Виды суммарной солнечной радиации

Эффективность практического использования солнечной и ветровой энергии во многом зависит от того, насколько точно при проектных разработках были учтены закономерности и конкретные данные о приходе солнечной радиации и скорости ветра в месте предполагаемой эксплуатации установок. Создание минимальных по стоимости и конкурентоспособных солнечных и ветровых установок, эффективно удовлетворяющих потребности пользователя, связано с обоснованием оптимальной площади солнечных приемников, установленной мощности и типа ветроустановки и емкости аккумуляторов энергии. Как отмечалось выше, из-за относительно малых плотностей энергетических потоков солнечного излучения и ветра у поверхности земли площадь приемников этих первичных источников энергии может быть велика, и приемники могут вносить в стоимость всей установки определяющий вклад. Нестабильность (суточная, сезонная, погодная) поступления первичной энергии обусловливает необходимость снабжения установок аккумуляторами энергии, выбор емкости которых оказывает влияние как на необходимый для работы установки размер приемников, так и на мощность резервного источника энергии, а, следовательно, и на технико-экономические показатели установки в целом.

аналитическим, когда необходимые параметры для конкретной географической точки определяются расчетным путем;
непосредственными (обычно непродолжительными) измерениями на месте;
многолетними измерениями по единой методике на метеостанциях, результаты которых аккумулированы в климатических справочниках и базах данных.

Аналитические способы определения значений солнечной радиации для предварительной оценки потенциала отдельных регионов применимы, однако они сложны, точность их невысока, и в этой связи они могут иметь при проектировании гелиоустановок лишь оценочное значение [4].

Основным источником исходной актинометрической информации, таким образом, являются климатические справочники и базы данных, создаваемые специализированными организациями на основе обработки результатов многолетних метеорологических наблюдений на метеостанциях. В СССР основными источниками актинометрических данных для специалистов-гелитотехников являлись многотомные справочники по климату СССР, ставшие результатом труда многочисленных коллективов региональных и центральных организаций, занимающихся проблемами метеорологии и климата [1, 5]. Как отмечалось выше, в России при достаточно разветвленной сети метеорологических станций количество метеостанций, ведущих актинометрические измерения, весьма ограничено. Так, по данным ГГО им. А.И. Воейкова, в 1997 г. на территории России действовало 129 актинометрических станций, однако далеко не все результаты их измерений были обобщены в упомянутых выше климатических справочниках. Малая плотность размещения существующих в России актинометрических станций осложняет получение надежных данных о распределении солнечной радиации по территории страны. Тем не менее, такая работа ГГО в 1990-х годах была выполнена и реализована в подготовленных Атласах ветрового и солнечного климатов России, включающих в себя и карты распределения солнечной радиации [6].

1.1. Некоторые особенности распространения солнечного излучения в атмосфере

Напомним основные характеристики солнечного излучения, которые необходимо учитывать при оценке его энергетического потенциала и создании установок, преобразующих энергию Солнца в другие виды энергии. Как известно, энергия солнечной радиации, поступающая в единицу времени на поверхность за пределами атмосферы, перпендикулярную лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца, называется солнечной постоянной и равна I₀ = 1,395 кВт/м². Спектральное распределение лучистой энергии Солнца, не искаженное влиянием атмосферы, изображено на Рис.2. Поскольку Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите и расстояние между ними непостоянно, приход солнечной энергии в течение года изменяется от 1,349 кВт/м² (в начале июля) до 1,443 кВт/м² (в начале января).

