Солнечная радиация казахстана

УДК 551.521.31

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТУПЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ТЕРРИТОРИЮ СЕВЕРНОГО РЕГИОНА КАЗАХСТАНА

Г.Б. Садуакасова, И.А. Пястолова, П.Ю. Клюева

Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина, г. Астана, Казахстан E-mail: c.gylnara68@mail.ru

Представлено исследование сезонного поступления суммарной солнечной радиации для 2009 г. на территории Казахстана. Сделан вывод о том, что сезонные графики, даже сучетом провалов графиков во время облачности, показывают превышение относительно значений актинометрических наблюдений от 10до 100 %.

Ключевые слова:

Плотность потока солнечного излучения, солнечная энергия, суммарная солнечная радиация, прямая солнечная радиация, рассеянная солнечная радиация.

Key words:

Density of a stream of sunlight, solar energy, total solar radiation, direct solar radiation, scattered solar radiation.

Практически во всех регионах Казахстана жилые дома не могут функционировать без отопительных устройств. Переход на альтернативные решения может быть обеспечен соответствующим научным обоснованием и методической базой создания систем автономного теплоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии.

С этой точки зрения ориентация на первоочередное внедрение систем горячего водоснабжения как наиболее автономной части энергообеспечения жилого дома, безусловно, правильная. Только после этого можно решить более сложную задачу использования солнечной энергии и для отопления дома.

В Казахстане имеется возможность широкомасштабного применения энергии солнечного излучения. В первую очередь необходимо развитие и внедрение гелиоустановок горячего отопления и водоснабжения.

Основным определяющим фактором для расчета производительности гелиосистем является величина плотности потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора.

Согласно литературным источникам, известно [1], что с 1 м2плоского солнечного коллектора для коммунально-бытовых нужд можно получать примерно 500 кВт-ч тепла в год.

Перед тем как рассматривать конкретные схемы солнечных систем, необходимо уточнить, пригодны ли вообще климатические условия Казахстана для их создания и развития, и какие комплексы наиболее перспективны в наших условиях.

Целью работы является анализ и определение изменения составляющих солнечного излучения по сезонам года и в течение суток, и как это влияет на производительность гелиоустановок.

Ряды данных наблюдений за различными видами солнечной радиации имеют свои особенности, связанные со спецификой наблюдений. Прежде всего, наблюдения проводятся в сроки, отличные

от сроков, установленных для наблюдения за другими метеорологическими величинами.

Согласно программе статистических исследований, поступления солнечной радиации и измерения составляющих радиационного баланса производятся 6 раз в сутки: в 0 ч 30 мин., 6 ч 30 мин., 9 ч 30 мин., 12 ч 30 мин., 15 ч 30 мин., 18 ч 30 мин. Такие наблюдения не позволяют получить достаточно надежные данные. Стоит в момент наблюдения небольшому облачку прикрыть солнце, как измеряемое значение прямой солнечной радиации резко изменится. По этой причине, а также, исходя из практической необходимости получать суммарный приход солнечного тепла за некоторый отрезок времени (час, сутки, месяц), при климатологической обработке наряду с характеристиками интенсивности солнечной радиации (энергетической освещенности) рассчитывают характеристики сумм солнечной радиации за часовые интервалы, сутки, месяц.

Характеристики часовых сумм получают либо по данным самописцев (которые имеются примерно на 1/3 актинометрических станций), либо с использованием графиков суточного хода. Такие графики строятся по многолетним средним значениям радиации в сроки наблюдений. С графика для середины часового интервала снимаются значения интенсивности, и по этим данным определяются часовые и суточные суммы. Месячные суммы вычисляются как произведение суточного значения на число календарных дней месяца [2].

Регистрация поступающей солнечной радиации, а также ее составляющих производится на метеостанциях. В Республике Казахстан практически во всех областях на метеостанциях осуществляются актинометрические наблюдения, поэтому при пользовании такими данными отпадает необходимость в учете прозрачности атмосферы.

Проанализируем данные о величине поступающей солнечной радиации, приведенные в различных литературных источниках и полученные в ходе экспериментальных исследований.

