CC BY
26Статья поступила в редакцию 03.07.13. Ред. рег. № 1706
The article has entered in publishing office 03.07.13 . Ed. reg. No. 1706
УДК 662.997: 662. 93(44)
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
В АЗЕРБАЙДЖАНЕ
О.М. Саламов, А.М. Гашимов, Ф. Ф. Алиев1
Институт Радиационных Проблем НАН Азербайджана ул. Б.Вахабзаде, 9, г. Баку, AZ 1143, Азербайджан Тел: (99412) 539 32 24, доп. 125, факс: (99412) 539 83 19, e-mail: oktay_dae@mail.ru Международная Экоэнергетическая Академия ул. М.Арифа, 5, г. Баку , AZ 1073, Азербайджан Тел: +99 412 538 2370, факс: +99 412 538 5122, e-mail: ie_academy@yahoo.com
Заключение совета рецензентов: 08.07.13 Заключение совета экспертов: 13.07.13 Принято к публикации: 18.07.13
В работе рассматриваются возможности использования энергии солнца в условиях Азербайджана. Были определены месячные и годовые значения суммарной солнечной радиации (ССР), а также числа часов солнечного сияния (ЧЧСС). В результате обработки метрологических данных, территория Азербайджана разделена на четыре зоны - А, Б, С и Д. Причем радиационный режим Д относится только к Нахичеванской Автономной Республике, а режимы А, Б и С - к основной территории Азербайджана. Для всех четырех зон были определены месячные и годовые значения эффективного излучения от земной поверхности, альбедо подстилающей поверхности, а также отраженная и поглощенная коротковолновые радиации.
Ключевые слова: солнечная радиация, интенсивность солнечной радиации, прямая, диффузная и суммарная солнечные радиации, альбедо, эффективное излучение земной поверхности, радиационный баланс, поглощенная радиация, часы солнечного сияния, несолнечные дни, угол наклона солнца.
PERSPECTIVES OF SOLAR ENERGY USE IN AZERBAIJAN O.M. Salamov, A.M. Hashimov, F.F. Aliyev1
Institute of Radiation Problems of ANAS B.Vahabzadeh, 9, Baku, AZ 1143, Azerbaijan Tel: (99412) 539 32 24, add. 125, fax: (99412) 539 83 19, oktay_dae@mail.ru 'International Ecoenergy Academy M. Arif, 5, Baku, AZ 1073, Azerbaijan Tel: +99 412 538 2370, fax: +99 412 538 5122, e-mail: ie_academy@yahoo.com
Referred: 08.07.13 Expertise: 13.07.13 Accepted: 18.07.13
The work studies the possibilities of solar energy use in the territory of Azerbaijan. It has been defined monthly and annual values of total solar radiation (TSR), and also amount of solar radiation hours (ASRH). As the result of processing of metrological data, the territory of Azerbaijan has been divided into 4 zones: A, B, C and D. Moreover, radiation mode D belongs only to the Nakhichevan Autonomous Republic, but A, B and C zones - to the main territory of Azerbaijan. For each four zones it has been determined monthly and annual values of effective radiation from Earth surface, albedo of underlying surface, and also reflected and absorbed short-wave radiation.
Keywords: solar radiation, intensity of solar radiation, direct, diffusive and total solar radiations, albedo, efficient radiation of earth surface, radiation balance, absorbed radiation, sunshine hours, non-solar days, sun inclination.
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, профессор, доктор наук Международной Эко-энергетической Академии по развитию альтернативной энергетики, ведущий научный сотрудник Института Радиационных Проблем Национальной Академии наук Азербайджана, доцент Азербайджанского Технического Университета.
Образование: электротехнический факультет Азербайджанского Технического Университета (1973 г.).
Область научных интересов: солнечная и ветровая энергетика, математическое моделирование альтернативных энергоустановок различного назначения, водородная энергетика и теплоэнергетика, в частности, горячее водоснабжение и теплоснабжение с применением комбинированных солнечно-ветровых энергоустановок, разработка следящих систем для автоматического наведения концентрирующих зеркал на солнце, антикоррозионных систем для катодной защиты Октай металлических сооружений от электрохимической и электрической коррозии, а также оптимизи-
Саламов рующих, дозирующих и защитных устройств различной модификации.
Публикации: 160 работ, в том числе 40 изобретений, на которые получил авторские свидетельства в СССР, а также патенты РФ и Азербайджанской Республики.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Ранее нами были рассмотрены возможности использования энергии ветра в условиях Азербайджана. Были изучены ветровые режимы как на высоте установления флюгера к = 10 м, так и на высотах до 150 м и выше, в частности были определены среднемесячные и среднегодовые скорости ветра, амплитуды суточных колебаний, главные минимумы по месяцам, скорости порывистых ветров при различных высотах, повторяемости скоростей ветра, а также длительности энергетического затишья [1].
Целью настоящей работы является изучения теплового баланса Земли и околоземной атмосферы, в том числе распределение отдельных параметров солнечной радиации по территории Азербайджана. С учетом многочисленных измерений установлено, что годовые значения суммарной солнечной радиации (ССР) на единице горизонтальной площади Земли, в
зависимости от местности, меняются в пределах от 1350-2000 кВт-ч/м2. Это означает, что в отличие от ветровой энергии, солнечная энергия по территории Азербайджана распределена почти равномерно и поэтому она может быть с успехом использована на всей территории республики.
Государственным Комитетом по Земле и Картографии Азербайджанской Республики была проведена обработка многолетних измерений часовых и суточных ходов изменения ССР по всей территории республики. После обработки полученных данных был составлен экологический атлас Азербайджанской Республики [2], согласно которому на территории Азербайджана были установлены 10 режимов распределения годовых значений ССР на 1 м2 горизонтальной площади. В табл. 1 приведены данные по распределению ССР по зонам.
Таблица 1
Распределение годовых значений ССР на 1 м2 горизонтальной поверхности Земли
по различным зонам Азербайджана
Table 1
Distribution of annual values of TSR on 1 м2 horizontal Earth surface in different zones of Azerbaijan
Зоны 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ц, кВт-ч/м2 <1438 1438-1485 1485-1531 1531-1578 1578-1624 1624-1670 1670-1717 1717-1763 1763-1810 >1810
В этой экологической карте приведены также результаты районирования территории Азербайджана по среднемесячным и годовым числам часов солнечного сияния (ЧЧСС). По этому показателю территория Азербайджана отнесена к шести зонам, которые условно были обозначены римскими цифрами: I, II, III, IV, V и VI. При этом годовые значения ЧЧСС для этих зон составляют, соответственно <2000; 2000-2200; 2200-2400; 2400-2600; 2600-2800 и >2800 ч/год.
Однако разделение территории Азербайджана по распределению ССР к 10-ти, а по количеству ЧЧСС -к 6-ти зонам значительно затрудняет проведение сопоставительного анализа этих зон даже по этим двум показателям радиационного баланса. Для возможности облегчения процесса сопоставления данных, касающихся отдельных зон республики по различным параметрам солнечного баланса, желательно было бы по ЧЧСС также разделить территорию Азербайджана на 10 зон, или же наоборот, по распределению годичного значения ССР на 1 м2 площади Земли разделить территорию Азербайджана на 6 зон.
В рассматриваемом экологическом атласе при проведении процесса градуировки зоны по годовым значениям ССР, поступающей на единицы площади, между соседними зонами приняты маленькие интервалы (всего лишь 46,4 кВт-ч/м2), что и привело к получению 10-ти зон. По-видимому, это связано с тем, что авторы при составлении данного экологического атласа за базу приняли ранее известные литератур-
ные данные по тепловому балансу Азербайджана [35], в которых также территория Азербайджана по годовому количеству ССР разделена на 10 зон.
Учитывая сложности сопоставления различных параметров солнечного кадастра, при использовании в одном случае 10, а в другом 6 зон, нами предложено разделить территорию Азербайджана всего лишь на четыре зоны: А, Б, С и Д. При этом зоны А, Б и С относятся к большей части республики, а зона Д - к Нахичеванской Автономной Республике (НАР).
