Анализ поступления солнечной радиации в Приморском крае и г. Владивостоке

ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2012. № 1

науки о земле

УДК 697.4:621.577

А.С. Штым, И.А. Журмилова

ШТЫМ АЛЛА СИЛЬВЕСТРОВНА - кандидат технических наук, доцент, заведующая кафедрой инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: shtym_alla@mail.ru ЖУРМИЛОВА ИРИНА АЛЕКСАНДРОВНА - аспирант кафедры инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).

АНАЛИЗ ПОСТУПЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ В ПРИМОРСКОМ КРАЕ И г. ВЛАДИВОСТОКЕ

Солнечная тепловая радиация имеет большое значение для многих отраслей экономики и жизнедеятельности человека. Опытным путем были получены значения фактического прихода солнечной энергии в условиях г. Владивостока. Сравнительный анализ полученных данных позволил установить, что Приморье идеально подходит для систем, использующих солнечную энергию. Ключевые слова: солнечная энергия, продолжительности солнечного сияния, солнечная радиация.

Analysis of solar radiation in Primorye and Vladivostok. Alla S. Shtym, Irina A. Zhurmilova (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

This article is about solar thermal radiation. During the experiments the actual value of solar energy in Vladivostok was obtained. A comparative analysis of the data, shows that the Primorskyi Region is an ideal for the systems using solar energy. Key words: solar energy, sunshine duration, solar radiation.

Климатические характеристики такого природного ресурса, как солнечная тепловая радиация, имеют большое значение для многих отраслей экономики и жизнедеятельности человека. На количество солнечной радиации, поступающей на поверхность солнечного коллектора, влияют следующие факторы:

S продолжительность солнечного сияния (ПСС); •S число солнечных дней; S время года; S прозрачность атмосферы;

•S пространственная ориентация солнечного коллектора;

•S угол наклона солнечного коллектора;

•S степень «черноты» поверхности солнечного коллектора.

Приморский край относится к регионам России, где целесообразно использовать солнечную энергию для целей энерго- и теплообеспечения [3]. Число солнечных дней в среднем по Приморскому краю составляет 310, при продолжительности солнечного сияния более

© Штым А.С., Журмилова И.А., 2012

2000 ч. Территория края районирована по интенсивности и продолжительности поступления солнечной энергии: так, в районах, где солнца нет только 26 дней в году, продолжительность солнечного сияния составляет 2494 ч (п. Пограничный); на северном побережье - от 1900 до 2100 ч; на южном - 2000-2200 ч). Для Сад-Города (пригород Владивостока), по данным находящейся здесь метеостанции, характерна продолжительность солнечного сияния 2226,9 ч и 313 солнечных дней, а для Владивостока - 1974,8 ч и 288 дней [2].

На рис. 1 проиллюстрирован годовой ход продолжительности солнечного сияния (ПСС) за 2009 год. ПСС зависит от продолжительности дня, облачности и закрытости горизонта (это определяет прозрачность атмосферы). На северных станциях края (п. Свиягино) максимум суммарной солнечной радиации приходится на июнь, а при переходе к южным широтам наблюдается смещение его на май и август [2].

Для района Сад-Города продолжительность солнечного сияния выше, чем для Владивостока, так как атмосфера имеет большую прозрачность. Наибольшие значения продолжительности солнечного сияния приходятся на март, сентябрь и октябрь. Весной и осенью эта продолжительность достаточно велика по сравнению с зимними месяцами, а повторяемость дней с облачностью и туманами гораздо меньше, чем летом, поэтому минимальные значения ПСС наблюдаются в июне и июле (рис. 1).

Количество солнечной радиации, поглощаемой любым телом, существенно зависит от двух основных факторов: пространственной ориентации поверхности по отношению к падающему на нее излучению и степени «черноты» поверхности.

Как правило, суммарные (часовые, суточные или годовые) величины прихода солнечной радиации определяются на горизонтальную поверхность или наклоненную под определенным углом, «оптимальным» для заданной широты местности. Для оптимизации работы солнечного коллектора целесообразно выполнить сравнительную оценку интенсивности солнечной радиации в зависимости от изменения угла падения солнечных лучей, приходящихся на фиксированную горизонтальную и вертикальную поверхности, а также рассмотреть варианты с различными углами наклона солнечного коллектора к горизонту.

Наибольший практический интерес представляет оценка удельных тепловых потоков в дни зимнего и летнего солнцестояния, а также в дни равноденствия.

Положение некоторой точки на земной поверхности относительно солнечных лучей в данный момент времени определяется тремя основными углами - широтой местоположения точки ф, часовым углом а и склонением Солнца 3.

Рис. 1. Продолжительность солнечного сияния для метеостанций Владивосток, Сад-Город и Свиягино

Для определения угла падения прямого солнечного излучения / на произвольно ориентированную поверхность в любое светлое время суток, имеющую азимут ап и угол наклона к горизонту в с учетом широты местности, можно воспользоваться выражением [1]: cos/ = ятв[соя3(ятфсояаПсояа + ятаПята) - ят3сояфсояаП] + + сояв[соя3сояфсояа + ятЗятф].