Рассмотрение поступающей солнечной радиации в интервале широт от 40 до 55° с.ш. связано с тем, что территория Республики Казахстан располагается именно между этими широтами.

В табл. 1, 2 приведены данные о приходе соответственно суммарной, прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность по актинометрическим наблюдениям [2].

Таблица 1. Месячный приход суммарной, прямой, рассеянной и отраженной солнечной радиации на горизонтальную поверхность (в числителе — при ясном небе, в знаменателе — при средних условиях облачности)

Месяц Широта, град. с.ш. Месяц Широта, град. с.ш.

40 | 45 | 50 | 55 40 | 45 | 50 | 55

Суммарная солнечная радиация, Н6, МДж/м2

Январь 348 210 277 155 201 134 134 84 Июль 909 800 897 763 888 658 884 620

Февраль 440 302 377 264 310 218 243 155 Август 87 767 788 712 763 574 746 553

Март 645 406 595 406 549 402 478 360 Сентябрь 649 595 612 515 570 411 515 306

Апрель 796 570 754 524 708 490 679 473 Октябрь 515 402 461 331 406 251 327 176

Май 909 754 897 725 880 649 872 595 Ноябрь 365 239 293 165 222 134 163 88

Июнь 926 804 922 746 913 691 918 658 Декабрь 302 176 235 134 168 105 105 50

Прямая солнечная радиация, Н0, МДж/м2

Январь 281 105 218 50 151 63 96 29 Июль 742 570 746 524 746 377 729 360

Февраль 348 189 285 151 226 113 176 63 Август 679 570 662 515 645 364 612 344

Март 532 214 486 218 436 218 369 184 Сентябрь 536 448 507 369 478 276 427 180

Апрель 649 360 616 314 582 281 545 243 Октябрь 427 277 377 214 327 147 260 80

Май 767 503 754 473 737 398 721 323 Ноябрь 293 147 235 71 180 67 126 42

Июнь 767 574 771 536 775 444 779 390 Декабрь 239 92 176 71 117 55 71 17

Рассеянная солнечная радиация, На МДж/м2

Январь 105 105 71 55 Июль 230 239 281 260

Февраль 113 113 105 92 Август 197 197 210 210

Март 193 189 184 176 Сентябрь 147 147 134 126

Апрель 210 210 210 230 Октябрь 126 117 105 96

Май 251 251 251 272 Ноябрь 92 84 67 48

Июнь 230 210 247 268 Декабрь 84 63 50 34

Отраженная солнечная радиация, Нд МДж/м2

Январь 63 80 88 59 Июль 201 184 138 117

Февраль 80 130 138 113 Август 201 180 122 109

Март 101 147 197 230 Сентябрь 193 130 88 63

Апрель 134 126 105 147 Октябрь 109 88 46 46

Май 180 168 130 113 Ноябрь 63 50 59 50

Июнь 193 180 138 126 Декабрь 46 63 63 34

В осенне-зимний период прямая и рассеянная составляющие суммарной солнечной радиации равны между собою и составляют каждая 50 % от суммарной. В весенне-летний период начинает преобладать прямая составляющая, достигая мак-

симума в июне месяце (примерно 65 % от суммарной радиации).

Таблица 2. Годовой приход суммарной, прямой, рассеянной и отраженной солнечной радиации на горизонтальную поверхность (в числителе — при ясном небе, в знаменателе — при средних условиях облачности)

Годовая радиа- Широта, град. с.ш.

ция, МДж/м2 40 45 50 55

Суммарная 7621 6025 7108 5440 6578 4717 6064 4118

Прямая 6260 5832 5401 4911

4098 3507 2803 2554

Рассеянная 1978 1925 1915 1865

Отраженная 1563 1525 1311 1207

В табл. 3 представлены данные о приходе солнечной радиации, полученные нами и соответствующим образом обработанные для условий Акмолинской области, т. е. соответствующие примерно 51° с.ш. Проведенный анализ показывает, что реальные численные значения поступающей суммарной солнечной радиации практически соответствуют приходу суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при средних условиях облачности, согласно [3].

