CC BY
50
УДК 621.311.11 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-4-50-54
РАСЧЕТ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ГОРИЗОНТАЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ДЛЯ Г. БАГДАДА
CALCULATION OF THE SOLAR RADIATION ON A HORIZONTAL SURFACE FOR BAGHDAD CITY
© 2015 г. Аль Гези Моафак Касеим Шиа
Аль Гези Моафак Касеим Шиа - аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: prince_kmg2500@yahoo. com
Al-Ghezi Moafaq Kaseim Shiea - Post-graduate student department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: prince_king2500@ yahoo.com
Разработаны простые соотношения для прогнозирования среднемесячного дневного общего солнечного излучения на горизонтальную поверхность для г. Багдада. За интервал времени 1961 -2012 гг. измерены данные среднемесячного дневного общего солнечного излучения и продолжительности солнечного света на горизонтальную поверхность в г. Багдаде. Математическая линейная корреляция (Angstrom корреляция) применена для оценки общего излучения по продолжительности часов солнечного света в указанный день каждого месяца. Полученные модели имеют большой коэффициент регрессии и дают наибольшее соответствие измеренным значениям. Среднемесячное ежедневное рассеянное излучение на горизонтальную поверхность оценивалось исходя из измеренного общего излучения. Общие результаты показывают, что г. Багдад получает максимальное излучение на горизонтальную поверхность в июне.
Ключевые слова: общее солнечное излучение; рассеянное излучение; продолжительность светового дня; метеорологические данные.
In this study a simple correlation is developed to predict monthly average daily global solar radiation on a horizontal surfaces for Baghdad city. For interval (1961-2012), monthly average daily global solar radiation and sunshine duration data were measured on horizontal surfaces at Baghdad city. A mathematical linear correlation represented by (Angstrom correlation) was applied to estimate the global radiation from hours of sunshine duration at the specified day of each month. The obtained models have a high value of regression coefficient and give best fit through the measured values. In this study, the monthly average daily diffuse radiations on horizontal surface were estimated from the measured global radiation. The overall results show that, Baghdad city received maximum radiation on the horizontal surface in Jun.
Keywords: total solar radiation; diffuse radiation; relative sunshine duration; meteorological data.
Общее излучение является важным параметром, необходимым для большинства экологических моделей и входным параметром для экологических солнечных станций. Несмотря на то что данные солнечного излучения доступны в большинстве метеорологических станций, во многих регионах страны они недостаточны. В настоящей работе представлены модели с высокой точностью, полученной на метеорологических станциях. Багдад - столица республики Ирак, расположенный в центре территории страны, где сосредоточены основные промышленные предприятия. Была сделана попытка использовать ограниченные метрологические данные (1961 - 2012 гг.) для
г. Багдада от Иракской метеорологической и сейсмологической организации для оценки солнечного излучения в этих районах в настоящее время. Есть два способа получения данных солнечного излучения на уровне земли: измерение и моделирование. Автором разработаны модели, которые могут быть пригодны для оценки солнечного излучения на горизонтальную поверхность на уровне земли и в дальнейшем для рассеянного излучения. Рассеянное солнечное излучение не может быть определено экспериментально. Важно разработать метод оценки общего и рассеянного солнечного излучения с помощью климатологических параметров. Были разработаны несколько
эмпирических формул для расчета общего солнечного излучения, использующих следующие параметры:
- продолжительность светлого времени суток, ч [1, 2];
- соотношение дождливых и солнечных дней;
- угол склонения солнца и географическая широта [3];
- количество дождливых дней и месторасположение [4];
- относительная влажность;
- максимальная температура, °С;
- высота над уровнем моря [5, 6];
- альбедо поверхности - характеристика диффузной отражательной способности поверхности [7].
Модель линейной регрессии, использующаяся для корреляции измеренных данных общего солнечного излучения (индекс ясности Hh/Ho с относительной длительностью солнечного света S/Smax предложена Angstrom [8], а затем модифицирована Page [9].
В разработанной модели среднемесячное дневное внеземное излучение для определенного месяца было рассчитано по следующей формуле:
Ho = (I)(cos z).
cos = cos Ъ„ cos L cos h + sin S sin L
(2)
ной регрессии, используемая в корреляции с измеренными данными общего солнечного излучения Hhj Ho
с относительной длительностью солнечного света S/Smax, которую предложил Angstrom (1924) [8].
