CC BY
32
УДК 621.311
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ИРАКА
© 2014 г. Мохаммед Камил Али Гази
Мохаммед Камил Али Гази - мл. преподаватель, Машиностроительный факультет, инженерный колледж Мосульско-го университета, аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции и теплотехника», Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) им. М.И. Платова. E-mail: aaggmmkk @yahoo.com
Mohammed Kamil Ali Ghazi- assistant lecturer in mechanical engineering department, College of Engineering/Mosul University, post-graduate student, department «Thermal Power Stations and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: aaggmmkk @yahoo.com
Предпринимается попытка создать компьютерную программу для оценки ежечасного солнечного излучения: создана и просчитана модель прямых лучей, рассеянного и суммарного солнечного излучения на основе среднего месячного показателя дневного солнечного излучения, определенного для горизонтальной поверхности в климатической зоне города Мосул (широта: 36°19' долгота: 43°09', высота: 223 м над уровнем моря). Большинство параметров, используемых для моделирования в данной работе, являются частью вводных данных, необходимых для создания программного обеспечения для систем теплового моделирования и солнечных энергосистем. Сравнение некоторых результатов с измеренными данными указывает на их соответствие друг другу. Результаты, представленные в этой работе, могут быть полезны для быстрой оценки солнечного излучения для вычисления показателей работы солнечного коллектора. Также модели и компьютерные программы, разработанные в этой работе, образуют основу для проведения любых автоматизированных тепловых расчетов и вычислений параметров работы солнечных энергосистем.
Ключевые слова: часовое значение солнечной радиации; часовое значение рассеянной солнечной радиации; углы падения солнечных лучей.
In this paper, an attempt has been made to build a computer program to estimate the hourly terrestrial radiation: direct beam, diffuse and global solar radiations are modeled and calculated based on monthly average of daily global radiation data measured for a horizontal surface for the climate of Mosul city (latitude: 36.19N, longitude: 43.09 E, elevation: 223 m above mean sea level). Most of the parameters modeled in this work represent a part of the input data required by building thermal simulation and solar energy systems software. The comparison of some of the results with measured data good agreement. The results presented in this paper are quite useful for quick estimation of solar radiation for calculations of solar collector performance. Also, the models and the computer program developed in this work form the backbone of any computer-aided building thermal design and solar systems design calculations.
Keywords: hourly solar global radiation; hourly solar diffuse radiation; sun angles.
Солнце излучает энергию, которая создается в виде радиации высокой мощности (3,8-1023 кВт). Малая доля этой радиации отсекается атмосферой земли (1,840м кВт). В среднем 60 % от этого количества проникает в атмосферу и (1,11014 кВт) достигает земной поверхности. Естественно, это количество энергии рассеивается по всей поверхности Земли [1]. Солнечная энергия рассматривается в качестве ключевого ресурса в будущем и играет важнейшую роль в социально-экономическом развитии, поднимая уровень и качество жизни людей не только в Ираке, но и во всем мире. Ввиду того что запасы ископаемых видов топлива ограничены, а также благодаря подходящим климатическим условиям, солнечная энергия является одним из важнейших ресурсов возобновляемой энергии, используемых в Ираке. На территорию страны приходится ежедневно примерно 4931,5 Вт/м2 солнечного излучения, что составляет 1800 кВт/м2 в год [2].
Построение любой солнечной энергосистемы требует знания о доступном ресурсе солнечного излучения в интересующем месте. Среднее дневное распределение солнечного излучения является одним из ключевых параметров для планирования использования солнечной энергетики. Оно дает основу для прогнозирования мгновенного солнечного излучения исходя из общедоступных средних ежемесячных показателей дневного излучения. Для местностей, где отсутствуют доступные данные по замерам солнечного излучения, для их определения можно использовать эмпирические уравнения, разработанные целым рядом исследователей. Иногда проектирование солнечных энергосистем требует точных измерений значений часовой суммы солнечной радиации. В местах, где значения часовой суммы солнечной радиации не известны, появляется необходимость её измерять на основе дневных показателей. Существуют различные методы перевода дневных значений солнечной радиации в часовые. Распределение общего излучения на
горизонтальные поверхности в течение дня было изучено Лю и Джордан [3, 4], которые показали, что отношение часового излучения к дневному может быть связано с длиной светового дня и часовым углом. При этом определялось время излучения, определенное в интервале часа, а дни считались от астрономического полудня [5].
В работе представлен анализ данных часовой солнечной радиации в зависимости от среднемесячных значений общей дневной солнечной радиации на протяжении 25 лет (1980 - 2005), измеряемых на горизонтальных поверхностях земли в городе Мосул в Ираке (широта: 36°19', долгота: 43°09', высота: 223 м над уровнем моря). Эти данные используются в моделях, предложенных Лю и Джордан [3], и Колларес-Перейра и Рабл [6], которые также связывают часовые значения с дневными значениями солнечного излучения. Данные о среднемесячной общей часовой сумме солнечной радиации получены из Иракской метеорологической и сейсмологической организации в городе Мосул, Ирак. Эти данные показаны на рис. 1 в форме функции от месяца и года; на рис. 2 проиллюстрированы средние значения общей дневной солнечной радиации, реальные, а также идеальные значения яркости солнца за 25 лет для каждого из месяцев года.