По данным актинометрических справочников трудно судить о солнечной радиации в течение суток в виду того, что измерения составляющих радиационного баланса производятся только 6 раз в сутки, поэтому были проведены экспериментальные исследования сезонного и суточного поступления составляющих солнечной радиации на 51°с.ш.

Экспериментальные исследования были проведены лабораторией «Нетрадиционных источников энергии» Казахского агротехнического университета, г. Астана.

Измерения радиационного баланса были проведены с использованием стандартных пираноме-тров. Один пиранометр находится на панели солнечной батареи, измеряет суммарную плотность солнечного излучения на наклонную поверхность (рис. 1). Второй пиранометр находится на мачте метеостанции и замеряет плотность солнечного излучения на горизонтальную поверхность.

Исследование сезонного поступления суммарной солнечной радиации для 2009 г. зафиксированы с интервалом 1 ч, для получения данных в течение суток.

Представлены экспериментальные графики зависимости изменения энергетической освещенности на горизонтальную поверхность для января, апреля, июля и октября месяца 2009 г. Построены кривые для 05, 15 и 25 числа месяца, для сравнения на графики нанесена кривая значения плотности солнечной радиации на горизонтальную поверхность, которая строится по многолетним актинометрическим наблюдениям из климатических справочников.

Таблица 3. Поступление солнечной радиации на горизонтальную поверхность (для Акмолинской области, 51° с.ш.), МДж/м2

Месяц Вид радиации Сумма Среднее суточное

за 1 декаду за 2 декаду за 3 декаду за месяц

Январь Суммарная 33,4 44,6 64,4 142,4 4,61

Прямая 6,54 17,3 25,8 49,6 1,60

Рассеянная 26,9 27,3 38,6 92,8 2,99

Февраль Суммарная 60,1 67,9 87,1 215,1 8,13

Прямая 13,3 51,0 30,5 94,8 3,27

Рассеянная 46,8 36,9 56,6 140,0 4,86

Март Суммарная 135,0 141,0 120,0 395,5 12,70

Прямая 64,9 57,0 28,2 148,0 4,80

Рассеянная 69,9 83,5 91,9 245,0 7,90

Апрель Суммарная 111,0 109,0 192,0 412,0 13,00

Прямая 38,0 48,0 126,0 212,0 7,00

Рассеянная 73,0 61,0 66,0 200,0 6,00

Май Суммарная 203,0 236,0 239,0 678,0 21,90

Прямая 130,0 152,0 125,0 407,0 13,10

Рассеянная 73,0 84,0 114,0 272,0 8,80

Июнь Суммарная 214,0 203,0 223,0 640,0 21,30

Прямая 129,0 97,0 123,0 349,0 11,60

Рассеянная 85,0 106,0 100,0 289,0 9,70

Июль Суммарная 220,0 186,0 241,0 647,0 20,00

Прямая 127,0 103,0 155,0 385,0 12,00

Рассеянная 93,0 83,0 86,0 261,0 8,50

Август Суммарная 178,0 191,0 187,0 556,0 17,90

Прямая 103,0 121,0 103,0 306,0 9,90

Рассеянная 75,0 70,0 84,0 249,0 8,00

Сентябрь Суммарная 134,0 112,0 125,0 371,0 12,30

Прямая 61,0 46,0 69,0 175,0 5,80

Рассеянная 73,0 66,0 56,0 195,0 6,50

Октябрь Суммарная 76,8 77,9 71,6 226,3 7,29

Прямая 31,8 33,9 39,5 105,0 3,39

Рассеянная 45,0 44,0 32,1 121,0 3,90

Ноябрь Суммарная 47,0 51,7 39,3 138,0 4,60

Прямая 14,2 18,7 10,7 43,7 1,46

Рассеянная 32,8 33,0 28,6 94,3 3,14

Декабрь Суммарная 25,8 33,4 42,0 101,2 3,26

Прямая 2,5 7,5 15,6 25,7 0,83

Рассеянная 23,3 25,9 26,4 75,3 2,43

Годовая 1438,1 1453 1631,4 4522,5 294,46

Рис. 1. Внешний вид лабораторной установки

Проанализируем интенсивность энергетической освещенности, полученную экспериментальным путем.

