CC BY
101
2. Электрометаллургия водных растворов / пер. с нем.; под ред. Г. Егера. М.: Металлургия, 1966. 550 с.
3. Harmonics and Harmonic Mitigating Transformers (HMT's) Mirus International Inc. www.mirusinternational.com
4. Roger C. Dugan. Electrical Power Systems Quality. Digital Engineering Library. 2004. 521 p.
5. Solonina N.N., Stepanov V.S., Solonina Z.V., Smirnov A.S., K.V.Suslov. Smart meters for microgrids // 2012 International Conference on Power and Energy Systems (ICPES 2012). (Hong Kong, 12-13 а^^ 2012).
6. Suslov K.V., Solonina N.N., Smirnov A.S. Improving the relia-
bility of operation Microgrids // 2012 IEEE International Energy Conference and Exibition ENERGYCON 2012. Towards user-centric smart systems. Florence Italy, 9-12 September 2012.
7. Suslov K.V., Solonina N.N., Smirnov A.S., Smart Grid. A new way of receiving primary information on electric power system state // IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe. 2011, Manchester, UK 2011.
8. Suslov K.V., Solonina N.N., Smirnov A.S.. Smart meters for distributed filtering of high harmonics in Smart Grid // III International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, Powereng 2011, Spain, Malaga 2011.
УДК 620.91
УЧЕТ ДАННЫХ МЕТЕОСТАНЦИЙ ПРИ АНАЛИЗЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
© В.А. Шакиров1, А.Ю. Артемьев2
Братский государственный университет, 665709, Россия, г. Братск, ул. Макаренко, 40.
Облачность оказывает высокое влияние на выработку электроэнергии солнечными энергетическими установками. В настоящее время большинство исследований по оценке проектов использования солнечных энергетических установок ориентированы лишь на расчет прямой солнечной радиации при безоблачном небе. Для повышения точности гелиоэнергетических расчетов целесообразно использовать данные архивов метеостанций, предоставляемые интернет-ресурсами. В данной статье представлена методика и программа для ЭВМ по учету влияния облачности на количество поступающей солнечной радиации. На примере села Онгурен проведен расчет прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность при безоблачном небе, а также при учете облачности.
Ключевые слова: солнечные энергетические установки; метеостанции; облачность; гелиоэнергетический потенциал.
ACCOUNTING WEATHER STATION DATA IN THE ANALYSIS OF SOLAR POWER SYSTEMS APPLICATION EFFICIENCY
V.A. Shakirov, A.Yu. Artemiev
Bratsk State University,
40 Makarenko St., Bratsk, 665709, Russia.
Clouds has a high impact on the generation of electrical power by solar power systems. Most current researches directed at the evaluation of solar power plant projects are focused only on the calculation of the direct solar radiation at cloudless skies. To improve the accuracy of solar energy calculations it is advisable to use the data of weather stations provided by Internet resources. The paper presents methods and a computer program for accounting the effect of clouds on the amount of incoming solar radiation. By example of the Onguren village, the direct solar radiation incoming on the horizontal surface has been calculated under conditions of clear and clouded sky. Keywords: solar power systems; weather stations; clouds; solar energy generation potential.
Повышение точности оценки ресурсов возобновляемых источников энергии способствует принятию обоснованных и экономически эффективных решений по энергетическим проектам и поэтому является актуальной задачей [1, 2]. Для оценки эффективности использования солнечных энергетических установок существуют различные методики [3, 4], которые, как правило, основаны на расчетах поступающей солнечной радиации при безоблачном небе. Дальнейшее уточнение оценок проводится в направлениях: учета наклона и расположения поверхности солнечного
элемента (СЭ) как стационарного, так и вращающегося в пространстве [5]; уточнения расчета технического потенциала СЭ, зависящего от его параметров и погодных условий [6]; определения доли прямого и рассеянного излучения в общем потоке [7].
Существенное влияние на конечную выработку электроэнергии СЭ оказывают погодные условия, в частности облачность [8].
