Анализ интенсивности солнечной радиации

УДК 620.91

АНАЛИЗ ИНТЕНСИВНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

© 2015

А. А. Маслова, аспирант Е. А. Сбитнев, аспирант В. Л. Осокин, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электрификация и автоматизация»

Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино

Аннотация. На территории России сосредоточено 45 % мировых запасов природного газа, 13 % нефти, 23 % угля, 14 % урана. Такие запасы топливно-энергетических ресурсов могут обеспечить потребности страны в тепловой и электрической энергии в течение сотен лет. Однако фактическое их использование, обусловленное существенными трудностями и опасностями, не обеспечивает потребности многих регионов в энергии, связано с безвозвратными потерями топливно-энергетических ресурсов (до 50 %), угрожает экологической катастрофой в местах добычи и производства топливно-энергетических ресурсов.

Задачи удовлетворения существующих потребностей населения и промышленности в тепловой энергии, особенно в районах, удаленных от централизованных электрических сетей, приводят к необходимости развития возобновляемой энергетики, в том числе нетрадиционной и малой. Это также обусловлено необходимостью решения глобальных проблем обеспечения человечества энергией в будущем, связанных с ограниченностью запасов ископаемых видов топлива и требованиями обеспечения экологической безопасности.

Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространённости является наиболее перспективным энергоресурсом для получения тепла и холода, особенно в области непостоянных высоких температур.

Ключевые слова: водонагревательное устройство, высота солнца, высота над уровнем моря, горизонтальная поверхность, долгота, облачность, продолжительность дня, солнечная радиация, рассеянье, угол наклона, широта.

Приход солнечной радиации к земной поверхности зависит от многих факторов, таких как [1-4]:

- широта местности;

- время года и суток;

- прозрачность атмосферы;

- облачность;

- характер подстилающей поверхности;

- высота места над уровнем моря;

- закрытость горизонта.

Количество солнечной радиации, получаемой земной поверхностью за сутки, зависит от широты и времени года. На рисунке 1 представлены данные агентства NASA SSE по среднемесячной инсоляции горизонтальной поверхности Нижегородской области. Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит не только от продолжительности дня, но также и от высоты солнца. Высота солнца меняется в зависимости от широты места, времени года и суток.

В настоящее время расчет поступления солнечной радиации заставляет разработчиков программ по расчету солнечной радиации прибегать к построению собственных моделей [15], построенных на основе известных теоретических работ, например, Кондратьева К. Я. [16]. Аналогичные модели описаны и в зару-

бежной литературе [17]. На рисунке 2 представлен конкретный пример модели расчета теплопоступле-ния от солнечной радиации на горизонтальную поверхность, расположенную на 56 градусе северной широты и 44 градусе восточной долготы. На горизонтальную поверхность за год в Нижегородской области приходится в среднем около 3000-3800 МДж/м2 прямой солнечной радиации.

Приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит также от высоты солнца. В свою очередь, высота солнца меняется в зависимости от широты места, времени года и времени суток. Так на рисунке 3 представлен график суточного поступления суммарной солнечной радиации.

Зависимость поступления солнечной радиации от широты наиболее ясно прослеживается зимой, соответственно к более высоким широтам ее количество убывает. Летом с увеличением широты увеличивается продолжительность дня и прозрачность атмосферы, что повышает количество как прямой, так и суммарной радиации. Увеличение облачности уменьшает прямую и увеличивает рассеянную радиацию. На рисунке 4 представлена диаграмма, которая включает поступление как прямой, так и рассеянной солнечной радиации.

Рисунок 1 - Среднемесячная инсоляция горизонтальной поверхности Нижегородской области по данным NASA SSE

Рисунок 2 - Профиль ресурса солнечной энергии

Рисунок 3 - Посуточный график поступления солнечной радиации на территорию Нижегородской области

Рисунок 4 - Поступление суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность Нижегородской области

Во все месяцы прямая радиация меньше чем рассеянная. В зимний период времени это различие видно особенно значительно. В годовом поступлении солнечной радиации хорошо выражен максимум в июне - 611 МДж/м2 и минимум в декабре -51 МДж/м2. Значительное возрастание суммарной солнечной радиации наблюдается в марте. Это происходит из-за увеличения угла падения солнечных лучей, а также роста продолжительности дня и уменьшения облачности.

Следует отметить, что рассеянная радиация частично компенсирует ослабление потока прямой сол-

нечной радиации в атмосфере, однако эта компенсация не является полной. Следовательно, поток суммарной радиации при наличии облачности, если солнце не закрыто облаками, будет выше в сравнении с безоблачным небом.

Суточный ход суммарной радиации имеет также свои особенности. Летом продолжительность дня увеличивается практически в два раза, следовательно, поступление солнечной радиации на горизонтальную поверхность осуществляется более продолжительное время. На рисунке 5 представлены почасовые графики суточного поступления солнечной радиации.