Рис. 2. Распределение энергии в спектре Солнца и в спектре черного тела при 6000°К (пунктир) [8]: I — ультрафиолетовоеизлучение, II — видимое излучение, III -инфракрасное излучение

На количество солнечной энергии, попадающей на земную поверхность, естественно, влияет наличие у Земли атмосферы. В результате прохождения в атмосфере интенсивность солнечного излучения постепенно уменьшается. Это происходит, во-первых, за счет рассеяния света молекулами газов, пылинками, аэрозолями и пр. При этом в атмосфере появляется рассеянная радиация, часть которой уходит обратно в мировое пространство. Во-вторых, существует поглощение солнечного излучения озоном (в верхних слоях атмосферы), водяным паром, углекислотой и кислородом (в более низких). В разных областях спектра оно происходит по-разному. При прохождении монохроматического излучения с длиной волны через рассеивающую и поглощающую атмосферу плотность потока (интенсивность) изменяется по экспоненциальному закону

где ₀ — плотность потока излучения на верхней границе атмосферы, — коэффициент ослабления падающего потока радиации за счет рассеяния и поглощения. Если положить в этом выражении x=h, то

где (h) — оптическая толщина (оптическая масса) атмосферы на высоте h. При h = 0

Величина в этом выражении называется коэффициентом прозрачности атмосферы и определяет долю солнечной радиации с длиной волны , которая достигает поверхности Земли при перпендикулярном падении солнечных лучей. В гелиотехнике обычно используется средний по солнечному спектру индекс прозрачности атмосферы, или индекс ясности, , имеющий сходный с смысл: он представляет собой отношение лучистой энергии, пришедшей на горизонтальную земную поверхность за определенный период времени, к энергии, поступившей за этот же период времени на такую же поверхность, расположенную вне атмосферы. Наиболее ясные дни характеризуются 0,8 (доля рассеянного излучения составляет 0,2). В среднем, в солнечные дни с небольшой облачностью 0,5.

Как и для горизонтальной поверхности, суточная облученность W, то есть полная энергия солнечного излучения, которая приходит на единицу площади поверхности солнечного приемника за день, складывается из прямого и рассеянного излучения. Для наклонной поверхности она тоже изменяется в зависимости от широты местности и времени года. При этом сезонные изменения определяются вариациями продолжительности дня, ориентацией приемной площадки, поглощением в атмосфере. Для получения максимального количества солнечной энергии солнечный приемник должен быть по возможности расположен перпендикулярно направлению потока солнечного излучения, т.е. угол падения должен быть равен нулю, однако это возможно лишь при наличии системы слежения за Солнцем. В солнечных установках с неподвижным приемником нулевой угол падения достигается лишь в отдельные часы отдельных дней, поэтому обычно выбирают оптимальные азимут и угол наклона солнечного приемника с точки зрения максимума прихода солнечного излучения на его поверхность за тот или иной период. Оптимальным азимутом солнечного приемника при отсутствии на местности затеняющих объектов является = 0, т.е. ориентация приемника на юг. Оптимальный угол наклона приемника для систем, работающих круглогодично, в первом приближении равен широте местности; для установок, работающих лишь в теплое время года он на 10:15° меньше, а в холодное, соответственно, больше широты.

Рис. 3. Характеристики ориентации поверхности солнечного приемника: — угол падения солнечного излучения, _Z — зенитный угол, — угол наклона поверхности, — азимут, 1 — нормаль к горизонтальной плоскости, 2 — нормаль к наклонной плоскости.

1.2. Комплекс стандартных актинометрических наблюдений

Измерение потоков солнечного излучения производится пиргелиометрами, актинометрами и пиранометрами. На метеостанциях России (и ранее — СССР), на которых проводятся наблюдения за составляющими радиационного баланса, используется как стандартная аппаратура, так и приборы, разработанные и исследованные в геофизических обсерваториях [9]. Однородность рядов актинометрических данных обеспечивается использованием однотипных приборов и их тщательной градуировкой, а также одинаковой методикой измерений и обработки данных. В качестве приемников интегральной солнечной радиации (<4 мкм) на сети актинометрических станций СССР были приняты приборы Ю.Д. Янишевского: для прямой радиации — актинометр М-3, для рассеянной и отраженной от земной поверхности радиации — пиранометр М-80М, для радиационного баланса — балансомер М-10М. После распада СССР производство отечественных актинометрических приборов было практически прекращено, что привело к частичному свертыванию сети актинометрических измерений. Ряд метеостанций использует для измерений импортные приборы (преимущественно Kipp & Zonen), однако их высокая стоимость не способствует массовому применению. В последние годы специалистами ГГО им. А.И. Воейкова совместно с белорусским ОАО разработан комплект актинометрических средств измерений, являющихся модификацией приборов конструкции Ю.Д. Янишевского, проведены их испытания в Госстандарте РФ [10]. Выпуск приборов начат ОАО «Пеленг».

