CC BY
142
CARACTERISTICILE RADIATIEI SOLARE PE TERITORIUL REPUBLICII MOLDOVA
ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ МОЛДОВА
THE SOLAR RADIATION CHARACTERISTICS ON THE TERRITORY OF THE REPUBLIC OF MOLDOVA
C. Guta
Rezumat: in lucrare sunt prezentate un §ir de caracteristici ale radiatiei solare, necesare pentru calculele de dimensionare §i economice ale instalatiilor destinate valorificarii acestei forme de energie: intensitatea globala a fluxului de radiatie, unghiul optim de inclinare a suprafetei captatoare §i cantitatea disponibila de energie pentru suprafete fixe §i mobile, care urmaresc soarele dupa una §i dupa doua coordonate.
Cuvinte cheie: intensitatea radiatiei solare, unghi optim de inclinare.
Аннотация: В работе приведены ряд характеристик солнечной радиации, необходимых для технических и экономических расчетов установок, предназначенных для использования энергии солнца: интенсивность суммарного потока радиации, оптимальный угол наклона лучевоспринимающей поверхности и располагаемое количество энергии для неподвижной поверхности и подвижных по одной и по двум координатах поверхностях.
Ключевые слова: интенсивность солнечной радиации, оптимальный угол наклона.
Abstract: In work are given the necessary for technical and economic accounts of solar energy using installations characteristics of solar radiation: the total radiation flow intensity, the optimum inclination angle of the receiving surface and the available energy quantity for a fixed surface and mobile on one and after two coordinates surfaces.
Keywords: solar radiation intensity, optimum inclination angle.
1. INTRODUCERE
Cantitatea de energie solara incidenta pe suprafata unui captator Es se determina cu formula:
Eu SC1gl^Z z (1)
in care Sc este aria captatorului;
Igi - intensitatea fluxului global al radiatiei solare incident pe suprafata capt atoare;
Tz - durata zilnica de functionare a instalatiei;
z- numarul zilelor de functionare.
Pentru dimensionarea §i calculele economice ale instalatiilor de valorificare sunt necesare valorile:
- fluxului global de radiatie,
- duratei de functionare a instalatiei in timpul zilei,
- unghiului optim de inclinare a suprafetei captatoare.
in practica mondiala, pentru diverse localitati sunt elaborate programe de calcul §i prezentate date referitor la fluxul de radiatie in fiecare ora a zilei, peste fiecare juma tate de ora, sau pentru perioade §i mai scurte [1, 2, §.a.].
Fluxul global de radiatie, Igi, solará care nimereçte pe o suprafatä amplasatä arbitrar reprezintä suma a douä componente:
Igi=Iscos6 +Id, (2)
Aici Id este fluxul de radiatie difuzá - rezultatul difuziei, difractiei §i reflectiei atmosferice a
razelor solare;
Is - radiatia directä (care a pástrat directia razei solare), d - unghiul de incidentä a razei pe suprafata în cauzä.
Intensitatea radiatiei globale pe o suprafatä concretä este influentatä de mai multi factori, o parte din care sunt incluçi în valoare unghiului d (latitudine, longitudine, unghi orar, declinatie anotimpalä), alta factori meteorologici (transparenta atmosferei, nebulozitate, temperatura §i umiditatea aerului) incluçi în valorile Id §i Is, apreciate în rezultatul observärilor multianuale organizate §i efectuate de cätre statiile meteorologice [3].
Conform datelor climatologice, Republica Moldova poate fi mpärtitä în trei zone climaterice [4, 5]:
- zona de nord cu centrul în Briceni,
- zona centralä cu centrul în Chi§inäu,
- zona de sud cu centrul în Cahul.
Valorile globale anuale ale radiatiei solare pentru zona de sud sunt cu 3,5 % mai mari, iar pentru cea de nord - cu 5,0 % mai mici decât cele din zona Chi§inäului.
Au fost studiate caracteristicile pentru zona centralä a Republicii Moldova, pentru care s-au determinat caracteristicile radiatiei solare incidente pe suprafete:
- orientate în timpul zilei perpendicular razei solare,
- orientatä în plan vertical dupä unghiul orar,
- amplasatä fix sub un unghi optim.
