Расчёт потока суммарной радиации на наклонную плоскость солнечных приёмников в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2015, том 58, №12_

ФИЗИКА

УДК 551.521.3, 551.583

Б.И.Назаров, М.А.Салиев*, А.Н.Махмудов, С.Ф.Абдуллаев

РАСЧЁТ ПОТОКА СУММАРНОЙ РАДИАЦИИ НА НАКЛОННУЮ ПЛОСКОСТЬ СОЛНЕЧНЫХ ПРИЁМНИКОВ В УСЛОВИЯХ АЭРОЗОЛЬНОГО

ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан, Центр инновационного развития науки и новых технологий АН Республики Таджикистан

Используя экспериментальные данные радиационных характеристик атмосферы, полученные с помощью автоматизированного измерительного комплекса, была рассчитана суммарная солнечная радиация на наклонную поверхность коллекторов и панелей.

Ключевые слова: солнечная радиация, солнечные коллекторы, солнечные панели, радиационные характеристики атмосферы.

В последнее время всё больше возрастает интерес к использованию солнечной энергии, что является весьма перспективным направлением энергетики. Таджикистан по своим природно-климатическим условиям представляет собой наиболее подходящий регион для широкого применения солнечной энергии. Продолжительность солнечного сияния составляет от 280 до 330 дней в году, а плотность солнечного излучения доходит до 1 кВт/м2 и более. Дни «без Солнца» в Таджикистане наблюдаются редко: 34-50 дней в долинно-предгорных районах и 10-12 - в высокогорьях, и лишь на леднике Федченко их количество составляет примерно 80 дней, из них в зимнее время - 6-12 дней. В среднем за последнее десятилетие с июня по сентябрь наблюдается всего 1-5 дней «без Солнца». Интенсивность солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе в полуденные часы на равнинной части территории составляет 0.33-0.81 кВт/м2, в горных районах - 0.46-1.02 кВт/м2, наличие облачности уменьшает приходящую солнечную радиацию и радиационный баланс. В целом за год облачность снижает поступление прямой радиации на 32-35% от потенциально возможной для равнинной части и на 50% - для горной части. Суммарная радиация определяется общим приходом прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность. Интенсивность суммарной радиации на всей территории республики достигает максимального значения в июле. Интенсивность суммарной радиации изменяется для предгорных районов от 280 до 925 мДж/м2. В высокогорных районах она колеблется от 360 до 1120 мДж/м2.

Территория юга и центральной части Таджикистана с мая до ноября подвергается аэрозольному загрязнению в виде пылевой мглы. Исследование влияния пылевой мглы на эффективность солнечных водонагревателей и солнечных панелей в условиях данного региона является актуальной проблемой. Целью настоящей работы явился расчёт суммарного потока солнечной радиации на на-

Адрес для корреспонденции: Абдуллаев Сабур Фузайлович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/1, Физико-технический институт АНРТ. E-mail: sabur.f.abdullaev@gmail.com

клонную поверхность коллекторов и панелей на основе точных измерений радиационных параметров с помощью автоматизированного измерительного комплекса в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы.

Для решения задач, связанных с долговременным непрерывным мониторингом радиационных свойств атмосферы и накоплением наборов данных измерений солнечной радиации в широком спектральном диапазоне, в г.Душанбе был создан многофункциональный радиометрический измерительный комплекс [1]. Комплекс расположен на территории ФТИ им. С.У.Умарова АН РТ.

Автоматизированный многофункциональный измерительный комплекс создан на базе электронно-механических элементов и датчиков излучения, серийно выпускаемых компанией Юрр&2опеп (Нидерланды) и Cimel (Франция). Данный комплекс позволяет проводить непрерывные измерения солнечной радиации в широком спектральном диапазоне: от ультрафиолетовой до инфракрасной границы спектра в отдельных спектральных поддиапазонах. Выбранные поддиапазоны соответствуют спектральным характеристикам датчиков излучения (табл.1).