В данной работе предложена методика учета влияния облачности на количество солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, по дан-
1Шакиров Владислав Альбертович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроэнергетики и электротехники, тел.: 89500577587, e-mail: [email protected]
Shakirov Vladislav, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Power Engineering and
Electrical Engineering, tel.: 89500577587, e-mail: [email protected]
2Артемьев Андрей Юрьевич, аспирант, тел.: 89500925537, e-mail: [email protected]
Artemiev Andrei, Postgraduate, tel.: 89500925537, e-mail: [email protected]
ным метеостанций. Также на примере района п. Онгу-рен Иркутской области проведены расчеты поступающей радиации и показана необходимость учета облачности.
Учет влияния облачности предлагается проводить в три этапа:
1. Составление массива данных значений прихода солнечной радиации.
2. Обработка архива данных метеостанций об облачности.
3. Корректировка значений солнечной радиации с учетом данных об облачности.
Методика расчета реализована в программе для ЭВМ Sun-MCA, что позволяет быстро и наглядно проводить оценку эффективности применения солнечных энергетических установок.
На первом этапе проводится составление массива данных значений прихода солнечной радиации при допущении безоблачного неба и горизонтального расположения СЭ относительно поверхности земли для каждого часа рассматриваемого периода. Мощность энергетического потока, поступающего на квадратный метр поверхности Яг (Вт/м ), определяется по формуле [9]
Яг = Я™* • соз6>(?) , (1)
где Я™ - приток солнечной радиации на 1 м земной поверхности с учетом потерь через атмосферу и отражения от поверхности земли, принимается равным 950 Вт/м ; оо$в(() - приведенный угол падения солнечных лучей.
Значения оо$в(() для каждого дня определяются по формуле:
cos 0(t) = sin ф ■ sin S(t) + cos ф ■ cos S(t), (2)
где ф - северная широта пункта, град.; S - склонение солнца в данные сутки, град.
Склонение солнца S определяется по формуле Купера:
S = Зп ■ sin 360'
284 + n ■ 365
(3)
где п - номер дня, начиная с 1-го января; 30 = 23,45° - для северного полушария.
Продолжительность солнечного сияния в данные сутки Тс рассчитывается:
Тс = 0,133 ■ (arccos(^ ■ tgö)).
(4)
В результате расчетов по формулам (1)-(4) могут быть получены данные прихода солнечной радиации при ясном небе на горизонтальную площадку. Фрагмент работы с программой Sun-MCA по определению прихода солнечной радиации представлен на рис. 1.
На втором этапе проводится обработка данных архива метеостанций в разработанной программе Sun-MCA. Данные архивов метеостанций могут быть взяты с различных Интернет-ресурсов, например: http://rp5.ru/, http://meteo.infospace.ru/. Используются данные по измерению облачности в баллах, проводимые на метеостанциях четыре раза в сутки. Для оценки облачности в каждый час суток рассматриваемого периода было принято допущение о линейном изменении облачности между измерениями. Результаты обработки архива данных представлены на рис. 2.
...................
пиши iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii ■ и и IIII III i llllirillllllllllllllllllllll mil ''muni........
mu.........."ni............i......
mi mi.............i in.......in
н : IIIIII WIMIII lililí II IIIIIIIII 11! illllll III I II IUI im II in um Iiiiiiiiiiii i iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii Ulli' III IUI IUI III Hill 'i I Illllll 'I lllllllllll llllllll II Uli 'IIIIIIIIIIII Hill lll'lllll IIIIIIIII III nun
11 'III IUI
i immun и
Uli illlllllillillll
II IIIIIIIMIIIII'llllll и i ni'iiiiiui
Н1НЯП
liiai
ЯЯ rasrüj!
i
шиш un шиш
"in 111
111» III
Рис. 1. Рабочее окно программы Бип-МСА с графиками прихода солнечной радиации в течение июля 2001 г.
в районе п. Онгурен без учета облачности
D
Рис. 2. Рабочее окно программы Sun-MCA с графиком облачности в течение июля 2001 г.
в районе п. Онгурен
При наличии облачности интенсивность радиации меняется в зависимости от оптической плотности облаков, их распределения по небесному своду и положения по отношению к диску солнца [10]. Эти изменения происходят настолько быстро и в таких широких пределах, что отдельные значения интенсивности радиации имеют случайный характер и влияние основных определяющих факторов - высоты солнца, характера облачности и длины дня может быть выявлено только при обобщении очень большого числа измерений [10]. Наибольший интерес представляет определение сумм радиации (часовых, суточных, декадных или месячных), получаемых горизонтальной поверхностью при действительных условиях облачности, наблюдаемых в данном пункте в данное время [10].