2. ENERGIA DISPONIBILÄ SUPRAFETEI ORIENTATE PERPENDICULAR RAZEI SOLARE
În tot timpul zilei sunt orientate perpendicular razei solare heliostatele, cu care sunt dotate Centralele Electrice Solare cu ciclul clasic Rankin. În acest caz energia disponibilä va avea valoarea maxim posibilä. Radiatia difuzä constituie 35 % din cea globalä. Variatia
fluxurilor de radiatie în timpul anului este prezentatä pe fig.1. Curbele au un caracter
întrucâtva ne regular, de oarece radiatia este influentatä nu numai de pozitia soarelui dar §i de starea atmosferei: nebulozitate, umiditatea aerului §.a. Maximumul radiatiei are loc în lun ile
iulie august §i nu coincide cu durata maximä a zilei §i inältimea maximä a soarelui, care au loc in iunie.
0,60 0¿0 6,40 J 0,30 0,10 0,00 c
2
2 4 6 S 10 1 luna —c—dSsBsfcs —tHozs —íi—ijil iill
Fig. 1. Variatia radiatiei solare in timpul anului.
Cantitatea anualä disponibilä de energie constituie 6230 MJ. Pentru o Centralä Termoelectricä Solarä cu ciclu clasic cu puterea maximä de 1,0 MW in conditiile Republicii Moldova ar fi necesare heliostate cu suprafata totalä de 6580 m2. Productia anualä de energie electricä a acestei CTES, la randamentul de 12...20 %, ar fi de 1,3...2,2 GWh/an, ceea ce ar permite substituirea a 360...600 mil. m3 de gaz natural pe an §i ar reduce emisiile de gaze cu efect de serä cu 0,7...1,2 kt/an.
3. ENERGIA INCIDENTÄ PE O SUPRAFATÄ ORIENTATÄ ÍN PLAN VERTICAL DUPÄ UNGHIUL ORAR
In unele constructii tehnice este posibilä variatia in timpul zilei a unghiului de inclinare fatä de planul orizontal. Ín acest caz, unghiul de inclinare se va schimba in functie de unghiul orar al soarelui. Pentru zona céntrala a Moldovei, in baza datelor din [3], au fost obtinute formulele de calcul ale inältimii soarelui in functie de or a zilei (vezi tab.1). Eroarea in limitele indicate de timp nu depä§e§te 2,5 0 Unghiul de inclinare al captatorului pentru flecare orä poate fi determinat scäzand valoarea obtinutä dupä formula pentru luna respectivä din 90 0. Íncepand cu unghiul de incidentä Q = 35 0, valorile fluxului util de radiatie sunt reduse de influenta acestuia asupra absorbtantei suprafetei captatoare [6]. De aceea in formula (2) s-a introdus corectia respectivä cQ :
Igi = Is CqcosQ + Ib. (3)
Tabelul 1. Formule de calcul al máltimii soarelui, În grade, pentru oraçul Chi§ináu
Luna Limita de ore Formula
I 9.. 16 a= -1,2222 т2 + 29,422 т- 155,41
II 9.. 16 a= -1,3444 т2 + 3237B т-164,85
III 6.. 16 a= -0,0574 т + 0,6472 т2 +9,8958 т- 72,403
IV 6.. 19 a= 0,0175 т4 - 0,851 т3 + 13,637 т2 -80,33 т+160,56
V 6.. 19 a= 0,0232 т4 - 1,1325 т3 + 18,566 т2 -116,35 т+ 260,08
VI 6.. 19 a= 0,0262 т4 - 1,2798 т3 + 21,156 т2 -135,4 т+ 312,67
VII 6.. 19 a= 0,0225 т4 - 1,0947 т3 + 17,85 т2 -110,63 т+ 245,89
VIII 6.. 1B a= 0,02 т4 - 0,972 т3 + 15,737 т2 - 95,496 т+ 202,43
IX 6.. 17 a= 0,0175 т4 - 0,8391 т3 + 13,263 т2 - 77,04т+ 146,81
X 6.. 16 a= -0,0605 т3 + 0,8685 т2 + 5,9213 т- 57,47
XI 9.. 16 a= -1,2556 т2 + 30,222 т- 157,4
XII 9.. 16 a= -1,1889 т2 + 28,622 т- 152,71
La valorile unghiului de incidentä 6 > |9001 captatorul practic nu functioneazä soarele
va fi „în spatele” captatorului. În afara acestor limite pe suprafata captatoare nimereçte numai radiatia difuzä, care este ne msemnatä. În tab.2 sunt prezentate durata de functionare a captatorului, orientat strict spre sud, pentru fiecare lunä, valoarea medie diurnä pe aceastä perioadä a fluxului global §i cantitatea de energie disponibilä lunar. Durata de functionare pentru lunile calde ale anului - aprilie-septembrie este de 12 ore pe zi. În aceste luni §i intensitatea fluxului disponibil este de 2...3 ori mai mare.