Таблица 1

Датчики излучения, используемые в измерительном комплексе

Тип датчика Измеряемые компоненты Тип радиации Спектральный диапазон

CH-1 прямая Солнечная радиация 200-4000нм

CE-180 рассеянная Солнечная радиация 300-3000нм

CE-180.2A Глобальная, отраженная, альбедо Солнечная радиация 300-3000нм

Комплекс позволяет проводить непрерывные измерения рассеянной, отражённой, прямой и глобальной солнечной радиации (регистрируемая радиация из верхней полусферы земли). Измерения рассеянной и прямой компонент солнечной радиации проводятся с использованием датчиков CE-180 и CH-1, которые расположены на подвижной платформе автоматической системы 2AP BD слежения за солнцем. Остальные датчики расположены на стационарной платформе и используются для измерения глобальной и отражённой компоненты солнечного излучения. Характеристики пиранометра СЕ 180: спектральный диапазон 300-2800 нм (на уровне 50%); чувствительность 12 микровольт/Вт/м2 (±20%); точность и нелинейность < ±1% (0-2000 Вт/м2). Альбедо поверхности рассчитывается как отношение отраженной радиации к глобальной радиации. Сбор данных, их предварительная обработка и накопление производятся устройством записи и выдачи данных CR1000 (Фирма Campbell Scientific ШС,США) 8 дифференциальными регулируемыми входными каналами и с объёмом встроенной энергонезависимой памяти - 128 Кб. Аналоговый вход каждого канала регулируется по уровню входного сигнала, определяющего в конечном счёте разрешение сигнала в диапазоне от 0.33 до 333 мкВ. Устройство CR1000 установлено на стационарной платформе и соединено с каждым датчиком радиации. Спектральный диапазон чувствительности кремниевых солнечных элементов составляет 0.4-1.1 мкм, в котором заключено ~94% энергии из солнечного спектрального диапазона 0.3-3.0 мкм. Поэтому используются данные от датчиков CH-1 для прямой и CE-180 для рассеянной, отражённой и глобальной радиации.

Для солнечных электрических панелей или коллекторов важно знать оптимальный угол наклона к плоскости горизонта для получения максимального количества энергии, для чего вычислены

месячные суммы солнечной радиации, падающей на плоскость под углом наклона к горизонту от 10о до 90о с шагом в 10о и направленной на юг.

Солнечная радиация, падающая на произвольно ориентированную поверхность, складывается из прямой радиации от Солнца, диффузной от неба и отраженной от поверхности земли. В свою очередь диффузная радиация от неба состоит из ореольной диффузной радиации, то есть радиации из зоны неба, находящейся непосредственно вокруг диска Солнца и фоновой диффузной радиации, которую считают равномерно распределенной по всему полусферическому небосводу.

Таким образом, полная радиация на наклонную плоскость определяется следующим образом

[2-3]

S = 8с+0+Яфон+Котр ,

где

Sc=So'- cos i,

Sc - прямая радиация, i - угол между нормалью и поверхности солнечной панели и направлением на Солнце, So' - измеренная прямая солнечная радиация на перпендикулярную плоскость,

D=0.07 Sc ,

D - ореольная радиация или измеренная диффузная радиация на горизонтальную поверхность,

R^n=0.5(1+cosa) (D-0.07R) , ^фон - фоновая радиация, падающая на наклонную поверхности

Rotp^.S • A • Q • (1-cosa),

где Лотр - радиация отраженная от земли, Q - измеренная глобальная радиация на горизонтальную поверхность, A - альбедо.

Обозначая через Sm интенсивность солнечной радиации у земной поверхности на перпендикулярную лучам поверхность при атмосферной массе m, напишем следующее выражение для интенсивности солнечной радиации на поверхность склона Sc [2 ]:

Sc =Sm- cos i ,

где i - угол падения солнечных лучей на поверхность склона (рис.1). Можно показать, что cos i выражается таким образом:

tos i = cos a • sin h + sin a- cos h cos

Здесь a - угол наклона склона, h - высота солнца, ц/= у0- iyn , где , iyn - азимуты Солнца и проекции нормали к склону на горизонтальную плоскость, отсчитываемую от плоскости меридиана.

Рис.1. К выводу формулы для прихода солнечной радиации к склону[2].