Согласно нашему разделению территории Азербайджана, зона А по распределению годовых значений ССР на 1 м2 горизонтальной плоскости соответствует зоне 1 по [2]. В эту зону отнесены северные части Шабрана, Кубы и Кусары, территория Хачмаса - полностью, северные и северо-западные части Са-муха, Шемкира, Тауза, Акстафы и Казаха, а также юго-западные части Белокана, Закаталы, Кахи, вдоль границы с Грузией, и г. Шеки. В зону А входит также значительная часть территории республики, которая начинается от границы Дагестана и, проходя через среднюю полосу Кусары, Кубы, Шабрана, по всей территории Сиязани и весь Апшеронский полуостров, вдоль Каспийского моря, продолжается до самой границы с Иранской Исламской Республикой.
Кроме того, в нашем случае численные значения ССР на 1 м2 горизонтальной площади несколько отличаются от данных [2] и составляют менее 1600 кВт-ч/м2 в год. Все регионы, которые согласно [2] входят в зону 2 по новому распределению, были
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
отнесены к зоне Б, а районы, входящие в зоны 3, 4 и 5, отнесены к зоне С. Для зоны Б и С годовые количества ССР на 1 м2 горизонтальной плоскости составляют, соответственно, от 1600 до 1650 кВт-ч/м2 и от 1650 до 1780 кВт-ч/м2 в год. В зону Д входят все регионы с распределением ССР свыше 1780 кВт-ч/м2 в год, куда входят все районы, отнесенные к зонам 6, 7, 8, 9 и 10, согласно [2]. Разделение территории Азербайджана на четыре зоны оправдывается тем, что суммарная территория регионов, входящих в зоны 6-10, согласно [2], составляет всего лишь 16% от общей территории республики, причем зоны 9 и
10 вместе занимают 2%, зона 8 - 4%, зона 7 - 7%, а зона 6 - 3% территории республики. Как следует из этого, основные ресурсы солнечной энергии сосредоточены в зонах А, Б и С, особенно в зонах Б и С, расположенных в предгорных и равнинных местностях, а также в северном и восточном побережье Каспийского моря.
На территории Азербайджанской Республики, кроме территории НАР, в основном наблюдаются режимы, относящиеся к зонам А, Б и С. Что касается НАР, то на её территории режимы поступления солнечной энергии, также как и ветровой, существенно отличаются от режимов, наблюдаемых в других регионах республики. Согласно [2] режимы 7, 8, 9 и 10 наблюдаются только лишь на территории НАР. Кроме того, режимы 6, 7 и 8 наблюдаются и на узкой полосе северной части республики вдоль границы с РФ (высокогорные места), начиная от южной части Кубы и Кусары до границы с Лагодехой Грузинской Республики. Режимы 6 и 7 наблюдаются также и в западной части Нагорной Карабахской Автономной Области (НКАО) Азербайджана вдоль границы с Арменией. Однако суммарные территории этих зон в сравнении с общей территорией Азербайджана незначительны, и все эти местности являются высокогорными, поэтому, с точки зрения использования солнечной энергии, не представляют большого интереса.
Аналогичным образом по годовому ЧЧСС территория Азербайджана разделена на четыре зоны А, Б, С и Д. При этом зона I по [2] отнесена к зоне А, зона
11 - к зоне Б, зоны III и IV - к зоне С, а зоны V и VI -к зоне Д. Далее по годовому ЧЧСС эти зоны друг от друга были разделены по следующей шкале: зона А - ниже 2000 ч/год, зона Б - от 2000 до 2400 ч/год, зона С - от 2400 до 2800 ч/год, зона Д - свыше 2800 ч/год.
Согласно этому распределению, северо-восточная часть территории Азербайджана и значительная часть НКАО Азербайджана отнесены к зоне А. Все гористые районы, в том числе высокогорные вдоль Большого Кавказского хребта, отнесены к зоне Б, которая, начиная с западного берега Каспийского моря в области Хызы и Гобустана, продолжается до Белакана (до границы с Логадехой Грузии). Кроме того, в эту зону входят также часть территории Казаха, Тауза, Шемкира, Гек-гела, Тертера, Агдама,
Ходжалы, Ходжавенда, Физули, Джебраиля, Кубад-лы и г. Гянджи. Территории ряда районов НКАО Азербайджана, в частности, Ханкенди, Келбаджары, Лачина, а также южные части Кедабека, Дашкесана и Гек-гела тоже относятся к зоне Б. В зону С входят все регионы, расположенные в Миль-Мугамских степях, т.е. в центральной полосе республики вдоль реки Куры и регионы, расположенные на территории Апшеронского полуострова, куда входят два крупных города Сумгаит и Баку, а также Хырдалан, Алятская впадина и т.д. Наконец, в зону Д входят только центральные, западные и северо-восточные регионы НАР Азербайджана.
Помимо того, в некоторых гористых районах республики, часть территории которых находится в предгорных и равнинных местностях, одновременно наблюдаются режимы А, Б и С. Примером этому могут служить все северо-восточные районы республики, в частности Белаканы, Закаталы, Кахи, Шеки, Огуз, Габала, Исмаиллы и т.д., а в некоторых западных (Шемкир, Гек-гёль, Ходжалы, Ходжавенд, Фи-зули и т.д.) и южных (значительная территория Ленкорани, а также соседних районов, расположенных вдоль Талышского хребта) районах одновременно наблюдаются как режим А, так и Б. Все это обусловлено тем, что эти районы имеют сложные рельефные структуры по высоте расположения относительно уровня моря. В работе [5] указано, что минимальные годовые значения ССР в Кубе и в г. Шеки за многолетний период наблюдения составляют, соответственно, 1370 кВт-ч/м2 в год и 1415 кВт-ч/м2 в год. Од- | нако с учетом более современных данных, приведенных в экологическом атласе [2], результатов собственных исследований с обобщением метеоро-
тт с
логических данных Научно-исследовательского института гидрометеорологии и Национального департамента по окружающей среде Министерства экологии и природных ресурсов Азербайджана были установлены более реальные среднемесячные и годовые значения числа часов солнечного сияния и определено, что для всех регионов зоны А фактические годовые значения ССР меняются в пределах 1450-1600 кВт-ч/м2.
По-видимому, получение заниженных данных связано с тем, что эти данные получены из обобщения результатов измерений, проводимых в 1916-1958 гг., когда атмосфера, как г. Баку, так и других крупных городов, в частности, Сумгаита, Мингечаура, Гянджи, Шеки и т.д., была сильно загрязнена различными отходами заводов и фабрик, что повлияло на прозрачности атмосферы, и через неё на другие параметры солнечного кадастра, особенно на годовые значения часов солнечного сияния, на реальные значения прямой, диффузной и суммарной солнечной радиаций, а также на альбедо подстилающей поверхности.
Ещё одной весьма серьезной причиной получения заниженных данных является то, что в те годы на метеостанциях Азербайджана систематическое на-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
блюдение проведено только за прямой радиацией. За рассеянной радиацией и альбедо наблюдение велись всего лишь полтора года, что и привело к допущению значительных ошибок в процессе математической обработки полученных данных. В работах [6] для условий г. Баку это объясняется, отчасти, большим коэффициентом мутности атмосферы, нехарактерным для всего Апшеронского полуострова.
Другой серьезной причиной получения заниженных данных является то, что на высокогорных местностях Азербайджана в те годы не были установлены метрологические станции, а все результаты получены расчетным путем с учетом данных полученных с соседней метеостанции Казбеги, установленной в Восточной Грузии, в центральной части Большого Кавказского хребта на высоте 3660 м над уровнем моря и с метеостанции Сулак, установленной на северо-восточном склоне Большого Кавказского хребта в Дагестане на высоте 2930 м над уровнем моря. В результате проведенных измерений выяснилось, что как на южном склоне Большого Кавказского хребта, так и на его северном склоне в зоне высокогорья величина ССР значительно выше в сравнении с зоной низкогорья и предгорья. Но в целом, это несущественно влияет на возможности использования солнечной энергии в предгорных и равнинных регионах республики.
После установления метрологических станций на южном склоне Большого Кавказского хребта на высотах 500, 2050 и 2650 м над уровнем моря, на северо-западных районах Шеки-Закаталинской зоны (зона Б), определены средние величины градиента изменения радиации от высоты для периода 12-15 ч истинного времени, который составляет +(0,116-0,232) Вт-ч/м2 в минуту на 100 м. Аналогичные измерения проводились также и на Талышском хребте, расположенном на Масалли-Ленкоранской зоне на высотах 80, 1110 и 1750 м над уровнем моря. Определено, что на этом хребте при безоблачном состоянии неба градиент изменения радиации от высоты составляет +0,116 Вт-ч/м2 в минуту на 100 м. Был определен также градиент изменения радиации для сплошной облачности (кучево-дождевая облачность) на северном склоне Муровдагского хребта, расположенном в зоне Гянджи-Дашкесан и НКАО Азербайджана на высотах от 310 до 2090 м. Установлено, что в указанных условиях градиент солнечной радиации в зависимости от высоты меняется в порядке +0,0232-0,0348 Вт-ч/м2 в минуту на 100 м.