Tabelul 2. Caracteristicile radiatiei solare pe o suprafatä orientatä dupä soare în plan vertical pentru conditiile mun. Chi§inäu
Luna I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Duratá de functionare, h/zi 8,8 10,2 11,8 12 12 12 12 12 12 10,9 9,3 8,4
Valoare medie Igl, kW/m2 0,199 0,218 0,284 0,374 0,421 0,469 0,477 0,451 0,388 0,332 0,178 0,153
Energie disponibilä, MJ/(m2.lunä) 194,9 223,8 374,4 471,8 563,5 607,5 639,4 603,9 502,6 404,4 178,9 143,2
Caracteristicile anuale §i repartizarea lor pe diferite perioade ale anului sunt prezentate in tab.3. Dupa cum se vede din tabel, energia disponibila in perioada calda a anului constituie peste 70 % din total. In perioada de vara sunt disponibile aproape de 40 %, pe cand iarna - ceva mai mult de 10 %.
Tabelul 3. Repartizarea energiei solare pe perioadele anului
3B
Perioada Intensitatea medie, kW/m2 Durata, h Energie disponibila,
MJ/m2 %
Anual 0,341 3998 4908 100
Aprilie-septembrie 0,43 2196 3399 69,3
Vara 0,47 1104 1851 37,7
Iarna 0,19 819 560 11,4
Productia anuala de energie electrica de catre o baterie de elemente fotovoltaice cu randamentul electric 0,15 va fi de peste 200 kWh/m2. Productia anuala a unui captator heliotermic cu randamentul mediu anual 0,4 va fi de cca. 2,0 GJ/m2. Productia unui captator heliotermic ín perioada calda a anului cu randamentul 0,6 va fi de 1,2 GJ/m2.
5,00 4J80 | 4J5ñ » -4,40 4j90
-SO 4® -33 -30 -“Si 0 10 25 30 40 S8
girade
Fig. 2. Influenta deviatiei suprafetei de la directia sud.
Pentru a determina influenta unghiului azimutal asupra intensitatii radiatiei valoarea acestuia s-a schimbat ín limitele (- 40 0)...(+40 0). Influenta deviatiei suprafetei de la directia sud este prezentata pe fig.2. Dupa cum se vede din desen, deviatia spre est cu 20 de grade practic nu influenteaza cantitatea de energie disponibila, pe cand aceea§i deviatie spre vest reduce cantitatea anuala de energie cu peste 6 %, iar deviatia la 40 0 - cu 16 %. Aceasta se lamure§te prin valorile mai mari ale fluxului direct de radiatie ín prima jumatate a zilei §i prin íntarzierea timpului local fata de cel standard pentru localitate.
4. ENERGIA INCIDENTÁ PE O SUPRAFATÁ FIXÁ CU AMPLASARE OPTIMÁ
Amplasarea optima a suprafetei de captare va fi cea care ín ora cu intensitatea maxima a radiatiei directe va fi maxima valoarea lui cosd calculata cu formula [6]: cosG=sinS. sinq>. cosí- sinS. cosq>. sini. cosy+ cosS. cosp.cosi. cosH
+cos8sinpsini.cosH.cosy+ cosô.sini.siny.sinH, (4)
în care:
p este latitudinea locului;
8 - declinatia soarelui;
H- unghiul orar al soarelui;
i - înclinarea planului (unghiul dintre plan §i orizontul locului;
y - unghiul azimutal al planului (deviatia normalei la plan fata de directia sud a meridianului locului, pozitiva catre vest §i negativa catre est).
Formula de calcul a valorii maxime a unghiului optim de înclinare a fost primita prin egalarea cu 0 a derivatei de la formula (4). Rezultatele obtinute în functie de luna anului sunt prezentate pe fig.3. Unghiul de înclinare optim variaza între 24 0 în lunile de vara §i 70 0 în lunile de iarna.