Высота и азимуты Солнца определяются следующими известными соотношениями:

sin h = sin p sin5 + cos pcos 5 cos Q,

cos щ0=

sin щ0 = cos 5 sin Q /cos h,

где: p- широта; 5- склонение Солнца; Q - часовой угол Солнца в данный момент времени, отсчитываемый от момента истинного полудня.

Принимая во внимание соотношения (2-6), получим теперь вместо (2):

Sc = Sm [cos a- (sinp sin 5 + cosp cos 5 cos Q ) +

+sin a{cos ^n[tgp

Эта формула выражает в общем виде зависимость интенсивности солнечной радиации к склону от ориентации последнего, определяемой углами a и щ для любой широты p и в различные моменты времени дня (часовой угол Q) или года (склонение Солнца 5).

Рассмотрим теперь некоторые предельные соотношения, вытекающие из формулы (7). Горизонтальная поверхность. В этом случае a=0 и вместо (7) получаем:

S = Sm-

Вертикальная поверхность. Полагая о=л/2, находим

S„= Sm cos h • cos( щ0- щ) .

В случае если вертикальная поверхность обращена к югу ( щ =0), то будем иметь

= Sm • cos h • cos щ0.

Для вертикальной поверхности, обращенной к востоку или западу (уп=л/2) ,

Sв,В(З) = Sm • cos h • sin щ.

Тогда получим

Sc = Sj. • cos a + ^в Ю • cos iyn + S^B(3) • sin ^n] • sin a. В нашем случае вертикальная поверхность всегда обращена к югу (yn =0), поэтому будем

иметь

Sc = Sm- sinh • cos a+ Sm sina^ (sin h • sin p- sin £)/(cosp),

Используя

Рис.2. Интенсивность солнечной радиации (кВт*ч/м ) для разных углов наклона плоскости солнечных панелей

относительно горизонта в г.Душанбе (период 2011-2013гг.).

Зависимость месячных сумм интенсивности солнечной радиации (кВт*ч/м2) от угла наклона поверхности солнечной панели (период 2011-2013 гг.) свидетельствует о их высоких значениях вблизи угла наклона широты г. Душанбе (рис.3).

Рис.3. Зависимости месячных сумм интенсивности солнечной радиации (кВт*ч/м ) от угла наклона поверхности солнечной панели в г.Душанбе (период 2011-2013гг.).

Среднемесячные суммы за 4 года (2011-2013 гг.) представлены в табл. 2. Все суммы падающей интенсивности солнечной радиации выражены в кВтч/м2, что более удобно для энергетиков-практиков. В трёх последних строках даны суммы за год (1-Х11), в тёплую половину года - с апреля по сентябрь (ГУ-1Х) и в холодный период с октября по март (Х-Ш). Значения суммарного количества радиации за год, за летнее и зимнее полугодия и в разных сезонах при разных углах наклона солнечной панели в г.Душанбе (период 2011-2013 гг.) представлены на рис.4.

