CC BY
39
УДК 621.311
ВЛИЯНИЕ УГЛА НАКЛОНА СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА НА СОЗДАНИЕ НАИБОЛЬШЕГО ЭФФЕКТА ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2014 г. Мохаммед Камил Али Гази, Ибрахим Ахмед Халид
Мохаммед Камил Али Гази - мл. преподаватель, машино- Mohammed Kamil Ali Ghazi- assistant lecturer in mechanical строительный факультет, инженерный колледж, Мосуль- engineering department, College of Engineering/Mosul Univer-ский университет, аспирант, кафедра «Тепловые электриче- sity, post-graduate student, department «Thermal Power Sta-ские станции и теплотехника», Южно-Российский государ- tions and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian ственный политехнический университет (Новочеркасский State Polytechnic University (NPI). E-mail: aaggmmkk политехнический институт) им. М.И. Платова. E-mail: @yahoo.com aaggmmkk @yahoo.com
Ибрахим Ахмед Халид - мл. преподаватель, машинострои- Ibrahim Ahmed Khalid - assistant lecturer in mechanical engi-тельный факультет, инженерный колледж, Мосульский neering department, College of Engineering/Mosul University, университет, аспирант, кафедра «Тепловые электрические post-graduate student, department «Thermal Power Stations станции и теплотехника», Южно-Российский государствен- and Heat Transfer Engineering», Platov South-Russian State ный политехнический университет (Новочеркасский поли- Polytechnic University (NPI). E-mail: ahmednewmosul@ технический институт) им. М.И. Платова. E-mail: yahoo.com ahmednewmosul@yahoo.com
Предпринимается попытка разработать компьютерную программу для оценки мощности солнечного излучения: создана и проанализирован модель действия прямых лучей, рассеянного и суммарного солнечного излучения на основе среднего месячного показателя дневного излучения, определенного для горизонтальных и наклонных поверхностой в климатической зоне города Мосул, Республика Ирак (широта: 36.19, долгота: 43.09, высота: 223 м над уровнем моря). Большинство параметров, используемых для моделирования в работе, являются частью входных данных, необходимых для создания программного обеспечения в системах теплового моделирования солнечных энергосистем. Представлены основные взаимосвязи влияния солнечного излучения на горизонтальные и наклонные поверхности в виде функции от времени и направления. Результаты, представленные в работе, могут быть полезны для оценки солнечного излучения и для анализа показателей работы солнечного коллектора. Компьютерные программы образуют основу для проведения любых автоматизированных расчетов и определения параметров работы солнечных энергосистем.
Ключевые слова: часовое значение солнечной радиации; часовое значение рассеянной солнечной радиации; наклонная поверхность; коллектор.
In this paper, an attempt has been made to develop 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 and tilted surfaces 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. Important trends of the solar radiation on horizontal and tilted surfaces as a function of time and direction are being presented and discussed. The effect of tilt angle on the incident solar radiation fluxes for different months along the year are presented. A comparison of the incident solar radiation on horizontal and tilted surfaces has been made. The results presented in this paper are quite useful for quick estimation of solar radiation for calculations of solar collector performance. Also, 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; tilted collector.
Солнечная радиация - это основной природный электрических технологий. Тепловые системы приме-
энергетический ресурс. Он управляет всеми экологи- няют для генерации тепла, нагрева воды, приготовле-
ческими процессами, действующими на поверхности ния пищи, обогрева, сушки, паровых двигателей и др.
Земли. В космосе солнечная радиация практически В гелиотехнике поверхности захвата солнечной ра-
постоянна; на Земле она варьируется в зависимости от диации известны как солнечные коллекторы. Количе-
дня года, времени суток, широты, состояния атмосфе- ство солнечной радиации зависит также от положения
ры. Солнечная радиация может быть конвертирована поверхности на местном ландшафте. Полная солнеч-
в полезные виды энергии (тепло и электроэнергия) с ная радиация, падающая на любую горизонтальную
использованием разнообразных термальных и фото- или наклоненную плоскость, состоит из трех компо-
нентов: прямой луч, рассеянная и отраженная радиация. Солнечный свет проходит через атмосферу, частично поглощается, рассеивается и отражается молекулами воздуха, паров воды, облаков, пыли и загрязняющих веществ [1].