Формула линейной регрессии определяется следующим уравнением:
Hh = H o
a + b
f S ^
s
V max J
(4)
где а и Ь - константы регрессии, зависящие от характеристик местоположения.
Значения среднемесячной максимальной длительности дня (^щах) определяются по следующему уравнению [4]:
2
Smax =— cos ^Hg Ltg5, ).
15
(6)
Среднемесячное дневное рассеянное солнечное излучение может быть рассчитано из модели Liu и Jordan [3, 10] следующим образом:
(1) тТ"
= 1,39 - 4,02 Kt + 5,53 K¡ - 3,108 Kf ,
Hh
(5)
где z представляет собой угол солнца в зените.
Для горизонтальной поверхности в любое время между восходом и заходом солнца, в соответствии с Liu и Jordan [3, 10], косинус зенитного угла может быть выражен так:
где 8s, L, h - склонение, широта, часовой угол солнца соответственно.
Объединив уравнения (1) и (2), получим:
Ho = (I o)(I)(cos8s cosLcosh + sin8s sinL). (3)
Дневное солнечное излучение на горизонтальную поверхность может быть рассчитано интегрированием уравнения (3) в течение периода от восхода до заката солнца следующим образом [11]:
— 24
Ho =— (Io)(I)(cosbs cosLsinhss + n
nhss ■ 5 ■ n
+—— sin Ss sin L).
180 s
Величина Hh¡Ho определяется как отношение
измеренного горизонтального наземного солнечного излучения к расчетному горизонтальному внеземному солнечному излучению и называется коэффициентом индекса ясности Kt); S/Smax - относительная длительность солнечного дня. Разработка модели заключается в следующем.
Наиболее широко используемое соотношение для оценки среднемесячного дневного общего излучения на горизонтальную поверхность Hh - модель линей-
где Dh - среднемесячное дневное рассеянное излучение, МДж/м2/день.
В работе рассмотрены погодные эффекты от окружающих объектов, таких как плоская поверхность земли в г. Багдаде. Однако влияние этого окружения определяется направлением ветра, относительной влажностью и температурой воздуха.
В табл. 1 показано сравнение между измеренным (от иракской организации метеорологии и сейсмологии для г. Багдада) и оцениваемым значениями общего излучения, которое предлагается с использованием линейной модели (модель Angstrom) на примере значения общего солнечного излучения для г. Багдада. Наблюдаемые и расчетные значения зависят от уравнения (4). Рассчитанные значения констант регрессии a и b для г. Багдада равны (0,3846248, 0,363282). Способ оценки этих констант явно виден в уравнении (4), которое аналогично по форме линейному уравнению первого порядка (y = a + bx). Значение y - коэффициент индекса ясности Kt, где величина х представляет собой относительную продолжительность солнечного дня (S/Smax). Подставляя эти значения, как показано в табл. 1, в линейное уравнение, можно найти константы a и b. Были вычислены также другие константы регрессии, и теперь предложенные соотношения для г. Багдада могут быть использованы для оценки общего, рассеянного солнечного излучения, если известны доступные метеорологические параметры.
В табл. 2 представлены результаты рассеянного солнечного излучения, которые оцениваются по измеренному среднемесячному дневному общему солнечному излучению.
Таблица 1
Сравнение между измеренным и оцениваемым значением общего излучения для г. Багдада.