Рисунок 5 - Графики суточного поступления солнечной радиации на горизонтальную поверхность Нижегородской области

В июне продолжительность поступления солнечной радиации увеличивается до 18 часов и достигает максимума в 12 часов дня. За сутки в июне поступает в среднем 2,16 МДж/(м2-час), а в декабре -0,396 МДж/(м2-час). Абсолютный полуденный максимум наблюдается также в июне - 3,96 МДж/(м-час). Для более точного представления на рисунок 6 пред-

ставлена модель суточного поступления солнечной радиации.

На основе приведенных данных представлена таб лица 1 , отражающая изменение в количестве энергии, которую воспринимает устройство водонагревателя в зависимости от времени (месяц года), положения солнечной установки в пространстве (угол наклона к горизонту) и географической широты.

Day of Year

Рисунок 6 - Модель суточного распределения солнечной радиации

Таблица 1 - Ежемесячное облучение

Широта - 56°40' с. ш.

Долгота - 43°50' в. д.

Месяц Hh Hopt H(90) Iopt D/G TD

Январь 660 756 846 72 0,68 - 8,7

Февраль 1 490 1 860 1 910 66 0,60 - 8,5

Март 2 770 3 130 2 670 51 0,62 - 2,1

Апрель 4 050 4 510 3 200 38 0,53 6,9

Май 5 390 5 980 3 600 26 0,48 14,5

Июнь 5 660 6 110 3 160 19 0,47 17,8

Июль 5 570 5 690 3 500 23 0,42 21,5

Август 4 250 5 320 3 540 35 0,44 19,4

Сентябрь 2 690 3 440 2 770 48 0,55 13,3

Октябрь 1 440 1 800 1 680 59 0,64 6,4

Ноябрь 770 813 846 67 0,73 - 0,3

Декабрь 460 489 553 73 0,74 - 6,7

Среднее 2 932 3 330 2 360 38 0,50 6,1

где № - облучение горизонтальной поверхности, Вт/(м2-день);

Hopt - облучение оптимально наклонной плоскости, Вт/(м2-день);

Щ90) - облучение плоскости под углом 90°, Вт/(м2-день);

Iopt - оптимальный угол наклона, (град);

D/G - коэффициент диффузного глобального облучения;

TD - средняя дневная температура, °С.

Анализ данных таблицы показывает, что оптимальный угол наклона вакуумированного водонагрева-тельного устройства для Нижегородской области составляет 38°. При угле падения 38 ° между ребрами солнечной установки нет пробелов, через которые проходит некоторое количество солнечной радиации. Таким образом, водонагреватель получает максимальное количество солнечной радиации, за счет того, что непоглощенный остаток отражается на соседних ребрах.

Из вышеуказанного следует, что приход солнечной радиации в основном определяется географической широтой места. Также на рассеянную радиацию кроме облачности оказывает влияние характеристика поверхности. При наличии снега увеличивается отражение прямой солнечной радиации, которое, в свою очередь, при наличии вторичного отражения приводит к увеличению рассеянной радиации. С изменением высоты над уровнем моря поток прямой солнечной радиации прямо пропорционален, т. е. увеличение высоты приводит к увеличению потока, что объясняется уменьшением толщины атмосферы.

Анализ распределения мощности солнечного излучения позволил сделать следующие выводы:

- наиболее эффективная работа солнечных энергоустановок в северной и центральной частях Нижегородской области до широты 57° 30' продолжается с апреля по август;

- в более южных районах период увеличивается с середины марта до середины сентября;

- оптимальный угол наклона вакуумного водонагревателя для Нижегородской области составляет 38°.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / Коллектив авторов. СПб. : Наука. 2002. 314 с.

2. Берлянд Т. Г. Климатические исследования режима солнечной радиации для использования их в гелиотехнических целях // Тр. ГГО. № 427. 1980. 355 с.

3. Берлянд Т. Г. Распределение солнечной радиации на континентах. Л. : Гидрометеоиздат, 1961. 227 с.

4. Виссарионов В. И. Методы расчета ресурсов возобновляемых источников энергии : учебное пособие. М. : Издательсктй дом МЭИ, 2009. 144 с.

5. Виссарионов В. И. Расчет ресурсов солнечной энергетики. М. : Изд-во МЭИ, 1998. 60 с.

6. Виссарионов В. И. Солнечная энергетика: учеб. пособие для вузов. М. : Издательсктй дом МЭИ, 2008. 276 с.

7. Кобышева Н. В. Климатологическая обработка метеорологической информации. Л. : Гидрометеоиздат, 1978. 295 с.

8. Кодратьев К. А. Актинометрия. Л. : Гидроме-теоиздат, 1967. 506 с.

9. Лукутин Б. В. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении : монография. М. : Энергоатомиздат, 2008. 231 с.

