - 58%. Это позволяет эффективно использовать солнечную энергию до широты 68⁰, кроме районов с высоким средним коэффициентом облачности. При этом следует иметь в виду, что поясное время 12ч не всегда будет совпадать с солнечным полднем щ=0.

Коэффициент облачности можно определить, например, по [2] по суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности, которые приведены для характерных регионов бывшего СССР ([3] Приложение 5).

Заключение

1. Показано, что плотность прямой солнечной радиации, падающая на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам при безоблачном небе, есть величина постоянная и равна J=831,91Вт/м² и она не зависит от широты местности ц.

2. Изменение плотности прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при безоблачном небе в июле в интервале часов (11-12) хорошо описывается соотношением (4).

3. Плотность рассеянной солнечной радиации в солнечный полдень на горизонтальную поверхность при безоблачном небе в июле составляет 0,177 плотности прямого излучения до широты местности ц?58⁰ и 0,148 плотности прямого излучения для регионов ц>58⁰.

Литература

1. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: «Энергоатомиздат», 1991. - 208 с.

2. Строительная климатология (Справочное пособие к СНИП). М.: «Стройиздат», 1990. - 85 с.

3. СНИП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика. М.: «Минстрой РФ», 1997. - 140 с.

4. Ем Т.М., Мартынов И.В., Пак М.И. Оптимальный угол наклона солнечных коллекторов с южной ориентацией. // Вестник Алматинского университета энергетики и связи. 2012. №4. - C.4-8.

5. Harchenko N.V. Individual Solar installation. - Moscow.: «Energo atomisdat», 1991.- 208 р. (in Russ.)

6. Building climatology (SNiP handbook). Moscow.: «Stroyizdat», 1990. - 85 p. (in Russ.)

7. SNiP 2.01.01-82 Building climatology and geophysics. Moscow.: «Minstroy RF», 1997. - 140 p. (in Russ.)

8. Еm Т.М., Martyinov I.V., Pak M.I. Optimal declivity angle of solar collectors with south orientation.// Sci-tech Journal «Newsletter of Almaty University of Power Engineering and Telecommunications». 2012. №4.P.4-8. (in Russ.)

Размещено на Allbest.ru