Солнечная радиация, МДж/м2/день
Месяц Дата измерения Средняя продолжительность солнечного дня S, ч Среднемесячная максимальная продолжительность дня S ч '-'max? ^ S/Smax Рассчитанное H о, МДж/м2/день Измеренное H, МДж/м2/день Рассчитанное Hh , МДж/м2/день Измеренное/ рассчитанное К, = (Ик /И0)
Январь 17 5,960 10,029 0,594 19,114 11,529 11,478 0,603
Февраль 16 7,240 10,813 0,669 24,007 15,394 15,117 0,639
Март 16 7,920 11,754 0,674 30,121 19,158 18,958 0,636
Апрель 15 8,520 12,832 0,664 36,218 22,105 22,667 0,610
Май 15 9,580 13,717 0,698 40,015 24,482 25,543 0,612
Июнь 11 12,34 14,187 0,869 41,489 28,555 29,068 0,688
Июль 17 12,22 13,996 0,873 40,755 28,182 28,602 0,691
Август 16 11,96 13,233 0,904 37,728 26,648 26,898 0,702
Сентябрь 15 10,48 12,194 0,859 32,396 23,190 22,574 0,716
Октябрь 15 8,960 11,152 0,803 26,006 18,212 17,593 0,700
Ноябрь 14 7,200 10,247 0,703 20,323 13,098 13,004 0,644
Декабрь 10 6,660 9,810 0,679 17,762 11,268 11,212 0,634
Таблица 2
Среднемесячные дневные значения рассеянной солнечной радиации
Месяц Измеренное Нк, МДж/м2/ день Рассчитанное Нк, МДж/м2/ день Рассчитанное Dh, МДж/м2/ день Измеренное / рассчитанное К, = И / И о) Dh / Hh
Январь 11,529 11,478 3,445 0,603 0,299
Февраль 15,394 15,117 4,137 0,639 0,269
Март 19,158 18,958 5,201 0,636 0,271
Апрель 22,105 22,667 6,472 0,610 0,293
Май 24,482 25,543 7,138 0,612 0,292
Июнь 28,555 29,068 6,522 0,688 0,228
Июль 28,182 28,602 6,361 0,691 0,226
Август 26,648 26,898 5,685 0,702 0,213
Сентябрь 23,190 22,574 4,761 0,716 0,205
Октябрь 18,212 17,593 3,977 0,700 0,218
Ноябрь 13,098 13,004 3,465 0,644 0,265
Декабрь 11,268 11,212 3,074 0,634 0,273
На рис. 1 показаны среднемесячное дневное измеренное и расчетное глобальное излучения в течение года. Соответственно сравнение между наблюдаемым и оцениваемым значениями представлено на этом рисунке, модель показывает, что она очень чувствительна к точности значений для г. Багдада. Общее распре-
деление солнечного излучения из графика для Багдада довольно хорошо согласуется с этими наблюдаемыми значениями.
Другое косвенное солнечное излучение, а именно среднемесячное дневное рассеянное солнечное излучение, рассчитывалось по формуле (5), которая была
подтверждена также геологическими и климатическими эффектами г. Багдада (рис. 2).
«
й ft
К н о О
30
20
10
----1----1--- в Измер
1_Рас чет
5 7 Месяц
11
Рис. 1. Среднемесячное дневное измеренное, расчетное общее излучение на горизонтальной поверхности в г. Багдаде в течение года
40
« Й 30
20
й ft
10
и
К § (
° 1 3 5 7
Месяц
Рис. 2. Изменения среднемесячного дневного внеземного, общего и рассеянного излучения на горизонтальной поверхности в г. Багдаде в течение года
Рисунок 3 показывает месячный коэффициент ясности для Багдада на протяжении всех месяцев года. Очевидно, что коэффициент ясности определяет общее излучение, показанное на рис. 2.
13 11
F
со 9
T T 1 ■ 5/5 m ах -*-Hh/Ho
/
1,0 0,9 0,8 0,7
0,6 §
0,5
7
Месяц
11
Рис. 3. Изменения месячного коэффициента ясности, реальная продолжительность дня и солнечного света при максимальной продолжительности дня в г. Багдаде в течение года
На графике видно, что максимальный месячный коэффициент ясности приходится на июнь, минимальный - на январь. Также на рис. 3 показана реальная продолжительность дня и светлого времени суток при максимальной продолжительности дня в г. Багдаде. Максимальная реальная продолжительность светового дня - в июне, минимальная - в январе.
Процесс увеличения внеземного излучения в июне и уменьшения в декабре, как показано на рис. 2, происходит по двум причинам:
1. Эллиптическая орбита Земли вокруг Солнца, которая заставляет Землю сближаться с Солнцем в определенные месяцы года и отдаляться от него в другие месяцы.
2. Из-за наклона оси вращения Земли. Ось вращения земли наклонена к Солнцу в летнее время года в северном полушари, и это позволяет Земле принимать больше излучения в это время, по сравнению с зимним, когда ось вращения Земли наклонена в сторону от Солнца. Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, уменьшается ниже внеземного излучения, потому что большая его часть рассеивается, отражается обратно в космос или поглощается атмосферой. Эти три типа излучения: внеземное, общее, рассеянное - приведены на рис. 2.
3. Результаты показывают, что г. Багдад получает максимальное излучение на горизонтальную поверхность в июне.
Литература
1. Glover J., McCulloch F. "The Empirical Relationship between Solar Radiation and Hours of Sunshine". Q.J.R. Met. Soc. 1958. Vol. 84(359). P. 56 - 60.