Теоретические вопросы определения различных параметров теплового баланса Земли, в том числе радиационного баланса, а также пути определения ошибок, допускаемых при проведении математических расчетов и обработке полученных из расчета данных, подробно рассмотрены в работе [7].
Наиболее отчетливые данные по СРР, характерной для регионов Кавказа, приведены в работе [8], в которой указывается, что наименьшие годовые суммы тепла получают северные склоны Большого Кав-
каза на высоте ~700 м над уровнем моря (Железно-водск, 1311 кВт-ч/м2 в год), а наибольшие - территория Ленкоранского района Азербайджана на высоте от -20 до +37 м над уровнем моря - 1844 кВт-ч/м2 в год. В этой работе приведены также минимальные и максимальные месячные суммы радиации, наблюдаемые, в декабре-январе и в июне-июле, которые составляют, соответственно: 34,8-69,6 кВт-ч/м2 и 197,2-243,6 кВт-ч/м2. В Восточном Закавказье, куда входят все гористые районы Азербайджана вдоль Большого Кавказского хребта, месячные значения ССР в июне-июле составляет 232,0-243,6 кВт-ч/м2. По-видимому, в зависимости от ландшафта для неравномерных и относительно затененных местностей эти данные получены несколько заниженными. Это следует из того, что в этой же работе [8] далее указывается, что летом в указанной области Кавказа суточные суммы радиации на горизонтальной поверхности составляют 8607 Вт-ч/м2. Как показывают результаты измерений ССР на горизонтальной плоскости, проводимые нами на гелиополигоне Института радиационных исследований НАН Азербайджана, данные, которые приведены в работе [4], могут быть приняты как более реальные, в сравнении с данными, приведенными в работах [3-5].
Поскольку в рамках одной статьи невозможно привести ход изменения всех климатических параметров, то в данном случае рассматриваются только лишь те параметры солнечного кадастра, которые непосредственно или же косвенно могут влиять на энергетические характеристики солнечных установок. К числу таких параметров относятся месячные и годовые значения ССР, в том числе прямая и рассеянная радиации, поглощенные и отраженные коротковолновые радиации, альбедо подстилающей поверхности, месячные и годовые значения ЧЧСС, эффективное длинноволновое излучение, радиационный баланс подстилающей поверхности и т.д. Ниже будут подробно рассмотрены годовые ходы изменения всех этих параметров для зоны А, Б, С и Д, а также зависимость их от высоты местности.
, кВт-ч/м2 9,5
7,5
5,5
,1 2
з' !
X
5 25 45
Крутизна склона, град
Рис. 1. Графическая зависимость суточных значений ССР при безоблачном небе от крутизны склона: 1 - северный;
2 - юго-восточный; 3 - южный Fig. 1. Graphic dependence of CSR daily values under cloudless sky on slope angle: 1 - northern; 2 - south-eastern; 3 - southern
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
На рис. 1 приведены зависимости суточных значений ССР при безоблачном небе от крутизны склона, соответственно для северной (кривая 1), юго-восточной и юго-западной (кривая 2) и южной (кривая 3) частей Большого и Малого Кавказа. Как видно, во всех трех случаях по мере повышения крутизны склона суточные значения ССР уменьшаются, и для Южной части эта зависимость имеет более резкий характер, что характеризуется вогнутой формой рельефа и повышением степени затененности при больших значениях крутизны.
Как суточные, так и месячные значения ЧЧСС зависят от продолжительности дня, которая, в зависимости от широты местности, меняется по-разному.
На рис. 2 представлены годовые ходы изменения времени восхода и захода солнца (кривые 1 и 2), продолжительности светлого времени дня (кривая 3) и суточные числа часов солнечного сияния (кривая 4) для широты 40°24' (г. Баку). При этом суточные значения числа рабочих часов были определены с учетом минимальных рабочих часовых значений ССР, достаточных для работы фотоэлектрических источников тока, а также солнечных коллекторов, преобразующих лучистую энергию солнца в тепловую (= 200 Вт/м2).
Время суток, ч 24
16
8 4
2 /
4 и 4 '—г 1
M 3
•o libl >
ytr r Hr >-x
12
продолжительности светлого времени дня, а также с повышением числа несолнечных дней и дней с низкой облачностью. Тем не менее, для г. Баку, входящего в зону А, указанные среднемесячные значения ЧЧСС являются несколько заниженными, хотя для некоторых предгорных районов, входящих в эту же зону, эти данные могут быть приемлемыми как реальные статистические данные.
Tрасч, Тна^ Tср, Тнаигм ч; Тср /Tрасч, %
500
300
100
1
V <-> <-> <\ t ,2
/ X Г/1 ч4 5 \ \ X j \ ¡'З
STT i ¿-> Ж=Ж==Ж-Ж | к-х
Месяц
Рис. 2. Годовые ходы изменения времени восхода (кривая 1) и захода (кривая 2) солнца, продолжительности светлого времени дня (кривая 3) и суточные числа
рабочих часов (кривая 4) Fig. 2. Annual variations of change of sunrise (curve 1) and sunset (curve2) times, duration of daylight time (curve3) and daily numbers of working hours (curve4)
На рис. 3 представлены годовые ходы изменения среднемесячных значений ЧЧСС для условий г. Баку, которые построены по данным, приведенным в работе [5], а также отношение среднего Тср и расчетного Трасч значений ЧЧСС, выраженных на процентах. Численные значения ЧЧСС были определены экспериментальным (для наибольшего, среднего и наименьшего случаев) и расчетным путями.
Как видно, соотношение Тср/Трасч имеет максимальное значение (69%) в июне-августе, а минимальные значения - в январе (31%) и феврале (32%). Подобный ход снижения соотношения Тср/Трасч в зимние месяцы года связан не только с сокращением
0 4 8 12
Месяц
Рис. 3. Годовые ходы изменения среднемесячных значений ЧЧСС для г. Баку: (кривая 1 - расчетная; 2, 3 и 4 - соответственно, для наибольшего, среднего и наименьшего значений; 5 - отношение среднего и расчетного значений продолжительности солнечного сияния в процентах) Fig. 3. Annual variations of change of monthly average values of ASRH for Baku: (curve 1 -calculated; 2, 3 and 4 - respectively, for the highest, average and least values; 5 - relation of average and calculated values of solar radiation duration in percent
На рис. 4 представлены годовые ходы изменения среднемесячных значений ЧЧСС для зоны А, Б и Д, а также соотношение экспериментальных и расчетных значений ЧЧСС для г. Нахичевань, входящего в зону Д. Эти кривые также построены с учетом литературных данных [3-5].
тмнабл, ч; 7"мнабл/Тмрасч,%
м ' ' м / м '
400
300 200 100
- : \ > 3
- / с к 12 С \
>1 J К / к 1 \ Я : :
0 4 8 12
Месяц
Рис. 4. Графики годового хода изменения среднемесячных
значений ЧЧСС для зоны А (кривая 1), Б (кривая 2) и Д (кривая 3), а также соотношений реальных и расчетных значений ЧЧСС для Нахичевани, входящего в зону Д (кривая 4) Fig. 4. Annual variation diagrams of change of monthly average values of ASRH for zones A (curve1), B (curve 2) and D (curve 3), and also relationship of actual and calculated values of ASRH for Nakhchivan, including zone D (curve 4)
0
4
8
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Видно, что если для г. Баку, входящего в зону А, максимальное значение Т™бл/Трасч , наблюдается в июне-августе, которое составляет 69%, то для зоны Д максимальное значение Т™бл/Тмасч , наблюдаемое в августе, составляет 86%, а минимальные наблюдаемые значения в декабре и январе несколько больше (36%) аналогичного показателя для зоны С. Это связано с тем, что все регионы НАР, входящие в зону Д, имеют более чистую атмосферу, по сравнению с регионами Апшерона, а также другими регионами, входящими в зону С. Кроме того, НАР расположена на относительно южной широте (менее 400) с выгодной рельефной структурой и малыми условиями затененности со стороны горных массивов. Обычно такие условия создаются в тех случаях, когда горные хребты с большой высотой располагаются в направлении восток-запад и имеют относительно малые углы склона. Хотя на рис. 1 приведена зависимость суточной суммы радиации от крутизны склона для Юго-Восточного направления (кривая 2), к сожалению, в настоящее время для восточно-западного направления такими данными мы не располагаемся. Однако по логике, в этом случае суточ-
ная сумма радиации должна увеличиваться за счет уменьшения затененности. При этом увеличение как суточного и месячного, так и годового количества ЧЧСС также сильно влияет на повышение величины годового значения ССР на 1 м2 поверхности Земли. Как видно из рис. 4, в зоне Д максимальное значение продолжительности солнечного сияния наблюдается в июле месяце, которое составляет ~370-380 ч. Однако для Нахичевани и других регионов, находящихся в НАР Азербайджана, такие данные являются заниженными, так как среднесуточное количество ЧЧСС в этом случае составляет 11,94-12,26 ч, что примерно на 10-15% меньше реального значения.