На третьем этапе корректируются значения солнечной радиации с учетом данных об облачности по одной из методик [10]:
Кбл = (1-0,38)(1 + 0,1-Кобя)• 0,1Ко& • ЯЛ, (5)
где Ко6л - облачность в баллах; - поток прямой
солнечной радиации при ясном небе, Вт/м2.
Возможные суммы радиации вычисляются на основе метода Украинцева. Как отмечается в работе [10], суммы радиации, вычисленные по методу Укра-инцева, получаются завышенными. Это завышение компенсируется соответствующим уменьшением коэффициентов формулы (5) [10].
При ясном небе суточные суммы суммарной радиации пропорциональны суммам прямой радиации. При наличии облачности величины меняются в одну и ту же сторону, так что между ними сохраняется зави-
симость, близкая к пропорциональной [10]. Формула (5) была предложена Т.Г. Берлянд и использовалась для исследования географического распределения суммарной радиации на территории СССР и построения карт суммарной радиации для Атласа теплового баланса.
На рис. 3 представлен фрагмент работы в программе Sun-MCA по расчету солнечной радиации с учетом данных метеостанций об облачности.
Таким образом, на основе предлагаемой методики может быть проведена оценка поступающей солнечной радиации на горизонтальную поверхность с учетом данных метеостанций.
В качестве примера проведем анализ влияния облачности на поступление солнечной радиации в районе п. Онгурен Иркутской области.
Поселок Онгурен расположен на берегу озера Байкал, зона которого является одной из перспективных для исследования эффективности применения солнечных установок.
Район Байкала отличается большой суммарной продолжительностью солнечного сияния, например, в поселке Большое Голоустное она доходит до 2524 часов, что больше, чем на черноморских курортах, и является рекордным для России. Дней без солнца в году в этом же населенном пункте бывает только 37, а на острове Ольхон - 48. Карта годовых величин солнечного сияния на Байкале и в его бассейне обнаруживает значительную неравномерность в пространственном распределении годовых сумм с тенденцией общего уменьшения к северу (от 2400-2600 на юге до 1400-1660 ч/г. на севере бассейна). Повышенными величинами продолжительности солнечного сияния выделяются обширные межгорные котловины, пони-
lllllllll 1 lllllllll 1 lllllllll lllllllllll 1 lllllllll lllllllllll 1 l| 1 II 1 II 1 l|i|lll 11 II |l|l 11 lllllll 11 lllllll 11 lllllll rrillllll 11 IIIIII! 11 IIIIII! 11 IIIIII 1 II1 IIIIII! 1 111Г1 II'II IUI
.....................................................1......................................1..............
1 ilillili1'! lili 111 lllllll lllllllllll II llllll|illllllllillll¡lllllllll lllllllll 1 lllllllll 1 lllllllll 1 lllllllll 1 lllllllll lllllllllll 1 Hl«...........................III'....................................... ........................I..............
11 lili' lili ' lililí lililí 1 i illi '1 lili I1 lili lllllllll lililí lllllllllllllllllllllll'ir 'i i; .........III......III lllllllll lllllllllll lllllllllllllllllllllll im lllllllllll nulluni VI! митинг iiiiiiiiniini niiiiinniin i
lllllllll 11:1' 'llllllllllllllll1' N11 1 lllllllll 1 lllllllll 1 111 IIIIII' 1' 111 11|!| 11 1 II 1 lili 1 II NI 11 II 1И11 lililí' 11 lllllll 11 II" ' 11 lllllll 11 III lllllll 11 HIN' "lllllllll 11 IN II l'lllllll
II lililí II' ".....i....... ......... и..... ............................i.....ni tu iiiiiimi im шиши мшит ni ii III II llllllirilllllllllllllllllll'll lllllll lllllll' НИ Г И III II IUI ' lllllll i:' i ;
пиши Niiiiiiiiini 'iiiiiiiiiniiiii .......... ...........II II........1 II III il 11 II ! i i '.Hl ИНН.....IIIIII.....II .....