Dependenta cantitatii de energie, in GJ/(m2an), de unghiul de inclinare a suprafetei de captare fata de planul orizontal este prezentata pe fig.4. Valoarea maxima corespunde unghiului de 37 grade. Fata de aceasta valoare scaderea cantitatii de energie, atat la mic§orarea cat §i la marirea unghiului, este simetrica. In practica insa, in major itatea cazurilor factorul decisiv in dimensionarea unghiului de inclinare nu est cantitatea maxima totala de
4„S5
i 4,8 i»
4,7S V
10 2S 38 40 50 68 70
grade
Fig. 4. Variatia cantitatii anuale de energie incidenta pe o suprafata in funche de unghiul de inclinare.
energie, dar cantitatea ei in unele perioade ale duratei de functionare, de altfel se poate obtine energie excesiva in lunile calde, cand ea nu este necesara in a§a cantitati, §i insuficienta in perioada rece.
In „Normele de constructie a instalatiilor solare” [7], introduse in anul 1986 §i ne schimbate oficial pana in prezent, se recomanda urmatoarele valori ale unghiului de inclinare ale suprafetelor de captare a radiatiei:
- pentru instalatiile care functioneaza anul intreg - egal cu latitudinea locala,
- pentru instalatiile de vara - cu 15 0 mai mic decat latitudinea locala,
- pentru instalatiile de iarna - cu 15 0 mai mare decat latitudinea locala.
Tabelul 4. Valorile recomandate ale unghiului optim, in grade, pentru diferite perioade de functionare a captatoarelor
Perioada de functionare Luna
III IV V VI VII VIII IX X XI XII I II
Anual 47
Sezonul cald 40
Vara, iarna, 32 62
Unghiurile pentru latitudinea Chi§inäului de 47 0, determinate dupä metodica relatatä, sunt prezentate in tab. 4. Pentru perioada caldä a anului: aprilie-septembrie s-a luat valoarea medie intre cea anualä §i cea de varä. La determinarea valorilor pentru instalati i concrete se vor lua in consideratie §i particularitätile tehnologice ale acestora. Astfel, captatoarele instalatiilor de uscare preponderent a vi§inilor §i caiselor, care se coc in luna iunie, pot fi amplasate cu unghiul de inclinare 24.. .25 0.
In tab.5. sunt prezentate valorile intensitätii globale medii ale fluxului de radiatie pe suprafetele amplasate sub unghiurile de inclinare indicate in tab.4. In calcule s-a luat in consideratie §i influenta unghiului de incidentä asupra absorbtantei suprafetei.
Tabelul 5. Valorile intensitätii globale medii ale fluxului de radiatie, in kW/m2, pentru diferite perioade de functionare a captatoarelor amplasate sub un unghi de inclinare optim
Perioada de functionare Luna
III IV V VI VII VIII IX X XI XII I II
Anual 0,325
Sezonul cald 0,446
Varä, iarnä, 0,501 0,189
Intensitatea globalä maximä este in luna iulie §i are valoarea de 0,633 kW/m2. Valoarea medie anualä este de aproape douä ori mai micä, pe cänd cea pentru sezonul cald -numai cu 28 %, iar cea de varä cu 22 %, mai micä. Pentru lunile de iarnä ea este insä de peste 3 ori mai micä de cät cea maximä.
Productia anualä a unei baterii fotovoltaice cu randamentul de 15 % va fi de peste 200 kWh/m2, productia pentru perioada caldä - 125 kWh/m2, iar la instalarea ei intr-un lagär de varä cu perioada de functionare iunie-august - peste 80 kWh/m2.
5. ANALIZA COMPARATIVA A RADIATIEI PE SUPRAFETE CU DIFERITE MODURI DE AMPLASARE
Caracteristicile radiatiei disponibile pe suprafete cu diverse tipuri de a mplasare sunt prezentate in tab.6. Dupä cum se vede din tabel, un efect considerabil il are urmärirea soarelui pe douä coordonate - la heliostate. Cantitatea anualä de cäldurä in acest caz este cu 28 % mai mare de cät la amplasarea fixä cu unghiul optim de inclinare. Variatia unghiului de inclinare dupä o singurä coordonatä - pe verticalä, are un efect neinsemnat, cantitatea disponibilä de cäldurä märindu-se cu mai putin de 1 %.