Построение любой солнечной энергосистемы требует знаний о возможности и доступности солнечного излучения в интересующем месте. В местности, для которой отсутствуют данные по замерам солнечного излучения, можно использовать эмпирические уравнения, разработанные целым рядом исследователей [2 - 10]. Если значения часовой суммы солнечной радиации не известны, их необходимо измерять на основе дневных показателей. Существуют различные методы, позволяющие производить перевод дневных значений солнечной радиации в часовые. Распределение общего излучения на горизонтальные поверхности в течение дня было изучено Лю и Джордан [2], которые показали, что отношение часового излучения к дневному может быть связано с длиной светового дня и часовым углом. Часы определялись временем в середине часа, а дни считались от астрономического полудня [3].
В предлагаемой работе была разработана компьютерная программа, чтобы представить анализ данных часовой солнечной радиации в зависимости от среднемесячных значений общей дневной на протяжении 25 лет (1980 - 2005), измеряемых на горизонтальных поверхностях земли, конкретно в г. Мосул в Ираке (широта: 36.19, долгота: 43.09, высота: 223 м над уровнем моря). Эти данные используются в моделях, предложенных Лю и Джордан [2], и Колларес-Перейра и Рабл [4], которые также связывают часовые значения с дневными значениями солнечного излучения, падающего под определенным углом поверхности. Сравнение было сделано между горизонтальными и наклонными поверхностями, чтобы получить максимальную солнечную радиацию в них для углов наклона 15° - 75° к горизонтальной поверхности в направлении на юг в течение года. Данные о среднемесячной общей часовой сумме солнечной радиации получены из Иракской метеорологической и сейсмологической организации в г. Мосул, Ирак.
Рис. 1 демонстрирует колебания реальной и максимальной расчетной солнечной радиации на горизонтальной поверхности на протяжении каждого месяца года. Очевидно, что есть существенное сходство между реальной и расчетной максимальной радиацией. Расхождение между этими величинами не более 13,6 %. Рис. 2 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 следует, 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, максимальной расчетной и рассеянной радиации увеличивается от
декабря к июню примерно на 74, 77,8 и 62 % соответственно по данным в полдень.
Рис. 1. Изменения реальное и максимальной расчетной
помесячно солнечной радиации на горизонтальной поверхности в течение года
На рис. 3 показаны часовые значения максимальной расчетной солнечной радиации на горизонтальную поверхность с 21 февраля до 21 декабря, осредненные за 25 лет. Видно, 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 %.
Рис. 4 показывает часовую сумму солнечной радиации в Мосуле для ровной поверхности при различных углах наклона и для горизонтальной поверхности по направлению к югу 21 марта, 21 июня, 21 сентября и 21 декабря соответственно. Солнечная радиация на горизонтальной и наклонной поверхностях на протяжении 21 июня выше, чем на протяжении 21 марта, 21 сентября и 21 декабря. Этот рисунок показывает, что максимальное количество радиации достигается 21 июня на горизонтальной поверхности с в = 0, и полученная солнечная радиация значительно уменьшается с увеличением угла наклона, в то время как 21 марта, 21 сентября и 21 декабря максимальное количество радиации достигается при угле наклона в 75°, при котором полученная солнечная радиация увеличивается на 20, 14,8 и 54,5 % по сравнению с количеством радиации на горизонтальной поверхности соответственно. Тенденции, показанные на рис. 4, указывают на то, что количество полученной солнечной радиации на поверхности зависит от наклона поверхности.
На рис. 5 представлены часовые значения максимальной расчетной солнечной радиации на наклонной поверхности с 21 февраля до 21 декабря, осредненные за 25 лет. Видно, 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 29,1 %, а затем снижаются с июня по декабрь примерно на 45,9 %.
21 июня
Ii ti
Время, ч
11 и
Время, ч
Рис.
2. Внеземная, максимальная расчетная и рассеянная солнечная радиация в Мосуле на протяжении 21 марта,
21 июня, 21 сентября и 21 декабря
Тенденции, показанные на рис. 3 и 5, доказывают, что количество получаемого солнечного излучения на поверхности зависит от её наклона, а увеличение почасового излучения на наклонной поверхности с февраля по июнь и с июня по декабрь в сравнении с горизонтальной поверхностью составляет примерно 46,4, 39 % соответственно.