i:iir i ii muí' muir iimiii i mu 11 ниши i niiiiiiiiiiiir II IUI II IIIHIIIllllllMMIIIIIIIir .............. lllllllllll! II II II.............................H'lll l'llll
lililí 1 I: 1 lililí II lllllllll 1 lili lililí II! I llíll 1....... l Hill II in; II11III-1 II IIIIII 'lllllllll II lllllllllll III Hill : IIIIIIH 'IIIIII II II II'!'!......
iiiiii 'ii mu nuil i ni i ii i III! III' II IUI МИШИН I lllllllll!1 Ill'lllllllll ......IM ......'III' ........III.......IM ...................
mu mi iiiimii rnin iiiiiiinn IIIIII II ....... MIHI (III IUI: Hill lllllllll pilllllllllillllll n iiiiiiiiiii'iini n ni iiiimi iinniiiMiiiiiiin iiiiiiiiiii in 1 'Ниши 11 niiiiiimii iiiiiiiiiii Iii
III lili lllllllll .11II lllllllll lililí! lllllllll III III rilllllll! HIHI IIIIII .....lllllllll 1111 lllllllll 1111!!! i I ПНИ III ШИШ I! : illllll Uli II llllllllllllllll
Рис. 3. Рабочее окно программы Sun-MCA с графиком прихода солнечной радиации в течение месяца
с учетом облачности
женными - горные области и хребты, в частности Се-веро-Байкальское нагорье. Во впадине оз. Байкал меньше часов солнечного сияния приходится на восточное побережье, где более выражены процессы конденсации, туманообразования и облачности из-за преобладания западного перемещения воздуха над водной поверхностью и поднятия его по наветренным склонам береговых хребтов [3].
Прозрачность атмосферы над Байкалом в среднем на 13% выше, чем над Иркутском. Максимальная прозрачность атмосферного воздуха бывает в осенне-зимний период, минимальная - в весенне-летний. Приток прямой солнечной радиации в летние месяцы достигает 9,9 ккал/см2, а в течение года - 60 ккал/см2. Величины суммарной радиации изменяются от 90-100 ккал/см2 в год на севере Байкала до 110 ккал/см2 в средней котловине озера. Радиационный баланс на побережье Байкала зимой отрицательный. Сумма отрицательных значений составляет 3-4 ккал/см2 на побережье озера и до 5-7 ккал/см2 в горных районах. Положительные величины радиационного баланса на Байкале достигают 37-40 ккал/ см2. В среднем радиационный баланс за год здесь равен 35-45 ккал/см2 [3].
Координаты расположения поселка Онгурен: 53°37'60" северной широты и 107°35'60" восточной долготы. Высота над уровнем моря - 494 метра. Население поселка составляет 519 человек. В советское время здесь работала скотоводческая ферма, маслозавод, пекарня, аэродром. В поселке есть средняя школа. Зимой сообщение с другими населенными пунктами осуществляется по льду Байкала. Поселок не охвачен централизованным электроснабжением, электричество вырабатывается дизельным генератором. В связи с высокой стоимостью топлива для генератора жители Онгурена пользуются электричеством не более трех часов в сутки.
Для анализа были использованы данные архива ближайшей метеостанции Солнечная -#30537 (54°02^, 108°16'Е), удаленной на 61,9 км от п. Онгурен. Архив содержит данные с 2001 по 2004 гг.
Максимальная продолжительность солнечного сияния 16,76 ч наблюдается в Онгурене 21 июня, а минимальная - 7,24 ч - 21 декабря (рис. 4).
Дни июня и декабря значительно отличаются по интенсивности солнечной радиации в течение дня при условии безоблачного неба (рис. 5).
При условии постоянно ясного неба приход солнечной радиации за год на горизонтальную поверхность составит 1523,599 кВт ч/м .
На графике облачности, составленном на основании данных архивов метеостанций (рис. 6), можно отметить, что в иследуемом районе наблюдается довольно высокий уровень облачности -6-8,5 баллов, исключением является лишь 2004 год.
На рис. 7 представлен график изменения поступающей за день энергии в течение года без учета облачности и с ее учетом. Можно говорить о стохастическом характере изменения облачности и соответствующем ее влиянии на поступающую энергию солнечного излучения.