Учитывая это, с учетом более современных данных, приведенных в экологическом атласе [2], результатов собственных исследований с обобщением метеорологических данных НИИ гидрометеорологии и Национального департамента окружающей среды Министерства экологии и природных ресурсов Азербайджана были установлены более реальные среднемесячные и годовые значения ЧЧСС, которые приведены в табл. 2.
Среднемесячные и годовые значения ЧЧСС для зоны А, Б, С и Д Азербайджана Monthly average and annual values of ASRH for A, B, C and D zones of Azerbaijan
Таблица 2 Table 2
Зона Район Месяц Годовое значение
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
А Куба 90 90 124 168 208 242 251 250 172 135 100 94 1924
Ленкорань 94 95 112 149 217 273 289 267 174 138 89 95 1932
Б Шемаха 87 92 126 168 261 330 333 332 211 169 113 91 2313
Закатала 106 97 113 172 259 295 309 318 215 193 129 97 2303
С Евлах 109 107 155 191 288 365 359 345 236 181 116 98 2550
Баку 101 98 158 201 309 359 363 354 250 198 117 94 2602
Д Ордубад 107 135 201 233 311 355 402 377 319 276 177 117 3010
Нахичевань 107 135 196 222 301 363 406 397 329 263 169 105 2993
Необходимо отметить, что при определении энергетических показателей солнечных установок без фокусирующих систем, функционирующих на основе ССР, важную роль играют не общие часы солнечного сияния, а реальные рабочие часы, которые должны быть определены с учетом несолнечных дней, что в дальнейшем будет рассмотрено нами на примере Апшеронского полуострова, в частности г. Баку.
Среднемесячные и годовые значения ССР намного зависят от угла высоты солнца, продолжительности дня, прозрачности атмосферы, облачности и альбедо подстилающей поверхности. Высота солнца влияет
также на повторяемости непрерывной продолжительности ЧЧСС при разных градациях времени.
На рис. 5 приведены годовые ходы изменения высоты солнца для разного времени дня. Как видно, для условий г. Баку максимальное значение высоты солнца, наблюдаемое в полдень (в 1300 ч) в июне месяце, составляет 71° 12'. С увеличением высоты солнца количества ЧЧСС и рабочее время солнечных установок, работающих на основе ССР и не снабженных фокусирующими системами, также растет, а экстремальные значения высоты солнца зависят от угла склонения солнца и угла широты местности.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Высота солнца 80
60
40
20
0 2 4 6
10 12 Месяц
Рис. 5. Годовые ходы изменения высоты солнца в течение светлого времени дня: (кривые1, 2, 3, 4 и 5 относятся, соответственно, к 700, 10, 1300, 1600 и 1900 часам дня) Fig. 5. Annual variation of solar height change during daylight: (curves 1, 2, 3, 4 and 5 relate, respectively, to 700, 1000, 1300, 1600, and 1900 hours of the day
Состояние облачности существенно влияет на потоки прямой, рассеянной и ССР. Для больших площадей многолетние усредненные значения ССР от количества облачности могут быть найдены с использованием следующих уравнений [7-9]:
/с = I0 (1 - dn); Iс = 10 [1 -(a + bn)n],
(1)
(2)
где 1С - поток ССР при действительных условиях облачности; (п); /с° - поток ССР при безоблачном небе; п - количество облачности (в долях единицы); й, а, Ь - эмпирические коэффициенты; Ь можно считать постоянным (0,38); коэффициенты й и а зависят
от широты и имеют различные значения для суши и моря (для всех четырех зон Азербайджана можно принимать й = 0,67; а = 0,38).
Сопоставление результатов расчета показывает, что формула (2) обеспечивает более высокую точность и относительная ошибка при этом не превышает 8-10%. Необходимо отметить, что для повышения точности расчета по (2) следует четыре раза в день учитывать состояние облачности неба. Однако даже при обеспечении этих условий, величины ССР для некоторых месяцев получаются заниженными по сравнению с фактическими их значениями.
Для определения ССР необходимо знать по меньшей мере среднемесячные значения суточного прихода прямой и рассеянной радиаций на 1 м2 горизонтальной поверхности, а также среднемесячные значения альбедо на подстилающей поверхности. Для одного и того же региона, в зависимости от характера изменения месячного и годового числа ясных, облачных и несолнечных дней, среднемесячные и годовые значения ССР в различные годы могут отличаться друг от друга.
В табл. 3 приведены числа ясных (Жясн), облачных (М,бл), несолнечных (Жбез с) и рабочих (Жраб) дней, а также среднемесячные суточные количества рабочих часов с учетом (траб) и без учета (требу) нерабочих
дней для зоны С, соответственно, для разных месяцев года. Как видно, в зимние и весенне-осенние месяцы среднемесячные суточные количества рабочих часов с учетом и без учета нерабочих дней существенно отличаются друг друга (например, в январе и декабре месяцах, соответственно, в 1,44 и в 1,41 раза), что объясняется ростом количества дней со сплошной облачностью в эти месяцы.
Таблица 3
Количество ясных, облачных, несолнечных и рабочих дней в месяце, а также среднесуточные количества рабочих часов с учетом и без учета нерабочих дней
для зоны С (на примере г. Баку)
Table 3
Amount of clear, cloudy, non-solar and working days in a month, and daily average amounts of working hours with and without non-working hours for zone C (in example of Baku)
Количество Месяц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Жясн, день 14 11,2 15 19 24 27 29 28 24 21 16 14
Жобл, день 17,0 16,8 16,0 11,0 7,0 3,0 2,0 3,0 6,0 10,0 14,0 17,0
Жбез с, день 9 8,4 7,2 3,8 1,2 0,2 0 0,2 1,2 4 6,5 9,4
Жраб, день 22,0 19,6 23,8 26,2 29,8 29,8 31,0 30,8 28,8 27,0 23,5 21,6
_с уч Траб , ч 6,2 7,7 8,2 10,1 11,2 12,6 12,1 11,6 10,2 9,4 7,9 6,6
_без уч V ^ ч 4,4 5,4 6,3 8,8 10,8 12,5 12,1 11,5 9,8 8,2 6,2 4,6
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Таблица 4
Месячные и суточные значения прихода прямой, рассеянной и суммарной солнечных радиаций на горизонтальную и наклонную поверхностей для г. Баку, входящего в зону С
Table 4
Monthly and daily values of direct, scattered and total solar radiations on horizontal and sloped
surfaces for Baku, which belongs to C zone
Параметр, Вт/м2 Месяц Годовое значение, кВт-ч/м2
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
(4р )гп 718 906 1613 2650 3963 4872 4493 3710 2610 1544 812 533 -
(ip )гп 845 1146 1688 2541 2457 2416 2335 2059 1780 1373 936 784 -
(1 сум )ГП 2235 3458 4821 6038 6733 7106 6789 5969 4657 3694 2235 1779 -
(1 сум )ГП 69,3 96,8 149,5 181,1 208,7 213,2 210,4 185,0 139,7 114,5 67,1 55,1 1690,0
(Лум )НП 3017 4323 5544 6098 6150 6253 5906 5790 5449 5319 3777 3078 -
(Лум )НП 93,5 122,1 171,9 182,9 190,7 187,6 183,1 179,5 163,5 164,9 113,3 95,4 1848,4
В табл. 4 приведены наиболее реальные количества среднесуточных приходов прямой, рассеянной и ССР на горизонтальную и наклонную поверхностей для г. Баку, которые были определены на основе данных метеостанции Министерства экологии и природных ресурсов Азербайджанской Республики, установленной на острове Пираллахи, и экспериментальных измерений, проводимых нами на гелиополи-гоне Института радиационных проблем НАН Азербайджана [10].