Ежемесячно актинометрические приборы поверяются по контрольному актинометру, который в свою очередь, каждые 1:2 года градуируется по Российскому эталону (пиргелиометру ГГО), регулярно сравниваемому с Европейским радиационным эталоном в Давосе. Такая система поверки позволяет избежать в актинометрических данных систематических ошибок. Радиационные данные приведены к шкале МРЭ (Мировой радиометрический эталон), рекомендованный Всемирной метеорологической организацией (ВМО) в 1981 году.

Исчерпывающим набором измеряемых актинометрических величин, дающих основу для оценки потенциала солнечной энергии, является следующий [11]:

1. Солнечное сияние:

Часовые суммы прямой солнечной радиации, поступающей на нормальную к лучу поверхность при средних условиях облачности.
Часовые суммы прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность при средних условиях облачности.
Часовые суммы рассеянной, суммарной, отраженной и поглощенной солнечной радиации при средних условиях облачности.
Средние, максимальные и минимальные суточные суммы суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность.
Параметры временнoго распределения суточных сумм суммарной солнечной радиации и статистические характеристики суточных сумм за каждый день месяца.
Средние, максимальные и минимальные месячные и годовые суммы прямой солнечной радиации, поступающей на нормальную к лучу поверхность.
Средние, максимальные и минимальные месячные и годовые суммы прямой, рассеянной, отраженной, поглощенной и суммарной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, а также параметры временнoго распределения этих величин (среднее квадратичное отклонение, коэффициент вариации, коэффициент асимметрии, коэффициент эксцесса).

3. Альбедо подстилающей поверхности и параметры временнoго распределения средних месячных и годовых его значений.

Рис. 4. Годовые суммы (1) суммарной радиации (Q), продолжительности солнечного сияния (ПСС) и их пятилетние скользящие средние (2). 3 — линия тренда [9,11]

1.3. Проблемы определениягелиоэнергетических ресурсов территорий на основе наземных измерений. Характеристикивременной и пространственной изменчивости падающейсолнечной радиации

Исчерпывающее описание на основе данных наземных измерений радиационного режима, необходимое для оптимизационных гелиоэнергетических расчетов, сопряжено с определенными трудностями. Во-первых, как указывалось выше, количество актинометрических станций на территории России относительно малo, во-вторых, число измеряемых характеристик солнечной радиации на них ограничено. При редкой сети станций зона экстраполяции актинометрических данных в пункты размещения гелиоустановок в большинстве случаев превышает зону репрезентативности актинометрических станций. Поэтому интерполяция и экстраполяция актинометрических данных — важнейшая задача для специалистов-географов.

1.3.1. Характеристики временной структуры рядов солнечной радиации

При вычислении средних многолетних сумм солнечной радиации необходимо выбрать величину периода осреднения рядов актинометрических наблюдений, на которую кроме временной изменчивости влияет степень однородности имеющихся наблюдений и практическая потребность в точности средней суммы. Анализ, проведенный на материале наблюдений актинометрических станций [12], показал, что исходные ряды солнечной радиации имеют не исключенные погрешности, которые возникают из-за инструментальных ошибок, а также вследствие микроклиматических различий. Для месячных сумм суммарной и рассеянной радиации эти погрешности составляют 3:5% в теплый период года и 8:10% в холодный период, для радиационного баланса и прямой радиации — 15:20% в течение года. Ошибки исходных рядов суточных сумм суммарной радиации, полученных путем непрерывной регистрации самописцами, составляют 10:15%. Другие виды радиации в теплый период имеют такие же погрешности, зимой ошибки выше. Если указанные погрешности месячных и годовых сумм солнечного излучения принять за критерии целесообразности точности средних, то при доверительной вероятности 0,9 для солнечной радиации необходимая длина ряда данных составит 30:35 лет, а при вероятности 0,68 достаточно 10-летних рядов. Расчеты показывают, что такие и даже более короткие ряды дают ошибку среднего не более 5:6%, т.е. не выходящую за пределы точности исходных рядов. Средние многолетние значения (нормы) являются основой для построения карт сумм солнечной радиации, наглядно отражающих общие закономерности распределения радиации по территории. Карты месячных сумм прямой и суммарной радиации приведены в, частности, в работе [13].