Рис. 1. Колебания среднемесячной дневной солнечной радиации по месяцам в период 1980 - 2005 гг.
Для создания точной инженерной модели солнечной термической системы требуется вычисление угла падения солнечной энергии на различные поверхности. Следовательно, чтобы вычислить количество солнечной радиации, нужно определять угол для описания позиции солнца по отношению к поверхности. На рис. 3 показано несколько таких углов.
Рис. 3. Углы падения солнечных лучей
Широта (ф) - это угловое расположение к северу или югу от экватора. Значения широты варьируются от -90 0 до 90 °, угол наклона (Р) - это угол между наклоном интересуемой поверхности и линией горизонта. Угол азимута поверхности (у) - это отклонение нормали к поверхности от местного меридиана, 0° прямо на юг, -90 ° на восток, 90 ° на запад и 180 ° на север. Отклонение (5) - это наклон земной оси по отношению к восходящему солнцу в астрономический полдень. Значение отклонения ранжируется между -23°45' и 23°45' относительно среднегодового положения солнца, как поясняется на рис. 4.
5
1
1
с
Л/ чу
-) ч
4
Месяц
Рис. 4. Угол отклонения Солнца в течение года
Отклонение для определенного дня года можно высчитать по формуле [7]:
Рис. 2. Колебания среднемесячной дневной радиации, реальной и идеальной яркости солнца по месяцам года в период 1980 - 2005 гг.
5 = 23°45' sin | | -360 |(284 + dn)
где dn - это количество дней года до момента измерения, считая с 1 января. Часовой угол (w) - это угловое смещение Солнца на восток или запад по отношению к местному меридиану вследствие вращения Земли вокруг своей оси на 15 o в час относительно полудня, в отрицательную сторону утром и положительную -днем в зависимости от солнечного времени (s)
w = 15 (s -12) .
Угол наклона (0) - это угол между прямой радиацией на поверхность и нормалью к этой поверхности. Углы наклона - это функция от других солнечных углов, и она может быть вычислена как
cos (8) = sin(5) sin(ф) cos (р) - sin(5) cos(<p) sin(p) cos (y) +
+cos(5) cos (ф) cos (p) cos (w) + cos(5) sin (ф) sin (p) x
x cos (y) cos (w) + cos (5) sin (p) sin (y) sin (w). (1)
Уравнение (1) можно упростить [8]. Тогда зенитный угол (0г) можно определить следующим уравнением:
cos (0г) = cos (ф) cos (5) cos (w) + sin (ф) sin (5). (2)
Особый часовой угол - это угол заката (ws) - часовой угол, для которого зенитный угол составляет 90 o (т.е. Солнце находится на горизонте). Угол заката можно вычислить по формуле [7, 9]:
i ( sinc=sin5 ч,
ws = cos I-I .
^ cos ф cos 5 )
Общее часовое значение солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, I^, Вт/м2, может быть вычислено из общей дневной радиации Н, кДж/м2 в день, с учётом соотношения V, которое определяется в соответствии с уравнением Даффи и Бэкмана [5, 7] следующим образом:
I th =
VH 3,6
Радиация Еп, Вт/м , на поверхность в космосе, которая расположена под некоторым углом к солнечным лучам, - это функция от расстояния между Землей и Солнцем. Она определяется по уравнению Даф-фи и Бэкмана [7, 8]:
En = Iii + 0,033cos
360dn 365
где 1с - это солнечная постоянная, равная 1367 Вт/м .
Используя солнечный зенитный угол, радиация в космосе на поверхность может быть вычислена из
Eh = En cos (
).
(3)
Совместив уравнения (2) и (3), мы получаем внеземную радиацию на поверхность при любом часовом угле (м>) как [10]:
' 360dn
365
Eh = U 1 + 0,033cos
x [cos (ф) cos (5) cos (w) + sin (ф) sin (5)].
Общая солнечная радиация состоит из прямой радиации, идущей прямо от солнечного диска, и диффузной компоненты, рассеянной по поверхности от купола неба. Последняя зависит от яркости и может быть определена из уравнения Колларес - Перейра и Рабл [6]. Отсюда среднее дневное рассеянное излучение Hd определяется как:
Hd = H (0,775 + 0,00606 (ws - 90) --[0,505 + 0,00455 (ws - 90)] cos (115KT -103)),
где KT - это параметр яркости дня, определяемый как отношение дневной радиации на горизонтальную поверхность к радиации Ho в космосе на эту же поверхность, т. е.:
H
KT =
н,
Ho =-
24 L„
, ^ i 365dn
1 + 0,033cosI-I ix
360
x I cos (ф) cos (5) sin (ws) + sin (ф) sin (5)
180
V=24 (x+ycos (w))x
cos (w) - cos (ws) sin ( w)- 180 ^ cos ( ^ )
где x = 0,409 + 0,516sin (ws - 60);
y = 0,6609 + 0,467 sin (ws - 60) .