Как видно из таблицы 4, для наклонной поверхности (в данном случае угол наклона равен углу широты местности для г. Баку - 40°24'), годовое значение ССР составляет на 158,4 кВт-ч/м2 больше, по сравнению с горизонтальной поверхностью. Такое количество энергии составляет чуть меньше энергии, вырабатываемой в указанной широте в периоды с 15 августа по 15 сентября (162,4 кВт-ч/м2). При этом
среднегодовые значения удельной плотности ССР для рассматриваемых двух случаев составляют, соответственно, 211 и 193 Вт/м2, которые отступают только от аналогичных показателей среднеазиатских стран.
Необходимо отметить, что для регионов, расположенных в зоне С, в том числе для г. Баку и всего Апшеронского полуострова, а также регионов средней полосы республики, расположенных вдоль реки Куры, наблюдается малое значение альбедо подстилающей поверхности, так как в течение всего года оно меняется от 22 (в летние месяцы) до 26% (в зимние месяцы). Это характеризуется тем, что в этих регионах продолжительный снежный покров толщиной более 10 см наблюдается в редких случаях.
В табл. 5 приведены годовые изменения альбедо для всех четырех зон республики.
Таблица 5
Годовые изменения альбедо для выборочных районов зон А, Б, С и Д Азербайджана
Table 5
Annual variations of albedo change for selective regions of A, B, C and D zones of Azerbaijan
Зона Район Месяц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
А Куба 0,45 0,35 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,24
Ханкенди 0,45 0,33 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,25
Б Шуша 0,70 0,70 0,45 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,28 0,50
Сумгаит 0,26 0,25 0,22 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,24
С Ленкорань 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18
Лерик 0,44 0,33 0,24 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,19 0,24
Баку 0,26 0,26 0,23 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24 0,24 0,25
Д Ордубад 0,70 0,60 0,30 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,40
Нахичевань 0,70 0,63 0,33 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,40
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Как видно, в зонах Д и А по сравнению с другими зонами республики в зимние месяцы года альбедо значительно растет, что связано с повышением продолжительности снежного покрова в эти месяцы. Для зоны Б характерен относительно сложный ландшафт, так как в этой зоне имеются как гористые и холмистые, так и равнинные местности. Поэтому в этой зоне по сравнению с зоной С в зимние месяцы альбедо несколько растет. Что касается зоны С, то, как было указано выше, в ней продолжительный снежный покров наблюдается в редких случаях, поэтому зимние (максимальные) и летние (минимальные) значения альбедо мало отличаются друг от друга. В зонах А, Б и Д резкое снижение альбедо в периоды март-октябрь связано также с аналогичным уменьшением отражательной способности за счет изменения степени черноты, следовательно и снижением эффективного излучения от земной поверхности, определяемое как разность между собственными излучениями почвы и атмосферы.
Установлено, что поглощенная радиация весьма чувствительна к величине альбедо, особенно для субтропических зон. Например, в Кура-Араксинской низменности разница в месячных величинах альбедо в 1% приводит к колебанию годовой величины радиационного баланса порядка 23,2-29,0 кВт-ч/м2.
Экспериментальное определение длинноволнового эффективного излучения земной поверхности является сложным процессом, поскольку для этого следует регулярно измерять как температуру почвы в
верхнем слое Земли и атмосферы, так и влажность воздуха, потерю тепла на испарение, теплооборот в почве, коэффициент пропорциональности турбулентного потока тепла и т.д. Для теоретического определения эффективного излучения М.Е. Берлянд и Т.Г. Берлянд предложили следующую формулу [7]:
IЭфф = 10 (1 - cnm )+4s aT3 (ew -0),
(3)
где 5 - коэффициент, характеризующий отличие излучения естественных поверхностей от излучения черного тела, принимаемый в расчетах 0,95; а - постоянная Стефана-Больцмана, равная 8,26Т0-11; Т -абсолютная температура воздуха (в итоге принимается 45аТ = 3 ,48 кВт-ч/мес); с - коэффициент, зависящий от широты места (определяется из графика); п - средняя месячная облачность за дневное время, в долях единицы; т - коэффициент, который характеризует состояние атмосферной массы и для условий Азербайджана может меняется в пределах т = 1,3-1,5 (в расчетах нами принято т = 1,5); 6„ - температура почвы или воды; 6 - температура воздуха на высоте 2 м от уровня Земли.
В табл. 6 приведены численные значения длинноволнового эффективного излучения от поверхности Земли за многолетний период для регионов зоны А, Б, С и Д Азербайджана, определяемые расчетным путем.
Таблица 6
Численные значения эффективного излучения подстилающей поверхности за многолетний период для регионов зоны А, Б, С и Д Азербайджанской Республики
Table 6
Numerical values of effective radiation of underlying surface for a multi-year period for regions of A, B, C and D zones of Azerbaijan Republic
Рельеф Месяц Годовое значение
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Зона А (на примере Хачмасского района)
Суша 34,8 32,5 42,9 56,8 63,8 66,1 67,3 62,6 52,2 39,4 31,3 32,5 582,3
Море 37,2 32,5 38,3 41,8 39,4 39,4 40,6 40,6 46,4 41,8 40,6 40,6 479,1
Зона Б (на примере г. Мингечаур)
Суша 41,8 41,8 41,8 51,0 63,8 68,4 74,2 68,4 53,4 55,7 44,1 42,9 647,3
Море 53,4 52,2 38,3 34,8 37,1 44,1 41,8 44,1 48,7 59,2 55,7 56,8 566,1
Зона С (на примере г, Баку)
Суша 34,8 34,8 41,8 52,2 61,5 69,6 67,3 63,8 53,4 41,8 38,4 38,4 590,4
Море 36,0 31,3 37,1 45,2 41,8 44,1 42,9 41,8 48,7 41,8 38,3 38,3 487,2
Зона Д, (на примере г. Нахичевань)
Суша 40,6 34,8 49,9 58,0 65,0 84,7 88,2 85,8 78,9 62,6 47,6 42,9 738,9
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Таблица 7
Ежемесячные и годовые значения радиационного баланса для выборочных регионовзоны А, Б, С и Д Азербайджанской Республики
Table 7
Monthly and annual values of radiation balance for selective regions of A, B, C and D zones
of Azerbaijan Republic
Рельеф Месяц Годовое значение
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Зона А, Хачмасский район (высота над уровнем моря 30 м)
Суша -1,2 9,3 38,3 61,5 74,2 94,0 95,1 84,7 61,5 29,0 11,6 -2,3 555,6
Море 3,5 19,7 51,0 91,6 116,0 142,7 143,8 127,6 81,2 36,0 4,6 -5,8 812,0
Зона Б, г. Гянджа (высота над уровнем моря 303 м)
Суша 2,3 13,9 41,8 59,2 67,3 89,3 82,4 75,4 55,7 26,7 11,6 0 525,5
Зона Б, Ленкораньский район (высота над уровнем моря - 20 м)
Суша 11,6 30,2 49,9 68,4 83,5 109,0 107,9 96,3 73,1 39,4 18,6 7,0 694,8
Море 8,1 31,3 55,7 89,3 113,7 155,4 149,6 132,2 85,8 44,1 10,4 1,2 877,0
Зона С, г. Баку (высота над уровнем моря 10 м)
Суша 3,5 16,2 41,8 56,8 73,1 96,3 98,6 89,3 65,0 29,0 11,6 1,2 582,3
Зона Д, г. Нахичевань (высота над уровнем моря 878 м)
Суша -22,0 -4,6 31,3 56,8 65,0 87,0 90,5 81,2 63,8 31,3 17,4 -7,0 490,7
Как видно, для зоны Б эффективное излучение как от суши, так и от моря несколько больше, по сравнению с зонами А и С. Это характеризуется тем, что для зоны Б коэффициенты т и п имеют малые, а 5, Т и разность (6№ - 6) - сравнительно большие значения, что связано с ландшафтными характеристиками этой зоны. Что касается Нахичевани, входящей в зону Д, то, как было указано выше, для этой зоны все параметры теплового баланса, в том числе эффективное излучение, имеют большие значения в сравнении регионами других зон, что также связано с ландшафтными характеристиками этой зоны. Однако для всех случаев при облачных погодных условиях эффективное излучение уменьшается и, что характерно, при этом максимум наблюдается после полудня, а минимум - перед восходом солнца.