10. Научно-прикладной справочник по климату СССР // Серия 3. Многолетние данные, Ч. 1-6. № 9. Госком. СССР по гидрометеорологии. М.: Гидрометео-издат, 1990. 557 с.

11. Пивоварова З. И. Климатические характеристики солнечной радиации как источника энергии на территории СССР. Л. : Гидрометеоиздат, 1988. 292 с.

12. Судаев Е. М. Математическое моделирование потенциала солнечной энергии на территории Красноярского края, Республик Хакасия и Тыва // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции. Красноярск : ИПЦ КГТУ, 2005. С.296-300.

13. Судаев Е. М. Моделирование поля солнечной радиации на территории Красноярского края, республик Хакасия и Тыва // Машино-технологическое, энергетическое и сервисное обслуживание сельхозтоваропроизводителей Сибири: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А. И. Селиванова, 9-11 июня 2008 г., Краснообск. Новосибирск : Россельхозакадемия. Сиб. отд-ние ГНУ СибИМЭ. 2008. С.258-264.

14. Судаев Е. М. Теоретические модели поля солнечной радиации и результаты исследований солнечного водонагревателя в климатических условиях Красноярского края // Вестник КрасГАУ, 2008. № 4. С. 245-254.

15. Токарева Е. Ф. Определение поступлений прямой солнечной радиации на вертикальные поверхности разной ориентации. Киев : ЗНИИЭП, 1971. 12 с.

16. Кондратьев К. Я., Пивоварова З. И., Федорова М. П. Радиационный расчет наклонных поверхностей. Л. : Гидрометеоиздат, 1978. 281 с.

17. Micropower System Modeling with HOMER, by 18. Автономные энергоустановки на возобновля-

T. Lambert, P. Gilman, and P. Lilientahal. Published in емых источниках энергии. [Электронный ресурс].

«Integration of Alternative Sources of Energy», by F. Far- URL: http://www.abok.ru/forspec/articles.php?nid=3278

ret and M. Simoes Copytight, 2006. 418 с. (дата обращения: 12.12.2014).

ANALYSIS OF THE INTENSITY OF SOLAR RADIATION ON THE TERRITORY OF NIZHNY NOVGOROD REGION

© 2015

А. А. Maslova, the post-graduate student Е. А. Sbitnev, the post-graduate student V. L. Osokin, the candidate of technical sciences, the associate professor, the head of the chair «Electrificationand automatization»

Nizhniy Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino

Annotation. On the territory of Russia is concentrated 45 % of the world reserves of natural gas, 13 % oil, 23 % coal, 14% of uranium. Such reserves of energy resources can provide the country's needs in heat and electricity for hundreds of years. However, actual use, due to significant difficulties and dangers, does not meet the needs of many regions in energy, due to irretrievable losses of fuel and energy resources (50 %), threatens environmental disaster in the field of extraction and production of fuel and energy resources [1].

Objectives meet needs of population and industry in thermal energy, especially in areas remote from centralized electric grids, leading to the need for renewable energy, including unconventional and small. This is also due to the necessity of addressing the global challenges of providing humanity with energy in the future, associated with limited stocks of fossil fuels and the requirements of environmental safety.

Among renewable energy sources solar radiation on the scale of resources, ecological purity and ubiquitous nature is the most promising energy source to produce heat and cold, particularly in the area of non-permanent high temperatures.

Keywords: water heating device, the height of the sun, altitude above sea level, horizontal surface, longitude, cloud cover, day length, solar radiation, scattering, angle, lat.

УДК 621.314.222.6

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПАРАМЕТРЫ НАПРЯЖЕНИЯ САМОРАЗРЯДА И ВОЗВРАТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ОСТАТОЧНЫЙ РЕСУРС ТРАНСФОРМАТОРОВ

© 2015

Е. А. Матвеева, магистрант Д. В. Козяков, аспирант Д. А. Семенов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация»

Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино

Аннотация. С помощью ранее разработанного устройства для измерения параметров изоляции на современной элементной базе с применением АЦП, подключаемого к компьютеру через USB-порт, что дает возможность использования для управления процессом диагностики портативных ЭВМ типа Notebook, было проведено исследование влияния температуры на диагностические параметры напряжения саморазряда и возвратного напряжения, определяющие остаточный ресурс трансформаторов.

Для испытания была выбрана единая методика измерения напряжения саморазряда и возвратного напряжения. На основании ранее проведенных исследований сделали вывод о том, что необходимо подавать испытательное напряжение на обмотку ВН и заземлять обмотку НН.

Приведены зависимости напряжения саморазряда от времени при разных температурах бака трансформатора, зависимости интенсивностей экспоненциальных составляющих напряжения саморазряда изоляции от температуры бака и обмоток, а также значения и зависимости возвратного напряжения при разных температурах бака трансформатора.

В результате исследования определено влияние температуры на измеряемые параметры напряжения саморазряда и возвратное напряжение. На основании полученных экспериментальных данных предложены эмпириче-