Кроме средних значений потребителю необходимо располагать сведениями об изменчивости падающей солнечной радиации в отдельные годы и дни. Возможные пределы отклонений оцениваются по экстремальным данным. Однако экстремумы не являются фиксированными значениями и зависят от объема выборки. Абсолютный максимум и минимум характеризует наибольший и наименьший приход радиации за весь период наблюдений. Для получения достоверных абсолютных значений экстремумов необходимо наличие достаточно длинных рядов. Анализ распределения средних суточных максимумов суммарной радиации по территории европейской части России (по данным наземных актинометрических измерений) дает четкую зависимость от широты — возрастание с севера на юг. Средний суточный минимум также имеет широтное распределение. Однако эта зависимость справедлива только для горизонтальной поверхности и даже для нее может нарушаться из-за влияния особенностей циркуляции воздуха в атмосфере и структуры облачности.

Изменчивость суточных, месячных и годовых сумм радиации количественно оценивается средним квадратичным отклонением . Эта статистическая характеристика необходима при анализе достоверности аномалий радиации, установлении однородности ее поля, а также может использоваться как критерий оценки предельных ошибок пространственной корреляции (в случае однородного поля). Средние квадратичные отклонения месячных или среднемесячных суточных сумм радиации ( ₃₀) характеризуют межгодовую изменчивость, отклонения суточных сумм ( ₁) — межсуточную. Последняя по данным актинометрических станций в 3:4 раза больше межгодовой. Исследования показали, что по территории России средние квадратичные отклонения месячных и суточных сумм солнечного излучения изменяются мало и в условиях равнины остаются практически постоянными на расстоянии до нескольких сотен километров, что позволяет интерполировать их в условиях редкой сети актинометрических станций с небольшой погрешностью.

Коэффициенты асимметрии и эксцесса

Причиной асимметрии временных рядов солнечной радиации является наличие пределов: с одной стороны — нуля, с другой — максимально возможных сумм (при безоблачном небе). Мода (точка максимума плотности) асимметричного распределения может быть меньше медианы — его среднего значения (положительная асимметрия) или больше (отрицательная асимметрия). Распределение может быть островершинным или плосковершинным, если в области, лежащей вблизи среднего значения, наблюдается непропорционально большое или малое число случаев. Это указывает на наличие положительного или отрицательного эксцесса, соответственно. Ценность коэффициентов асимметрии и эксцесса состоит в том, что они выражают основные особенности эмпирических распределений и позволяют рассчитать параметры аналитического выражения при аппроксимации распределений.

Средние многолетние суммы, как отмечено выше, являются необходимыми, но недостаточными энергетическими характеристиками солнечной радиации. В работах по оценке обеспеченности территории СССР ресурсами солнечной энергии [13, 14] проводился анализ статистических характеристик суточных сумм суммарной солнечной радиации в целях районирования территории страны по типам распределения. Для их идентификации использовались коэффициенты асимметрии и эксцесса, их сочетания, суточные суммы суммарной радиации и их изменчивость. Было выделено шесть характерных для территории СССР типов распределения [15]: I — нормальное; II — положительно асимметричное; III — положительно асимметричное, островершинное; IV — отрицательно асимметричное, V и Vа — отрицательно асимметричное, островершинное, VI — бимодальное и VIа — симметричное, плосковершинное, VII — не вошедшие в классификацию горные районы (рис. 5).

