Наибольший эффект при использовании солнечной энергии можно получить если собирать ее на наклонные поверхности.
Рассмотрим методику расчета средней за час плотности солнечного излучения, приходящего на поверхность земли и расчета ее составляющих — плотность прямого и диффузного солнечного излучения. После чего рассмотрим методику расчета средней за час плотность солнечного излучения, приходящего на наклонную поверхность коллектора солнечной энергии
1. Углы, характеризующие положение точки на земной поверхности и наклонной плоскости относительно солнечных лучей.
Рис. Углы, характеризующие положение точки на земной поверхности (а) и наклонной плоскости коллектора солнечной энергии (б) относительно солнечных лучей.
Положение некоторой точки А на земной поверхности относительно солнечных лучей в данный момент времени определяется тремя основными углами:
φ [град.] — широтой местоположения точки (угол между линией соединяющей т. А с центром Земли, и ее проекцией на плоскость экватора);
ω [град.] — часовым углом (угол, измеренный в экваториальной плоскости между проекцией линии, проходящей через центр Земли и т.А и проекцией линии, соединяющей центры Земли и Солнца);
σ [град.] — склонение Солнца (угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца и ее проекцией на плоскость экватора).
Наряду с тремя основными углами φ, ω, σв расчетах солнечной радиации используют также три дополнительных угла:
Z [град.] — зенитный угол ( угол между солнечным лучом и нормалью к горизонтальной плоскости в т. А);
αc [град.] — угол высоты Солнца (угол в вертикальной плоскости между солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость);
ac [град.] — азимут Солнца (угол в горизонтальной плоскости между проекцией солнечного луча и направлением на юг);
а также следующие углы:
aн [град.] — азимут наклонной поверхности;
γ[град.] — угол падения солнечных лучей на наклонную поверхность КСЭ;
β[град.] — угол наклона поверхности КСЭ к горизонтальной плоскости.
2. Определение интенсивности солнечного излучения на поверхности Земли.
2.1. Исходной величиной для расчета является плотность потока солнечной энергии Iо Вт/м2 у верхней границы атмосферы на поверхность перпендикулярную направлению солнечных лучей. Эта величина равна:
Iо = 1353 Вт/м2
и называется солнечной постоянной. Соответствующее среднечасовое количество солнечной
энергии для этой поверхности равно:
Ео = 4871 кДж/(ч*м2)
и изменяется в течение года от 4710 до 5036 кДж/(чм2) за счет эллиптичности земной орбиты.
2.2. Основой расчета является средняя за час плотность потока (интенсивность) полного солнечного излучения приходящего на горизонтальную площадку на уровне поверхности Земли, которая равна:
Ii = KT *Iо * cos Zi ; Вт/м2 (1)
Ii = Ibi + Idi; Вт/м2 (2)
где: i [ — ] — порядковый номер часа суток от i = 1 до i = 24;
KT [усл. ед.] — коэффициент ясности атмосферы, представляющий собой отношение среднего потока солнечного излучения за данный промежуток времени (час, день, месяц и т.д.) поступающего на горизонтальную площадку расположенную на поверхности Земли к полному потоку солнечной энергии поступающей на горизонтальную площадку за границей атмосферы за тот же период времени, (Кт определяется по данным многолетних наблюдений, как средний за день, месяц и приводится в климатических справочниках);
Ibi [ Вт/м2] — средняя за час интенсивность прямого солнечного излучения поступающего на горизонтальную поверхность;
Idi [ Вт/м2] — средняя за час интенсивность диффузного (рассеянного) солнечного излучения поступающего на горизонтальную поверхность.
Zi [град.] — средний за час зенитный угол Солнца.
2.3. Величина зенитного угла Солнца определяется на основе геометрических соотношений взаимного расположения Солнца, Земли и рассматриваемой площадки на поверхности Земли.
(3)
где: φ[град.] — широта местности которая принимается в северном полушарии со знаком (+), а в южном — со знаком (-); δ[град.] — склонение Солнца, средне за данный день, которое зависит от порядкового номера n, отсчитываемого от начала года (1 января n = 1) и равно:
(4)
где: n — порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января.
ωi [град.] — средний за данный час часовой угол Солнца, вычисляемый из уравнения:
(5)
2.4. Зависимость между диффузной солнечной радиацией, падающей на горизонтальную поверхность и суммарной солнечной радиацией приходящейся на ту же поверхность устанавливается по данным статистической обработке многолетних актинометрических наблюдений на метеорологических станциях, в которых одновременно регистрируется суммарная и диффузная радиация Солнца.
В проведенных ранее исследованиях установлена корреляционная зависимость между отношением Idi / Ii и величиной KT полученная по данным наблюдений 34-х метеорологических станций СССР в среднем за 10 лет наблюдений.
По результатам статистической обработке всего массива данных предложена корреляционная зависимость для определения доли диффузной радиации вида:
(6)
полученное уравнение (6) равномерно описывает зависимость fdi во всем интервале широт при изменении KT от 0,1 до 0,8. При этом среднеквадратическая ошибка определение величины fdi не превышает 11 — 15%, что существенно меньше в сравнении с эмпирическими зависимостями других авторов и позволяет рекомендовать уравнение (6) для проведения дальнейших практических расчетов.