Максимальная суммарная плотность солнечного излучения в январе — 269 Вт/м2 (рис. 2). Провалы графиков не наблюдаются. Экспериментальные данные плотности солнечного излучения превышают данные актинометрических наблюдений для

05.01.09 г. на 30 %, 15.01.09 г. — на 40 %, 25.01.09 г. — на 50 %.

Время, ч

Рис. 2. Изменение значений плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность для января 2009 г.

Время, ч

Рис. 3. Изменение значений плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность для апреля 2009г.

Время, ч

Рис. 4. Изменение значений плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность для июля 2009 г.

Время, ч

Рис. 5. Изменение значений плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность для октября 2009г.

Максимальная суммарная плотность солнечного излучения в апреле — 710 Вт/м2 (рис. 3). Наблюдаются провалы графика с 12 до 13 ч из-за облачности до 200 Вт/м2. В момент провалов графиков прямая составляющая солнечной радиации значительно уменьшается 05.04.09 г. на 60 %, для

15.04.09 г. — на 40 %, для 25.04.09 г. — на 50 %. В период с 6 до 8 часов экспериментальные данные прямой солнечной радиации по отношению к данным актинометрических наблюдений занижены на 50 %. Однако надо отметить, что с 9 до 12 ч дня плотность солнечного излучения увеличивается на 30%. 25.04.09 г. плотность солнечного излучения после 12 ч дня подает на 50 %, а 5 и 15 июля увеличивается на 40 %. Это соответствует отсутствию прямой составляющей солнечной радиации, что приводит к значительному снижению производительности солнечных установок.

Максимальное значение плотности солнечного излучения в июле — 820 Вт/м2 (рис. 4). Во все дни наблюдений в период с 5 до 12 ч плотность солнечного излучения уменьшается на 40…60 %, а

15.07.09 г. уменьшение продолжается до 17 ч. В остальные дни после 12 ч плотность солнечного

излучения превышает от 10 до 30 % по отношению к актинометрическим данным.

Для октября (рис. 5) максимальное значение энергетической освещенности составляет 511 Вт/м2.

05.10.09 г. наблюдается провал графика в 10 ч, но не ниже значения актинометрических наблюдений, с 11 до 18 ч превышает на 100 %, а 15.10.09 г. превышает на 70%. 25.10.09 г. график занижен на 50 %, и только в 14.30 ч заметен подъем графика до значений актинометрических наблюдений.

Выводы

1. Исследовано сезонное поступление солнечной радиации на территории Северного Казахстана.

2. Установлено, что сезонные графики поступления солнечной радиации с учетом облачности показывают превышение относительно значений актинометрических наблюдений от 10 до 100 %.

3. В качестве исходных данных при выполнении гелиоэнергетических расчетов необходимо использовать актинометрические данные при средних условиях облачности, которые приводятся в метеорологических ежемесячниках.

4. Различие в поступающей солнечной радиации на горизонтальную поверхность при условиях облачности между Северным и Южным регионами достигает 20 %.

5. Происходит сезонное изменение состава солнечной радиации (в осенне-зимний период составляющая равна примерно рассеянной, и в весенне-летний период прямая радиация составляет до 65 % суммарной).

6. Разница между солнечной радиацией при различных условиях облачности увеличивается в соответствии с широтой с 13 до 28 %.

7. Экспериментальные графики дают более точную информацию о суммарной солнечной радиации в течение суток.

8. Сезонные графики, даже с учетом провалов графиков во время облачности, показывают превышение относительно значений актинометрических наблюдений от 10 до 100 %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / под общ. ред. П.П. Безруких. -Спб.: Наука, 2002. — 314 с.

2. Дроздов О.А. Васильев В.А., Кобышева Н.В. и др. Климатология. — Л.: Гидрометеоиздат, 1989. — 365 с.

3. Тлеуова А.А. Определение потенциальных гелиоресурсов Акмолинской области // Сейфуллинские чтения-1: Тез. докл. Республ. научно-теор. конф. — Астана, 2005. — С. 36-39.

Источник

Рейтинг
Ufactor
Добавить комментарий