Таблица 2

Среднемесячные суммы солнечной радиации (кВт*ч/м2),

падающей на наклонные плоскости солнечных панелей

Месяцы/Наклон 0 10 20 30 38.55

Г 37.76 43.90 49.43 54.18 57.52

ГГ 45.45 51.44 56.63 60.85 63.61

ГГГ 84.95 92.89 99.20 103.67 105.94

IV 128.36 135.95 141.02 143.42 143.30

V 167.59 173.82 176.71 176.16 172.99

VI 184.29 189.30 190.67 188.35 183.48

VII 186.06 191.89 194.04 192.47 188.19

VIII 176.35 185.14 190.48 192.23 190.83

IX 125.01 134.78 142.18 146.98 148.92

X 77.38 86.34 93.84 99.64 103.12

XI 31.16 36.39 41.03 44.93 47.59

XII 25.89 30.71 35.12 38.97 41.74

год 1270.27 1352.73 1410.69 1442.38 1447.91

X-Ш 302.60 341.68 375.24 402.24 419.52

ГУ-К 967.67 1010.87 1035.10 1039.61 1027.72

Месяцы/Наклон 40 50 60 70 80

I 58.02 60.81 62.49 62.99 62.31

II 63.99 65.94 66.65 66.10 64.29

III 106.18 106.64 105.05 101.45 95.95

IV 143.08 139.99 134.26 126.07 115.65

V 172.21 164.97 154.65 141.58 126.14

VI 182.40 173.02 160.49 145.18 127.57

VII 187.20 178.42 166.37 151.43 134.05

VIII 190.33 184.84 175.92 163.85 148.99

IX 149.05 148.31 144.80 138.62 129.95

X 103.57 105.51 105.41 103.26 99.13

XI 47.98 50.08 51.16 51.21 50.20

XII 42.16 44.58 46.16 46.85 46.64

год 1446.86 1423.98 1374.46 1299.79 1202.27

X-Ш 421.89 433.56 436.92 431.86 418.53

ГУ-К 1024.27 989.55 936.49 866.72 782.34

Таким образом, используя экспериментальные данные радиационных характеристик атмосферы, полученные с помощью автоматизированного комплекса, была рассчитана суммарная солнечная радиация на наклонную поверхность коллекторов и панелей.

Получены среднегодовые и среднемесячные суммы радиации, а также суммы для тёплой и холодной половины года и сезонов года при разных углах наклона солнечной панели в г.Душанбе (период 2011-2013 гг.). Показано, что оптимальное положение солнечных приёмников соответствует широте г.Душанбе (38.50°). Среднегодовая сумма радиации составляет 1447.91 кВт*час/м2 .

Рис.4. Суммарное количество интенсивности солнечной радиации за год, летнего и зимнего полугодия и в разных сезонах при разных углах наклона солнечной панели в г.Душанбе (период 2011-2013 гг.).

Исследования проведены при финансовой поддержке Международного научно-технического центра (проект Т-2076), ГНУ «Центр инновационного развития науки и новых технологий» АНРТ, и Центра ВИЭ ФТИ им. С. У.Умарова АН РТ.

Поступило 19.01.2015 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абдуллаев С.Ф., Назаров Б.И., Маслов В.А. и др. Дневные вариации радиационных характеристик и температуры воздуха в окрестностях г.Душанбе - Вестник Таджикского технического университета, 2011, №2, с. 8-14.

2. Кондратьев К.Я. Актинометрия - Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1965, 693 с.

3. Акулинин А., Смыков В. Оценка возможностей солнечной энергетики на основе точных наземных измерений солнечной радиации. - Проблемы региональной энергетики, 2008, № 1, с.23-30.

Б.И.Назаров, М.А.Салиев*, А.Н.Махмудов, С.Ф.Абдуллаев

ХИСОБИ СЕЛИ СУММАВИИ РАДИАТСИЯ ДАР САТ^И МОИЛИ

ЦАБУЛКУНАЩОИ ОФТОБЙ

Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон, *Маркази рушди инноватсионии илм ва технологияи нави Академияи илмх;ои Цум^урии Тоцикистон

Дар макола дар асоси натичах,ои тачрибавии хосиятх,ои радиатсионии атмосфера, ки бо истифодаи комплекси худкор чен карда шудааст, радиатсияи суммавии офтобй дар сатх,и моили коллектора ва панелх,ои офтобй х,исоб карда шудааст.

Калима^ои калиди: радиатсияи офтоб, панели офтобй, цабулкунаки офтобй, хосиятуои радиатсионии атмосфера.

B.I.Nazarov, M.A.Saliev*, A.N. Makhmudov, S.F.Abdullaev CALCULATION OF THE TOTAL RADIATION FLUX ON THE INCLINED PLANE OF THE SOLAR RECEIVER ON CONDITION OF AEROSOL POLLUTION OF THE ATMOSPHERE

S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, *Center for innovation development of Science and new technologies, Academy of Science of the Republic of Tajikistan

Using the experimental data of radiation characteristics of the atmosphere, obtained an automated measuring complex total solar radiation on an inclined surface collectors and panels were calculated. Key words: solar radiation, solar panels, solar receivers, the radiation characteristics of the atmosphere.