Максимальное количество (за расчетный период) солнечной энергии коллектор получает в наклонном положении с оптимальным углом наклона к горизонту, зависящим от широты местности.

Среднемесячное суммарное количество солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность солнечного коллектора, определяется по формуле [1]

Ек =

где Е - среднемесячное дневное суммарное количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность, МДж/(м2дни); R - отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающей на наклонную и горизонтальную поверхности.

Коэффициент пересчета количества солнечной энергии с горизонтальной поверхности на наклонную поверхность солнечного коллектора с южной ориентацией равен сумме трех составляющих, соответствующих прямому, рассеянному и отраженному солнечному излучению.

г

R =

E

1---

E

V

R + E- 1 + cos в + 1 - cos в Rn +----+ р-

п E 2 2

где Ер - среднемесячное дневное количество рассеянного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, МДж/(м2дни); Ер/Е - среднемесячная дневная доля рассеянного солнечного излучения; Rn - среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность; в - угол наклона поверхности солнечного коллектора к горизонту; р - альбедо (коэффициент отражения) поверхности Земли и окружающих тел, обычно принимается равным 0,7 для зимы и 0,2 - для лета.

Среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения для поверхности наклонного коллектора с южной ориентацией имеет вид:

cos(cp - в )cos8 sinю3 +———ю3 sin(pp - в )sin8

Rn=-Ш-,

1 п

cos p cos 8 sin ю, +--ю, sin p sin 8

3 180 3

где ф - широта местности, град; в - угол наклона коллектора к горизонту, град; 5 - склонение Солнца в средний день месяца, град.

Выполнены расчеты определения угла падения солнечного излучения на произвольно ориентированную поверхность в любое светлое время суток, которые показывают, что для максимального сбора солнечной энергии необходимо менять угол наклона солнечного коллектора в зависимости от времени года. Для того чтобы получить максимальный теплосъем, в полдень солнечные лучи должны падать на поверхность строго перпендикулярно.

Анализ результатов расчета показывает, что зимой на вертикально ориентированные поверхности солнечной радиации поступает больше, чем на горизонтальные участки. А с апреля по сентябрь, наоборот, максимум приходится на горизонтальные поверхности. Для условий города Владивостока величины уровней потоков солнечной радиации, приходящиеся на горизонтальную и вертикальную поверхности, в дни зимнего и летнего

Рис. 2. Среднемесячное суммарное количество солнечной энергии (МДж/м2), поступающей на поверхность при различном угле ее наклона

солнцестояния противоположны, а в дни весеннего (и осеннего) равноденствия - практически совпадают (рис. 2).

На научно-исследовательской установке (рис. 3), созданной на кафедре инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ (ДВГТУ), опытным путем были получены значения фактического прихода солнечной энергии в условиях г. Владивостока. Было произведено сравнение полученных результатов с данными Приморского управления государственными метеостанциями (УГМС) [2] и представленными в [3] показателями для 43° широты (рис. 4).

Рис. 3. Принципиальная схема научно-исследовательской установки, созданной на кафедре инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы ДВФУ

Рис. 4. Интенсивность солнечной радиации в г. Владивостоке

Экспериментальные данные были обработаны за три года: установлено, что характер зависимости сохраняется, но количественные показатели отличаются от данных Приморского УГМС и незначительно отличаются от данных за период 1960-1980 гг. [3].

В период с мая по июль интенсивность примерно одинакова. Расхождение данных Приморского УГМС и полученных практическим путем можно объяснить различием устройств, снимающих показания (пиранометр и датчик солнечной радиации СМР 3), а также местом наблюдения, так как солнечные коллекторы полностью освещаются солнцем к 12 часам и могут в полной мере воспринимать солнечную радиацию. Также они находятся рядом с автомобильной дорогой, и по этой причине быстро загрязняются, что негативно отражается на интенсивности солнечной радиации.

Приморье идеально подходит для систем, использующих солнечную энергию по двум причинам: во-первых, широта 43° позволяет получить максимум солнечной энергии среди прочих районов России; во-вторых, муссонный климат обеспечивает сухие осень, зиму и весну, когда преобладают солнечные дни. Летом, когда много дождливых дней, солнечной энергии достаточно, чтобы обеспечить нужды горячего водоснабжения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Даффи Д.А., Бекман УА. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. М.: Мир, 1977. 420 с.

2. Научно-прикладной справочник по климату СССР Сер. 3. Ч. 1-6. Вып. 26. Приморский край. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001.

3. Справочник по климату СССР. Ч. 1. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное сияние. Вып. 1-34. Л.: Гидрометеоиздат, 1966-1968.

4. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатомиздат, 1991. 208 с.