11 13
Время, ч
Рис. 3. Изменения часовых значений максимальной расчетной солнечной радиации на горизонтальной поверхности в течение года
На рис. 6 показан угол наклона, который позволяет получить максимальное количество радиации и соответствующее ему солнечное излучение, а также диапазон углов наклона, которые будут поддерживать полученную солнечную радиацию на уровне 15° - 75° к горизонтальной поверхности. Очевидно, чтобы получить максимальное количество солнечной радиации из коллектора в период с сентября по апрель, угол наклона необходимо практически постоянно держать в 75° для целого диапазона меняющихся углов наклона 15° - 75°, в то время как соответствующие значения для периода с апреля по сентябрь получаются при изменении угла наклона с 75° до 0° в июне и затем с 0° до 75° в сентябре.
Рис. 7 показана почасовая максимальная расчетная солнечная радиация на горизонтальных и наклонных поверхностях с января по декабрь. Очевидно, что в период с января по апрель значение падающей солнечной радиации на наклонные поверхности превышает соответствующие значения для горизонтальной поверхности. Эти колебания составляют 48,6, 35,5, 20,4, 0,2 % соответственно. В то время как за период с сентября по декабрь эти значения колеблются в пределах 14,8, 32,3, 45,8, 54,4 %.
21 марта
В = 15
В = 30
В = 45
В = 60
В = 75
В = 0
»VI
н
Щ
S <AV
й ч»
а
Щ
К ...
о
О
1»
и II
Время, ч
Ii
21 сентября
и и ю
Время, ч
21 июня
И I» I» 1' 14
Время, ч
21 декабря
^ В = 30 ^ В = 45 ■ф. В = 60 —- В = 75 В = 0
II II 10
Время, ч
Рис. 4. Колебания часовой суммы солнечной радиации на наклонной и горизонтальной поверхности с течением времени в г. Мосуле для различных углов наклона в, по направлению к югу для 21 марта, 21 июня, 21 сентября и 21 декабря
1000
1000
11 13 15 Время, ч
Рис. 5. Изменения часовых значений максимальной расчетной солнечной радиации на наклонной поверхности в течение года
150 200 Дни года
Рис. 6. Оптимальные углы наклона на протяжении года для солнечного коллектора и соответствующие ему значения общего солнечного излучения в г. Мосул
Горизонтальная поверхность Наклонная поверхность
Рис. 7. Разница между количеством солнечной радиации, падающей на коллекторе, по сравнению с максимальной возможной радиацией, которую получает тот же коллектор с углами наклона между 15° - 75°
В работе дан ряд прогнозов часовой суммы земной солнечной радиации на горизонтальных и наклонных поверхностях: прямых лучей, рассеянной и максимальной расчетной радиации на основе измеряемого ежемесячно среднего количества дневной солнечной радиации на горизонтальной поверхности. Эффект наклонного угла падения солнечной радиации представлен для того, чтобы достичь сбора максимального объема солнечной радиации в г. Мосул. Информация о полученном солнечном излучении на горизонтальных и наклонных поверхностях может быть достаточно полезной в оценке получения тепла зданиями. Также информация о максимальном объеме солнечной радиации и угле наклона полезна для солнечных коллекторов, следящих за Солнцем, которые регулируются в ручном режиме примерно раз в месяц. Таким образом, разработан важный инструмент для проектирования и установки солнечных тепловых систем, имитаций и оценке их эффективности.
Литература
1. Foster R., Ghassemi M., Cota A. SOLAR ENERGY Renewable Energy and the Environment, 2010, Taylor and Francis Group, LLC.
2. Liu BYH, Jordan RC. The interrelationship and characteristic distribution of direct, diffuse and total solar radiation // Solar Energy. 1960. № 4. Р. 1 - 19.
3. AhmadM.J., Tiwari G.N. Estimation of Hourly Global Solar Radiation for Composite Climate // Open Environmental Sciences. 2008. № 2. Р. 34 - 38.
4. 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.
5. 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.
6. Duffie J.A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes, 1980.
7. Al-HilphyA. 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.
8. Gh. A. Kamali, I. Moradi, A. Khalili Estimating solar radiation on tilted surfaces with various orientations: a study case in Karaj (Iran) // Theor. Appl. Climatol. 2006. № 84. Р. 235
- 241.
9. Мохаммед Камил Али Гази, Ефимов Н.Н. Перспективы использования солнечных энергоустановок в условиях Ирака // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2013. № 6. С. 57 - 61.
10. Мохаммед Камил Али Гази. Солнечная энергетика в климатических условиях Ирака // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 4.
Поступила в редакцию
28 апреля 2014 г.