1.3.2. Пространственная корреляция сумм солнечной радиации

Как один из методов решения проблемы недостаточности актинометрических данных в [13] было предложено обратиться к осреднению продолжительности солнечного сияния (сеть гелиографических станций в 4:5 раз гуще актинометрической), а затем, используя ее корреляцию с суммарной солнечной радиацией, определить последнюю. Осреднение было выполнено интерполяцией в узлы координатной сетки имеющихся данных по 1100 станциям о средней многолетней продолжительности солнечного сияния [5]. Были построены карты (масштаб 1:7500000) для четырех месяцев (январь, апрель, июль, октябрь), причем каждая карта была разбита на 5-градусные трапеции (144 трапеции к югу от 70°с.ш.)³. Величина продолжительности солнечного сияния SS для трапеции получались усреднением ее значений в узлах сетки, являющихся вершинами трапеции. Месячная сумма суммарной солнечной радиации Q оценивалась по эмпирической формуле Ангстрёма

где Q₀ — средняя многолетняя месячная сумма суммарной радиации на поверхности Земли при безоблачном небе; SS — измеренная, а SS₀ — астрономически возможная продолжительность солнечного сияния для данной точки, коэффициент а характеризует долю суммарной радиации, пропущенную облаками, а коэффициент b — долю задержанной облаками суммарной радиации. Результаты расчетов — карты средних по площади 5-градусных трапеций месячных сумм суммарной солнечной радиации — иллюстрирует рис. 6. По оценке [13] отличие данных, полученных усреднением только по сети актинометрических станций, от описанных выше расчетов средней по площади 5-градусной трапеции месячной суммы суммарной радиации для зимнего периода составляет 8:20%, а в остальное время — 8:9%.

Отметим, что существуют и другие методы оценки прихода солнечной радиации на поверхность земли, связанные с использованием процедур экстраполяции и интерполяции имеющихся данных метеостанций. Потребителю солнечной энергии важно знать величину ошибки использования в интересующей его местности данных ближайшей, а иногда и весьма отдаленной актинометрической станции, т.е. количественную оценку ошибки экстраполяции. При экстраполяции суточных сумм суммарной радиации на расстояние 100 км погрешность суточной суммы составляет [13]:

Для пункта, удаленного от метеостанции на 200 км, погрешность составит соответственно 0,8:1,5 и 4,6:4,8 МДж/м² за сутки. Для 300 км эти цифры возрастут уже для условий июля до 6,1:6,5 МДж/м² за сутки. Указанные погрешности были сопоставлены со значениями суточных сумм суммарной радиации, полученными из данных актинометрических измерений, проводимых в Метеообсерватории МГУ им. М.В.Ломоносова. При средних значениях суточных сумм суммарной солнечной радиации в январе 1,98 МДж/м² (период осреднения 1958:2000 гг.) ошибки экстраполяции на 100 км составляют 30:45%, на 200 км — 40:75%. Средние значения сумм суммарной суточной солнечной радиации за июль в тот же период осреднения составили 18,9 МДж/м², а погрешности экстраполяции на 100 км — 19%, на 200 км — 25%, на 300 км — 35%, что, безусловно, сказывается на точности проектирования, выборе оборудования и режимов работы гелиоустановки, а также прогнозах количества получаемой энергии.

Для практических задач целесообразно применять линейную интерполяцию сумм радиации по двум точкам. По оценкам, полученным для умеренных широт европейской части страны [13], интерполяция на середину расстояния между станциями (до 400 км) уменьшает ошибки по сравнению с экстраполяцией в 1,5:2 раза для суточных сумм радиации и в 2:2,5 раза для среднемесячных суточных сумм.