Tabelul 6. Caracteristicile radiatiei solare in conditiile Chi§inäului pe diverse suprafete
inclinare Unghi optim Unghi variabil pe verticalä Heliostat
Luna Energie disponibilä, MJ/m2 Intensitate medie, kW/m2 Energie disponibilä, MJ/m2 Intensitate medie, kW/m2 Energie disponibilä, MJ/m2 Intensitate medie, kW/m2
I 187 0,188 190 0,199 213 0,215
II 219 0,213 222 0,218 275 0,240
III 374 0,280 375 0,284 436 0,331
IV 472 0,364 477 0,368 604 0,400
V 562 0,420 564 0,421 727 0,433
VI 587 0,461 618 0,469 841 0,475
VII 622 0,472 649 0,477 848 0,489
VIII 604 0,451 617 0,453 788 0,494
IX 503 0,394 510 0,388 666 0,473
X 399 0,327 404 0,332 471 0,385
XI 171 0,170 179 0,178 201 0,192
XII 135 0,144 143 0,153 152 0,159
Anual 4871 0,313 4908 0,324 6230 0,357
Acest factor se vede §i pe fig.5, unde curbele primelor douä amplasäri aproape cä coincid. Din acest grafic se vede cä in orele amiezei intensitätile fluxului de radiatie pentru
Fig. 5. Variatia intensitätii fluxului disponibil de radiat ie in timpul zilei (luna iulie).
toate trei amplasäri aproape cä coincid. La heliostate cä§tigul este pe contul orelor de pänä §i
de dupâ amiazâ, pe când la celelalte douâ variante, dimpotrivâ - o coincidentâ totalâ se observâ în orele de dimineatâ §i searâ, ceea ce se lâmureçte prin influenta asupra fluxului de radiatie a unghiului orar al soarelui.
În varianta cu variabilitatea unghiului pe verticalâ în perioada caldâ a anului se observâ o deosebire mai pronuntatâ fatâ de cea cu amplasare fixâ. Astfel, în perioada mai-septembrie câçtigul de energie prin variatia înclinârii este de cca. 6 %, iar în lunile iunie-august - peste 8 %. Prin urmare, aceastâ variantâ poate fi recomandatâ pentru instalatiile de uscare.
CONCLUZII
1. Variatia fluxului global al radiatiei solare fatâ de zona centralâ a Republicii Moldova este de 3,5...5,0 %.
2. Pentru zona centralâ a Republicii Moldova au fost determinate §i prezentate sub formâ de tabele valorile fluxurilor globale de energie necesare pentru calcularea helio statelor, captatoarelor solare fixe, amplasate sub un unghi optim de înclinare §i a captatoarelor cu unghi de înclinare variabil în timpul zilei.
3. Pentru zona de centru a Republicii Moldova au fost determinate §i prezentate în formâ graficâ valorile unghiului optim de înclinare a captatoarelor în functie de luna anului.
4. Cantitatea anualâ de câldurâ disponibilâ suprafetei heliostatelor este cu 28 % mai mare de cât suprafetelor amplasate fix, sub un unghi optim de înclinare.
5. Variatia unghiului de înclinare dupâ o singurâ coordonatâ - pe verticalâ, are un efect neînsemnat, cantitatea disponibilâ de câldurâ mârindu-se doar cu cca. 1 %, în lunile de varâ câçtigul de energie însâ constituie peste 8,5 %; prin urmare, aceastâ variantâ poate fi recomandatâ pentru instalatiile de uscare.
REFERINTE
[1]. Puri V.M. Estimation of hale-hour solar radiation values from hourly values. “Solar
Energy”, 1978, 21, nr. 5, -p. 409-414.
[2]. Garg HP, Dayal M., FurlanG., Saiygh A.A.M. A program for calculation solar
radiation in tropical climates on small computers. Physics and Technology of Solar
Energy, Vol.1. 609 p.
[3]. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сєрия 3. Части 1 - 6, вып. 11.
Гидрометеоиздат, Ленинград. 1990. -с.192.
[4]. Лассе Г.Ф. Климат Молдавской ССР. Гидрометеоиздат, Ленинград. 1990. -с.375.
[5]. Борзунов Л.В., Болога М.К., Коротун В.Н. Энергетические характеристики
солнечного режима Молдавии. «Штиинца». Кишинев. 1962. -с. 46.
[6]. Duffie JA., Becman WA. Solar engineering of thermal processes. John Wiley & Sons,
Inc. New York. 1991, p.920.
[7]. Ведомственные строительные нормы. Установки солнечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования. ВСН 52-86.
Gutu Corina, a absolvit Facultatea Energeticä a UTM în a.2000, calificarea - inginer-manager. Activeazä din a.2000 pânâ în prezent în functie de inginer la ICS "RE Chisinau" SA Grupul Union Fenosa. În anii 2000-2003 a lucrat prin cumul ca lector-asistent la catedra IME a UTM. Din anul 2002 este doctorand la Institutul de Energeticä al Academiei de Çtiinte a Republicii Moldova. Autor a 12 publicatii. E-mail: [email protected]