Другим параметром теплового баланса Земли и околоземной атмосферы, имеющей особую значимость, является радиационный баланс, который определяется как разность между погашенной ССР и эффективным излучением от поверхности Земли. В табл. 7 приведены ежемесячные и годовые значения радиационного баланса на суше и в море для выборочных регионов зоны А, Б, С и Д Азербайджана.
Как видно, чем меньше высоты местности над уровнем моря, тем больше численные значения радиационного баланса. Поэтому в данном случае максимальные значения этого показателя наблюдаются в Хачмасском районе, входящим в зону А и Ленкоранском районе, входящим в зону Б. По-
видимому, кроме высоты местности от уровня моря это зависит и от ландшафтных характеристик этих районов, таких как наличие в одном случае лесных массивов, а также горных и холмистых местностей, а в другом - неорошаемых и солончаковых земельных участков и т. д.
Анализ полученных данных показывает, что наименьшие значения радиационного баланса наблюдаются в районах, расположенных на южном склоне Большого Кавказского Хребта, к числу которых относятся высокогорные части всех районов, начиная от восточной части Кубы до западной части Белока-на, а также некоторые районы, расположенные на высокогорных местностях НКАО Азербайджана, такие как Шуша, Келбаджары, Кубадлы, Лачин и т.д. В Баку и в Сумгаите, в районах, расположенных в Алазанско-Агричайской долине (Шеки, Огуз, Закатала и т.д.), в Казахи, а также во всех регионах Лен-коранской области, куда входят Астара, Лерик, Джа-лилабад, Масаллы и сам Ленкорань, наблюдаются относительно большие значения радиационного баланса.
Из всех параметров теплового баланса земли и околоземной атмосферы с практической точки зрения наиболее важными являются среднемесячные и годовые значения ССР на 1 м2 горизонтальной и наклонной поверхностей. В табл. 8 приведены численные значения этих параметров для выборочных районов зоны А, Б, С и Д.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Таблица 8
Ежемесячные и годовые значения ССР в кВт-ч/м2, для выборочных регионов зоны А, Б, С и Д
Азербайджанской Республики
Table 8
Monthly and annual values of TSR in kW-h/m2 fo r selective regions of A, B, C and D zones
of Azerbaijan Republic
Высота над уровнем моря, м Месяц Годовое значение
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Зона А, Куба
616 Для Г/П 51,1 63,8 103,2 136,9 155,4 183,3 185,6 169,4 128,8 87,0 58,0 46,4 1369
Для Н/П 68,9 79,8 118,7 138,3 139,9 161,3 161,5 164,3 150,7 125,3 98,0 80,3 1487
Для Г/П* 58,7 73,4 113,5 150,6 170,9 192,5 194,9 177,9 141,7 95,7 63,8 53,4 1487
Для Н/П* 79,2 91,8 130,5 152,1 153,8 169,4 169,6 172,6 165,8 137,8 107,8 92,4 1623
Ханкенди
857 Для Г/П 67,3 80,0 109,0 133,4 143,8 178,6 189,1 175,2 133,4 99,8 69,6 59,2 1438
Для Н/П 90,9 100,0 125,4 134,7 129,4 157,2 164,5 169,9 156,1 143,7 117,6 102,4 1592
Для Г/П* 77,4 92,0 119,9 146,7 158,2 187,5 198,6 184,0 146,7 109,8 76,6 68,1 1565
Для Н/П* 104,5 115,0 137,9 148,2 142,4 165,0 172,8 178,5 171,6 158,1 129,5 117,8 1741
Зона Б, Шуша
1304 Для Г/П 69,6 82,4 117,2 141,5 155,4 182,1 185,6 177,5 133,4 102,1 71,9 60,3 1479
Для Н/П 94,0 103,0 134,8 142,9 139,9 160,2 161,5 172,2 156,1 147,0 121,5 104,3 1637
Для Г/П* 80,0 94,8 128,9 155,7 170,9 191,2 194,9 186,4 146,7 112,3 79,1 69,3 1610
Для Н/П* 108,0 118,5 148,2 157,3 153,8 168,3 169,6 180,8 171,6 161,7 133,7 119,9 1791
Сумгаит
- 13 Для Г/П 53,4 65,0 102,1 141,5 175,2 216,9 214,6 192,6 150,8 89,3 59,2 48,7 1509
Для Н/П 72,1 81,3 117,4 142,9 157,7 190,9 186,7 186,8 176,4 128,6 100,0 84,3 1625
Для Г/П* 61,4 74,8 112,3 155,7 192,7 227,7 225,3 202,2 165,9 98,2 65,1 56,0 1637
Для Н/П* 82,9 98,0 129,1 157,3 173,4 200,4 196,0 196,1 194,1 141,4 110,0 96,9 1776
Зона С, Ленкорань (море)
- 20 Для Г/П 59,2 77,7 111,4 141,5 169,4 216,9 208,8 190,2 140,4 95,1 62,6 52,2 1525
Для Н/П 79,9 97,1 128,1 142,9 152,5 190,9 181,7 184,5 164,3 136,9 105,8 90,3 1655
Для Г/П* 68,1 89,4 122,5 155,7 186,3 227,7 219,2 199,7 154,4 104,6 68,9 60,0 1657
Для Н/П* 91,9 111,8 140,9 157,3 167,7 200,4 190,7 193,7 180,6 150,6 116,4 103,8 1806
г. Баку
10 Для Г/П 52,2 68,4 107,9 143,8 176,3 218,1 218,1 201,8 155,4 92,8 60,3 47,6 1543
Для Н/П 70,5 85,5 124,1 145,2 158,7 191,9 189,7 195,7 181,8 133,6 101,9 82,3 1661
Для Г/П* 60,0 78,7 118,7 158,2 193,9 229,0 229,0 211,9 170,9 102,1 66,3 54,7 1673
Для Н/П* 81,0 98,4 136,5 159,8 174,5 201,5 199,2 205,5 200,0 147,0 112,0 94,6 1810
Зона Д, Ордубад
1035 Для Г/П 60,3 80,0 119,5 146,2 169,4 235,5 242,4 234,3 196,0 119,5 76,6 53,4 1733
Для Н/П 81,4 100,0 137,4 147,7 152,5 207,2 210,9 227,3 229,3 172,1 129,5 92,4 1888
Для Г/П* 66,3 88,0 125,5 153,5 177,9 235,5 242,4 234,3 205,8 125,5 80,4 58,7 1794
Для Н/П* 89,5 110,0 144,3 155,0 160,1 207,2 210,9 227,3 240,8 180,7 135,9 101,6 1963
Нахичевань
878 Для Г/П 60,3 80,0 121,8 153,1 174,0 229,7 239,0 222,7 190,2 125,3 85,8 59,2 1741
Для Н/П 81,4 100,0 140,1 154,6 156,6 202,1 207,9 216,0 222,5 180,4 145,0 102,4 1909
Для Г/П* 66,3 88,0 127,9 160,8 182,7 229,7 239,0 222,7 199,7 131,6 90,1 65,1 1804
Для Н/П* 89,5 110,0 147,1 162,4 164,4 202,1 207,9 216,0 233,6 189,5 152,3 112,6 1987
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
При этом в первом столбике величины, обозначенные в виде «Для Г/П» и «Для Н/П», относятся к данным, приведенным в работах [3-5], которые являются заниженными на ~8-10%, по сравнению с реальными их значениями, а величины, обозначенные в виде «Для Г/П » и «Для Н/П », были определены с учетом ежемесячных значений коэффициента поправки, которые были найдены из отношения данных по численным значениям ССР, зарегистрированных метрологическими станциями Министерства экологии и природных ресурсов Азербайджана, установленных в различных зонах республики [10] к аналогичным данным, приведенным в работах [3-5].