В таблице приведены данные расчета солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность без учета облачности и с учетом облачности за 20012004 гг. Видно, что значения энергии при учете облачности могут быть меньше принятых при безоблачном небе в два и более раз. Соответственно при учете облачности будет скорректирована в меньшую сторону и оценка выработки электроэнергии солнечными модулями, а срок окупаемости проектов по использованию солнечных энергетических установок при этом будет увеличен.
20 Тс, ч 15 10 5 0
0
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 Рис. 4. Продолжительность солнечного сияния в п. Онгурен в течение года
ень
330 360
R, Вт/м2
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
час
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
-21 июня--21 декабря
Рис. 5. Поступление солнечной радиации в течение суток
Кобда балл
8 7
J? J? ^ J* / J* J* / Ь<?
2001 ---2002
■2003 ---2004
Рис. 6. Графики облачности за 2001-2004 гг. в районе п. Онгурен
9
6
5
4
3
2
1
0
Рис. 7. Изменение валового потенциала солнечных модулей в течение года без учета облачности и с учетом облачности. Двойная пунктирная линия - усредненная линия тренда
Энергия, поступающая на горизонтальную поверхность без учета облачности и с учетом облачности за 2001-2004 гг.
Месяц Энергия без учета облачности, кВтч/м2 Энергия с учетом облачности, кВтч/м2
2001 г. 2002 г. 2003 г. 2004 г.
Январь 30,121 17,676 12,161 15,697 14,809
Февраль 52,714 25,135 26,124 24,252 24,265
Март 107,740 52,079 47,180 65,320 49,862
Апрель 164,979 78,885 71,098 82,926 74,649
Май 227,300 120,430 128,811 128,320 146,086
Июнь 248,520 129,007 106,270 137,315 192,356
Июль 242,794 108,624 112,411 104,611 181,503
Август 192,717 91,905 101,184 92,753 146,359
Сентябрь 125,587 50,252 67,559 58,849 95,605
Октябрь 73,161 35,533 29,715 26,753 54,291
Ноябрь 35,204 17,439 14,710 13,939 23,292
Декабрь 22,762 9,664 10,002 9,700 13,505
Энергия за год, кВтч/м2 1523,599 736,629 727,226 760,435 1016,583
На основании исследования можно сделать вывод, что облачность оказывает существенное влияние на приход солнечной радиации. Поэтому при оценке экономической эффективности использования солнечных энергетических установок учитывать облачность крайне необходимо. Предлагаемая методика и
программа Sun-MCA позволяют учесть влияние облачности на количество солнечной радиации по данным метеостанций и предоставляют исходные данные для дальнейших расчетов.
Статья поступила 10.12.2014 г.
Библиографический список
1. Мингалеева Р.Д., Зайцев В.С., Бессель В.В. Оценка технического потенциала ветровой и солнечной энергетики России // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2014. № 3. С. 84-92.
2. Hossain J., Mahmud A. Renewable energy integration. Challenges and solutions. Springer Singapore Heidelberg New York Dordrecht London. 2014. 447 p.
3. Battisti R., Corrado A. Evaluation of technical improvements of photovoltaic systems through life cycle assessment methodology // Energy. 2005. V. 30. P. 952-967.
4. Foster R., Ghassemi M., Cota A. Solar energy: renewable energy and the environment. Boca Raton: CRC Press. 2010. 352 p.
5. Автономная система слежения за солнцем для солнечной энергосистемы / М.В. Китаева, А.В. Юрченко, А.В. Охорзина, А.В. Скороходов // Ползуновский вестник. 2011. № 3/1.
С. 196-199.
6. Chakraborty S. Power electronics for renewable and distributed energy systems: a sourcebook of topologies, control and integration. Springer-Verlag London, 2013. 609 p.
7. Тюхов И.И., Раупов А.Х. Мониторинг погодно-климатических условий для солнечной энергетики // Альтернативная энергетика и экология. 2014. № 2 (142). С. 99-108.
8. Atwater M.A., Ball J.T. Effects of clouds on insolation models // Solar Energy. 1981. P. 37-44.
9. Солнечная энергетика: учеб. пособие для вузов / В.И. Виссарионов, Г.В. Дерюгина, В.А. Кузнецова, Н.К. Ма-линин; под ред. В.И. Виссарионова. 2-е изд. М.: Изд. дом МЭИ, 2011. 276 с.
10. Сивков С.И. Методы расчета характеристик солнечной радиации. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. 185 с.