Ошибки экстраполяции осредненных за месяц суточных сумм суммарной радиации (МДж/(м²сут))

Сравнение ошибок экстраполяции с погрешностью измерений показывает, что в условиях европейской части страны расстояние между станциями, на котором ошибка интерполяции не превышает ошибку определения сумм в пункте наблюдений, изменяется от 50:80 км зимой до 80:130 км летом. Отсюда следует, что данные наблюдений на существующей сети актинометрических станций можно распространять на другие пункты с однородными условиями подстилающей поверхности и прозрачности атмосферы, расположенные в пределах 50:130 км. Для пунктов, удаленных от станции актинометрического наблюдения на бoльшие расстояния, необходима интерполяция данных двух или нескольких близлежащих метеостанций. При расстоянии между метеостанциями более 500 км, что характерно для большей части азиатской территории России, погрешность и интерполированных данных достаточно высока, что делает их для инженерных расчетов солнечных установок непригодными. Тем не менее, путем интерполяций с учетом территориальных вариаций превалирующих видов облачности, состава, количества и свойств атмосферного аэрозоля, альбедо подстилающей поверхности, уровня загрязненности атмосферы и других факторов в ГГО были составлены карты распределения солнечной радиации по территории СССР, и проведено районирование территории по условиям обеспеченности ресурсами солнечной энергии.

При районировании территории бывшего СССР на основе полученных данных [12] материковая часть территории СССР, расположенная южнее 70°с.ш. делилась на 10-градусные широтные зоны, которые для учета зональности физико-географических условий рассматривались отдельно в пределах пяти регионов СССР: Европейская часть страны (Кавказ — до 1000 м над уровнем моря), Средняя Азия, Урал и Западная Сибирь, Восточная Сибирь, Дальний Восток. Материковая часть территории СССР севернее 70°с.ш. и острова арктического бассейна были выделены в отдельный район без деления в меридиональном направлении. Всего таким образом было выделено 11 зон. Одновременно был сформирован комплекс радиационных показателей, отражающих многолетний режим, изменчивость и особенности суточного хода солнечной радиации:

Первым показателем для каждого района принималась сумма суммарной солнечной радиации за четыре месяца (январь апрель, июль, октябрь).
В качестве второго показателя для каждого района взято отношение годовой суммы прямой радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, к годовой сумме суммарной радиации.
Третий показатель, учитывающий внутримесячную изменчивость суммарной радиации, — тип распределения суточных сумм суммарной солнечной радиации. В порядке убывания приоритета типы распределения следуют следующим образом: отрицательно асимметричное островершинное, отрицательно асимметричное, нормальное, бимодальное, положительно асимметричное, положительно асимметричное островершинное.
Число часов суммарной радиации со средней часовой мощностью более 600 Вт/м² в годовой совокупности многолетних суточных сумм солнечного излучения выбрано в качестве четвертого показателя для учета особенностей суточного изменения энергетического уровня радиации [14].
В качестве пятого показателя использовалась относительная характеристика межгодовой изменчивости — коэффициент вариации годовых сумм суммарной радиации, отражающий степень устойчивости радиационного режима из года в год.

Ранжирование районов по обеспечению ресурсами солнечного излучения с учетом веса выбранных показателей выполнялось с использованием алгоритма [16]. По результатам расчетов районам были присвоены номера в соответствии с приоритетом потенциала солнечной энергии (рис. 8).

Наибольшим потенциалом солнечной энергии обладали южные районы СССР — Средняя Азия (1), юг Европейской части России (2) и юг Дальнего Востока (3). Выполненное ГГО им. А.Е. Воейкова районирование явилось ценным опытом решения задачи определения степени обеспеченности различных регионов ресурсами солнечного излучения. Появившиеся в последние годы новые источники метеорологической информации, основанные, в частности, на многолетних спутниковых наблюдениях за поверхностью земного шара, предоставили возможность получить более детальные актинометрические данные, которые могут быть использованы для оценки ресурсов солнечного излучения.

³ Трапеции не являются равновеликими по площади, т.к. длина дуги, соответствующая 1°, на разных широтах различная (на экваторе — 111,3 км, на широтах 30, 50 и 70°, соответственно, — 95.5, 71.7 и 38.2 км.

Источник

https://gisre.ru/useful/atlas/part1