Как видно из табл. 8, после проведения соответствующей поправки для г. Баку годовые значения ССР на горизонтальной и наклонной поверхностях составляют, соответственно, 1673 и 1810 кВт-ч/м2, они довольно хорошо согласуются с ранее полученными результатами [10], приведенными в табл. 4, которые, соответственно, равны 1690 и 1848 кВт-ч/м2.
Если определить погрешности из сопоставления результатов, приведенных в табл. 4 и 8, то для горизонтальной поверхности она составляет ~1,0%, а для наклонной - 2,06%, чем можно пренебречь. Для некоторых случаев наблюдается, якобы, незакономерность при распределении ССР на наклонной поверхности. Так, например, в Ханкенди, входящим в зону А, в апреле количество ССР на наклонной поверхности получается больше, нежели в мае. Таким же образом в Ленкорани и в г. Баку, входящих в зону С, в июле месяце ССР на наклонной поверхности получается меньше, чем в августе. А в Нахичеване и в Ордубаде, входящих
в зону Д, имеет место перемещение максимальных значений ССР на наклонную поверхность в правую сторону. Это характеризуется тем, что, по-видимому, для этих регионов численные значения коэффициента пересчета ССР из горизонтальной поверхности на наклонную, определяемые для северо-восточной и восточной частей зоны С, в данном случае с учетом угла широты местности 40°24' (Апшеронский полуостров, а также г. Баку и г. Сумгаит) не совсем подходит для указанных месяцев года. С другой стороны, количество дней в конкретном месяце также существенно влияет на месячные значения ССР.
Естественно, нами для всех регионов Азербайджана, расположенных между широтой от 39° до 42° расчетным путем были найдены ежемесячные значения коэффициента пересчета ССР из горизонтальной поверхности на наклонную, однако в пределах одной статьи с учетом всех этих коэффициентов привести окончательные результаты с высокой точностью для всех четырех зон республики невозможно. По нашему мнению, в данном этапе вполне можно считать, что данные, приведенные в табл. 8, могут быть приняты как наиболее реальные для всех четырех климатических зон Азербайджана. Тем не менее, в работе [10] нами приведены данные по ССР на наклонных поверхностях для трех значений угла наклона поверхности преобразователя солнечной энергии, в данном случае плоских солнечных коллекторов. Для сопоставления полученных результатов в табл. 9 приведены эти данные.
Таблица 9
Месячные и годовые значения ССР на наклонной плоскости для разных значений угла наклона поверхности преобразователя солнечной энергии относительно горизонта
Table 9
Monthly and annual values of TSR on inclined plane for various values of underlying surface angle
of solar energy converter relative to the horizon
Параметр Месяц Годовое значение
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
55°24' P„, отн. ед. 1,48 1,34 1,16 0,94 0,79 0,73 0,75 0,86 1,11 1,42 1,78 1,84
/сум, кВт-ч 102,5 129,7 173,4 170,3 167,3 155,6 157,9 159,1 155,1 162,6 119,3 101,5 1754
40°24' Pn, отн. ед. 1,35 1,25 1,15 1,01 0,9 0,88 0,87 0,97 1,17 1,44 1,69 1,73
/сум, кВт-ч 93,5 122,1 171,9 182,9 190,7 187,6 183,1 179,5 163,5 164,9 113,3 95,4 1848
25°24' P„, отн. ед. 1,3 1,22 1,16 1,05 0,98 0,94 0,95 1,02 1,15 1,34 1,49 1,52
/сум, кВт-ч 90,1 118,1 173,4 190,2 207,6 200,4 200,0 188,7 160,7 153,5 99,9 83,8 1866
Как видно, для этих регионов зоны С максимальное годовое количество солнечной энергии с 1 м2 поверхности преобразователя солнечной энергии можно получить при угле наклона 25°24'. Однако это значение угла наклона не может быть принято оптимальным, поскольку при этом в зимние месяцы, ко-
гда потребность в энергии растет, в связи с уменьшением месячных значений ССР на наклонную поверхность отдача преобразователя солнечной энергии также уменьшается, а в случае, когда в зимние месяцы достигаются максимальные отдачи энергии (при угле наклона 55°24'), годовое значение вы-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
рабатываемой энергии намного уменьшается. Исходя из этих соображений, в тех случаях, когда не возможно ежемесячное изменение угла наклона поверхности преобразователя солнечной энергии (для мощных установок), считается целесообразным устанавливать их под углом наклона, равным углу широты местности для данного региона (в данном случае для г. Баку под углом 40°24').
Как известно, часть энергии солнечных лучей, поступающих на земную поверхность, отражается в атмосферу в виде коротковолновой радиации. Численные значения отраженной солнечной радиации могут быть найдены из следующего эмпирического уравнения:
J = J А
отр сум альб -
(4)
где /сум - ССР на 1 м горизонтальную поверхность (приведены в табл. 8); ^¡,6 - альбедо подстилающей поверхности (приведены в табл. 5).
Используя более реальные месячные и годовые значения ССР на горизонтальную поверхность, приведенные в табл. 8 со знаками «Для ГП », были определены месячные и годовые значения отраженной коротковолновой радиации для выборочных районов зоны А, Б, С и Д, которые приведены в табл. 10.
Таблица 10
Месячные и годовые значения отраженной коротковолновой радиации для выборочных районов зоны А, Б, С и Д Азербайджанской Республики
Table 10
Monthly and annual values of reflected short-wave radiation for selective regions of A, B, C and D
zones of Azerbaijan Republic
Район Месяц Годовое значение
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Зона А
Куба 26,4 25,7 20,4 27,1 30,8 34,7 35,1 32,0 25,5 17,2 11,5 13,4 299,8
Ханкенди 34,8 30,4 24,0 29,3 31,6 37,5 39,7 36,8 29,3 22,0 15,3 17,0 347,7
Зона Б
Шуша 56,0 66,4 58,0 31,1 34,2 38,4 39,0 37,3 29,3 22,5 22,1 34,7 469,0
Сумгаит 16,0 18,7 24,7 35,8 44,3 52,4 51,8 46,5 38,2 22,6 15,0 13,4 379,4
Зона С
Ленкорань 12,3 16,1 22,1 28,0 33,5 41,0 39,6 35,9 27,8 18,8 12,4 10,8 298,3
Лерик 34,3 31,2 31,6 29,2 32,9 39,9 39,9 35,5 27,8 19,4 14,1 15,6 351,9
Баку 15,6 18,9 24,9 34,8 42,7 50,4 50,4 46,6 37,6 22,5 15,2 13,1 372,7
Зона Д
Ордубад 46,4 52,8 37,7 35,3 40,9 54,2 55,8 53,9 47,3 28,9 18,5 23,5 495,2
Нахичевань 46,4 55,4 42,2 40,2 45,7 57,4 59,8 55,7 49,9 32,9 22,5 26,0 534,1
Поскольку нами при районировании территории Азербайджана по зонам основными параметрами теплового баланса земли и околоземной атмосферы были приняты месячные и годовые значения ССР и ЧЧСС, то в годичном ходе изменения других параметров по зонам А, Б, С и Д наблюдаются случаи несогласованности между их численными значениями. Коротковолновая отраженная солнечная радиация /отр также является одним из таких параметров. Как видно, для Кубы и Ханкенди, входящих в зону А, численные значения отраженной радиации больше, чем в Ленкорани, входящей в зону С. Кроме того, в Шуше, входящей в зону Б и в Ордубаде, входящим в зону Д, численные значения /отр очень близки
друг другу. Это связано с тем, что все эти районы являются гористыми и высокогорными, для которых свойственна продолжительная зима с большим числом дней со снежным покровом и обильным снегом, являющимся причиной повышения альбедо подстилающей поверхности, следовательно, и отраженной радиации. На значения отраженной радиации существенно влияют также ландшафтные характеристики конкретной зоны. Например, для Баку, Сумгаита и Ленкорани, расположенных в равнинных и приморских ландшафтных условиях, годичные изменения /отр имеют аналогичную форму изменения ССР, т.е. для таких регионов с подобными ландшафтами кривые годового изменения /отр имеют параболическую
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
форму. А для высокогорных районов такое изменение /отр наблюдается только лишь в период апрель-ноябрь.
Таким образом, в данной работе нами были рассмотрены годовые изменения всех основных параметров теплового баланса земли и околоземной атмосферы, которые наиболее влияют на режимы работы солнечных энергетических систем. Анализируя полученные данные можно сделать следующие выводы.