Часовые значения рассеянной солнечной радиации могут быть вычислены из уравнения Лю и Джордана [3] как:
Id = Hd
24 cos (w)- cos (ws)
8 • / \ 8ws , ч
sin (ws)- 180cos (ws)
Прямая компонента солнечной радиации на горизонтальную поверхность земли в этом случае определяется из уравнения:
1ЬИ = 1{И ~ ^ .
71
X
Время, ч
Т5
m
21 Июнь
й &
Время, ч
21 Декабрь
--- ibh
ч- id
Рис. 5. Внеземная, глобальная и рассеивающая солнечная радиация в Мосуле на протяжении 21 марта, 21 июня, 21 сентября и 21 декабря
Часовые значения прямой солнечной радиации на поверхность, расположенную под углом к направлению луча Ibn , можно вычислить из Ibn = —.
cos(0z )
На основе вышеобозначенных формулировок была разработана компьютерная программа для вычисления параметров часовых значений солнечной радиации на горизонтальную поверхность. Для сравнительного анализа, определяющего достоверность компьютерной программы, использовались данные средней дневной солнечной радиации для каждого месяца, измеряемой на горизонтальных поверхностях и получаемой из Иракской метеорологической и сейсмологической организации в Мосуле (Ирак), в течение 25 лет (1980 - 2005).
Рис. 5 показывает осредненные за 25 лет часовые значения внеземной, максимально расчетной и рассеянной радиации на горизонтальной поверхности 21 марта, 21 июня, 21 сентября и 21 декабря. Из графиков становится понятно, что солнечная радиация усиливается от утра к полудню и затем уменьшается к вечеру, и это стандартный результат для всех дней на протяжении года, а часовая сумма внеземной, максимально расчетной и рассеянной радиации увеличивается от декабря к июню примерно на 74, 77,8 и 62 % соответственно по данным в полдень. Рис. 6 демонстрирует колебания реальной и максимальной расчетной солнечной радиации на горизонтальной поверхности на протяжении каждого месяца года. Становится
очевидно, что есть существенное сходство между реальной и расчетной максимальной радиацией. Расхождение между этими величинами не более 13,6 %.
На рис. 7 показаны часовые значения максимальной расчетной солнечной радиации на горизонтальную поверхность с 21 февраля до 21 декабря, осредненные за 25 лет. Из рисунка становится очевидным, что солнечная радиация усиливается с февраля по июнь, а затем уменьшается до декабря. Часовые значения максимальной расчетной радиации увеличиваются с февраля по июнь примерно на 54,3 %, а затем снижаются с июня по декабрь примерно на 75,3 %.
5 6 7 8 9 10 11 12
Время, ч
Рис. 6. Изменения реальной и максимальной расчетной помесячно солнечной радиации на горизонтальной поверхности в течение года
Время, ч
Рис. 7. Часовые изменения значений максимальной расчетной солнечной радиации на горизонтальной поверхности в течение года
В работе определен ряд прогнозных вариантов часовых значений земной солнечной радиации на поверхность земли: прямого рассеянного и максимального расчетного излучения для географически конкретного места. Данные могут быть использованы для определения теплоснабжения зданий, а также для разработки тепловых систем, эффективно используемых в других целях и в производстве электроэнергии.
Литература
1. Sahib N.A., Ali M., Hassan A.G. Calculation and Applications of net Solar Radiation in Iraq, 2008.
2. Мохаммед Камил Али Гази, Ефимов Н.Н. Перспективы использования солнечных энергоустановок в условиях Ирака // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион, 2013. № 6. С. 57 - 61.
3. Liu BYH, Jordan R.C. The interrelationship and characteristic distribution of direct, diffuse and total solar radiation Solar // Energy. 1960. № 4. Р. 1 - 19.
4. Kamali Gh. A., Moradi I., Khalili A. Estimating solar radiation on tilted surfaces with various orientations: a study case in Karaj (Iran) // Theor. Appl. Climatol. 2006. Vol. 84. Р. 235 - 241.
5. AhmadM.J., Tiwari G.N. Estimation of Hourly Global Solar Radiation for Composite Climate // Open Environmental Sciences. 2008. № 2. P. 34 - 38.
6. Collares-Pereira M. Rabl A. The average distribution of solar radiation correlation between diffuse and hemispherical and between daily and hourly insolation values // Solar Energy. 1979. № 22. Р. 155 - 164.
7. Duffie J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes. 1980.
8. Al-Hilphy A. R. S. A theoretical and practical study for the incident solar radiation intensity in the Basrah province (south of Iraq) // Journal of Engineering. 2013. Vol. 2. P. 25 - 35.
9. Polagye B., Philip C. Malte. Solar Thermal Conversion for Domestic Hot Water and Space Heating at Hawaii Volcanoes National Park // University-National Park Energy Partnership Program, 2003.
10. Al-Rawahi N.Z., Zurigat Y.H., Al-Azri N.A. Prediction of Hourly Solar Radiation on Horizontal and Inclined Surfaces for Muscat/Oman // Journal of Engineering Research. 2011. Vol. 8, № 2. Р. 19 - 31.
Поступила в редакцию
1 апреля 2014 г.