2. Fayadh M. Abed, Ghazi Y. Mohammed. "Estimation of global solar radiation on horizontal surfaces over Haditha, Samara, and Beji, Iraq". Pacific journal of science and technology. 2010. № 11(1). P. 73 - 82.
3. Liu Y.H., Jordan R.C. "The Inter Relationship and Characteristic Distribution of Direct, Diffuse, and Total Solar Radiation from Metrological Data". Solar Energy. 1960. № 4. P. 1 - 19.
4. Reddy S.J. "An Empirical Method for the Estimation of Net Radiation Intensity". Solar Energy. 1971. № 13. P. 291 - 292.
5. Sabbagh J.A., Sayigh A.A.M., El-Salam E.M.A. "Estimation of the Total Solar Radiation from Meteorological Data". Solar Energy. 1977. № 19. P. 307 - 311.
6. Ali M. Al-Salihi, Maylaa M. Kadum and Ali J. Mohammed. "Estimation of global solar radiation on horizontal surface using routine meteorological measurements for different cities in Iraq". Asian journal of scientific research. 2010. № 3(4). P. 240 - 248.
7. Hoyt D. V. "A Model for the Calculation of Solar Global Insolation". Solar Energy. 1978. № 21. P. 27 - 35.
0
1
3
9
7
5
1
3
5
9
8. Angstrom A. "Solar and Terrestrial Radiation. 1924. Q.J.R. Met. Soc. Vol. 50. P. 121 - 126.
9. Page J.K. "The Estimation of Monthly Mean Values of Daily Short Wave Radiation on Vertical and Inclined Surface from Sunshine Records of Latitude 40 Degree N to 40 degree S". Proc. of UN-Conf on New Sources of Energy. 1964. № l. P. 4 paper s/98. 378.
10. Liu D.L. "Incorporating Diurnal Light Variation and Canopy Light Attenuation into Analytical Equations for Calculating Daily Gross Photosynthesis". Ecol. Model. 1996. Vol. 93. P. 175 - 189.
11. Duffie J.A., Beckman W.A. "Solar Engineering of Thermal Processes, 2nd edition. John Wiley and Sons: New York, N.Y. 1991.
References
1. Glover J., McCulloch F. The Empirical Relationship between Solar Radiation and Hours of Sunshine. Q.J.R. Met. Soc., 1958, 84(359), pp. 56-60.
2. Fayadh M. Abed, Ghazi Y. Mohammed. Estimation of global solar radiation on horizontal surfaces over Haditha, Samara, and Beji, Iraq . Pacific journal of science and technology, 2010, 11(1), pp. 73-82.
3. Liu Y.H., Jordan,R.C. The Inter Relationship and Characteristic Distribution of Direct, Diffuse, and Total Solar Radiation from Metrological Data. Solar Energy, 1960, 4, pp. 1-19.
4. Reddy S.J. An Empirical Method for the Estimation of Net Radiation Intensity. Solar Energy, 1971, 13, pp. 291-292.
5. Sabbagh J.A., Sayigh A.A.M., El-Salam E.M.A. Estimation of the Total Solar Radiation from Meteorological Data. Solar Energy, 1977, 19, pp. 307-311.
6. Ali M. Al-Salihi, Maylaa M. Kadum, Ali J. Mohammed. Estimation of global solar radiation on horizontal surface using routine meteorological measurements for different cities in Iraq. Asian journal of scientific research, 2010, 3(4), pp. 240-248.
7. Hoyt D.V. A Model for the Calculation of Solar Global Insolation. Solar Energy, 1978, 21, pp, 27-35.
8. Angstrom A. Solar and Terrestrial Radiation. Q.J.R. Met. Soc., 1924, 50, pp. 121-126.
9. Page J.K. The Estimation of Monthly Mean Values of Daily Short Wave Radiation on Vertical and Inclined Surface from Sunshine Records of Latitude 40 Degree N to 40 degree S. Proc. of UN-Conf. on New Sources of Energy, 1964, l, 4 paper, pp. 98. 378.
10. Liu D.L. Incorporating Diurnal Light Variation and Canopy Light Attenuation into Analytical Equations for Calculating Daily Gross Photosynthesis". Ecol. Model, 1996, 93, pp. 175-189.
11. Duffie J.A. and Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes, 2nd edition. John Wiley and Sons. New York, NY, 1991.
Поступила в редакцию 26 июня 2015 г.