1. Выявлено, что во всех ранее опубликованных работах, в том числе в Экологическом атласе Азербайджанской Республики, составленным в 2009 г. под руководством академика НАН Азербайджана Г.Ш. Мамедова, территория Азербайджана по годовым значениям ССР разделена на 10, а по ЧЧСС - на 6 зон и данные, приведенные в этих работах по ССР и ЧЧСС, являются заниженными примерно на 8-10%.
2. Установлено, что разделение территории Азербайджана в одном случае на 10, а в другом случае на 6 зон затрудняет процесс проведения сопоставительного анализа приведенных данных. Учитывая это, нами проведена математическая обработка старых и современных метрологических данных, в том числе данных, приведенных в вышеуказанном Экологическом атласе, по результатам которой территория республики разделена на четыре зоны - А, Б, С и Д. При этом зоны А, Б и С отнесены к основной территории Азербайджана, а зона Д - к территории НАР, а также к маленьким участкам некоторых северных районов, расположенных на южном склоне Большого Кавказского хребта.
3. Для всех четырех зон были определены месячные и годовые значения ССР на 1 м2 горизонтальной и наклонной поверхностей, ЧЧСС, а также длинноволнового эффективного излучения, отраженной коротковолновой радиации, поглощенной радиации, альбедо подстилающей поверхности, радиационного баланса и т. д. При определении месячных значений таких параметров как ССР, длинноволновое эффективное излучение, отраженная и поглощенная коротковолновые радиации и радиационный баланс были учтены ежемесячные значения коэффициента поправки, которые были определены из отношения численных значений ССР, установленных по данным некоторых метеостанций Министерства экологии и природных ресурсов Азербайджана, расположенных в различных зонах республики, к аналогичным данным, приведенным в ранее опубликованных работах.
4. Установлено, что в ранее опубликованных работах минимальные годовые значения ССР для 1-ой зоны составляют менее 1438 кВт-ч/м2, а максимальные для 10-ой зоны - более 1810 кВт-ч/м2, и при этом интервалы между соседними зонами равны 46 кВт-ч/м2, а для ЧЧСС минимальные и максимальные значения составляют, соответственно, менее 2000 ч/год и более 2800 ч/год, и при этом интервалы между соседними зонами составляют 200 ч/год. По
новому разделению территории Азербайджана минимальные и максимальные значения ССР составляют, соответственно, менее 1600 кВт-ч/м2 (для зоны А) и более 1780 кВт-ч/м2 (для зоны Д), а годовые значения ЧЧСС составляют, соответственно, менее 2000 ч/год (для зоны А) и более 2800 ч/год (для зоны Д). При этом по распределению ССР по отдельным зонам, между соседними зонами имеются неравные друг другу интервалы, а по распределению ЧЧСС интервалы между соседними зонами составляют 400 ч/год.
5. Выявлено, что как суточный приход ССР, так и сезонные значения её зависят от многих факторов, например, от высоты солнца, продолжительности светлого времени дня, прозрачности атмосферы, состоянии облачности, альбедо подстилающей поверхности и т.д. Приведены графические зависимости продолжительности дня от высоты солнца, а также суточных значений ССР при безоблачном небе от крутизны склона, в частности для северного, юго-восточного и южного направлений склона. Определено, что во всех трех случаях по мере повышения крутизны склона суточные значения ССР уменьшаются, и для южной части эта зависимость имеет более резкий характер, что характеризуется вогнутой формой рельефа и повышением степени затененности при больших значениях крутизны.
6. Проведен сопоставительный анализ результатов, полученных при использовании горизонтальных и наклонных поверхностей для выборочных районов всех четырех зон. Установлено, что для регионов зоны С максимальное годовое количество солнечной энергии из 1 м2 поверхности преобразователя солнечной энергии можно получить при угле наклона 25°24'. Однако это значение угла наклона не может быть принято как оптимальное, поскольку при этом в зимние месяцы потребность в энергии растет, а в связи с уменьшением месячных значений ССР на наклонную поверхность, выработка преобразователя солнечной энергии уменьшается, а в случае, когда достигаются максимальные отдачи энергии (при угле наклона 55°24') годовое значение вырабатываемой энергии уменьшается до 10% на каждый м2. Исходя из этих соображений сделан вывод о том, что в случаях, когда нет возможности ежемесячного изменения угла наклона поверхности преобразователя солнечной энергии (для мощных установок), целесообразно устанавливать их под углом наклона, равным углу широты местности для данного региона (например, для г. Баку под углом 40°24').
7. Определено, что для многих регионов, входящих в зону С, в том числе для г. Баку, альбедо подстилающей поверхности в течение всего года меняется в небольших пределах - от 22 до 26%, а максимальные значения альбедо составляют 70%, которые наблюдаются в гористых местностях, например, в Шуше, Ордубаде, Нахечивани и т.д. Это характеризуется тем, что в этой зоне А продолжительный снежный покров с обильным снегом наблюдается в
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
редких случаях, а в гористых и высокогорных районах наблюдается устойчивый снежный покров в периоды с ноября по март. Установлено, что поглощенная радиация весьма чувствительна к изменению альбедо. Например, для Кура-Араксинской низменности (зона С) разница в месячных значениях альбедо в 1% приводит к колебанию годовой величины радиационного баланса на 23-29%.
8. Определено, что для зоны Б длинноволновое эффективное излучение относительно больше, нежели в зонах А и С, а для Нахичевани, входящей в зону Д, этот параметр имеет максимальное годовое значение, которое составляет 738,9 кВт-ч/м2 в год.
9. Определены месячные и годовые значения радиационного баланса для выборочных районов зоны А, Б, С и Д. Установлено, что наименьшее значение радиационного баланса наблюдается в Ленкорани (в море), которое составляет 877,0 кВт-ч/м2 в год, и чем меньше высота местности над уровня моря, чем больше значение радиационного баланса.
10. Установлено, что суммарные территории всех регионов, входящих в зоны 6, 7, 8, 9 и 10 (по старому распределению) или же в зону Д (по новому распределению) составляют не более 16% от всей территории Азербайджана, и большинство этих местностей являются высокогорными. При этом большая часть основной территория республики относится к зонам Б и С, и поэтому в этих зонах можно получать максимальную отдачу от применения солнечной энергии.
11. Проведен сопоставительный анализ полученных данных и с учетом ежемесячных значений коэффициента поправки установлено, что для зоны А, Б, С и Д годовые значения ССР и ЧЧСС составляют, соответственно: А - менее 1600; Б - от 1600 до 1650; С - от 1650 до 1780; Д - свыше 1780 кВт-ч/м2 в год и А - менее 2000; Б - от 2000 до 2400; С - от 2400 до
2800; Д - свыше 2800 ч/в год. Таким образом, в заключение сделан вывод о том, что во всех четырех зонах Азербайджана использование солнечной энергии как с энергетической, так и с экономической и экологической точки зрения, целесообразно.
Список литературы
1. Саламов О.М., Мамедов Ф.Ф., Самедова У.Ф. Перспективы использования энергии ветра условиях Азербайджана // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2010. № 1. С. 132-144.
2. Мамедов Г.Ш., Халилов М.Ю., Мамедова С.З. Экологический Атлас. Баку: Бакинская картографическая фабрика, 2009.
3. Шихлинский Э.М. Тепловой баланс Азербайджанской ССР. Баку: «Элм», 1969.
4. Климат Азербайджана. Под ред. Мадатзаде А.А. и Шихлинского Э.М. Баку: Изд. АН Азерб. ССР, 1968.
5. Атлас теплового баланса Азербайджанской ССР. Под ред. Шихлинского Э.М., М.: Главное управление геодезии и картографии при Совете Министров СССР, 1978.
6. Климат Баку. Под редакцией Швер Ц.А. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
7. Пивоварова З.И., Стадник В.В. Климатические характеристики солнечной радиации как источника энергии на территории СССР. Там же, 1988.
8. Занина А.А. Климат СССР. Кавказ. Там же, 1961.
9. Матвеев Л.Т. Курс общей метрологии. Там же, 1976.
10. Саламов О.М., Аббасова Ф.А. Расчет солнечной водоподогревательной системы для горячего водоснабжения сельской семьи // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2006. № 6. С. 30-36.
— TATA — i >
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
