Расчёт интенсивности солнечной радиации для проектирования

Расчёт интенсивности солнечной радиации для
проектирования систем солнечного горячего
водоснабжения
http://www.geleo.boom.ru/article03.htm
Как показано в [1], при действующих в настоящее время в России тарифах на
тепловую и электрическую энергию приемлемые сроки окупаемости (5 - 8 лет)
даже для южных регионов страны имеют только системы солнечного горячего
водоснабжения (ГВС), под которыми согласно ГОСТ Р 51594 – 2000 [2]
понимаются системы, использующие солнечную энергию для нагрева воды и
обеспечивающие частичное или полное покрытие нагрузки ГВС потребителя.
Проектирование гелиоустановок начинается с определения достоверных
значений интенсивности солнечной радиации, которая на границе верхних слоёв
атмосферы Земли составляет в среднем 1395 Вт / м². Данное значение,
называемое солнечной постоянной, может изменяться на ± 2 % в зависимости от
солнечной активности и на ± 3,5 % при разных расстояниях между Землей и
Солнцем. Интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли зависит от
длины пути через атмосферу и определяется географическим положением точки
измерения, а также её высотой над уровнем моря. Эти зависимости представлены
на рис. 1 в виде графиков, построенных по данным [3]. При этом существенное
значение имеет состояние атмосферы (облачность, запылённость).
Рисунок 1. Графики зависимости плотности потока прямой солнечной радиации
от высоты и угла падения
Действующие в настоящее время в России нормы проектирования гелиоустановок
[4] предписывают принимать расчётные значения солнечной радиации по
климатическому справочнику 1996 г. издания [5]. Известна также редакция
справочника 1990 г. издания [6]. В них есть достоверная информация по часовым,
месячным, годовым значениям прямой, рассеянной, суммарной солнечной
радиации, продолжительности солнечного сияния для всех регионов России со
сроками наблюдения от 5 до 30 лет. Недостатками данных справочников
являются: сложность пользования (ограниченный тираж, табличная форма
представления показателей), малое число пунктов наблюдения для отдельных
регионов страны, отсутствие ряда характеристик для проектирования
гелиоустановок. Кроме того, их необходимо дополнить информацией после 1990 г.
Компьютерные базы данных, разработанные европейскими и американскими
специалистами, имеют более удобную для пользователя форму представления
информации. Они различаются по источникам её получения — наземные или
спутниковые наблюдения, по срокам обработки данных — от 1 до 30 лет, по
способам представления характеристик солнечной радиации — получасовые,
часовые, месячные, годовые, по возможностям пространственной интерполяции.
В таблице приведены основные характеристики европейских и всемирных
компьютерных баз данных, представленных в [7]. Одной из первых была
приведена база данных в Европейском атласе солнечной радиации (E. S. R. A.) со
значениями среднемесячной суммарной и рассеянной радиации с 1966 г. для 340
пунктов наблюдения в Европе и Северной Африке. Новое издание Европейского
атласа 2000 г. помимо книжной формы представлено также СD-RОМ диском. В
нём представлен интервал измерений до 1990 г., число пунктов наблюдения
увеличено до 586, дополнительно приведены значения температур и давлений
атмосферного воздуха. Самой современной базой данных в Европе и Северной
Африке является S@tel - Light , которая основана на спутниковых измерениях за
1996 - 2000 гг. В ней приводятся получасовые значения суммарной и рассеянной
солнечной радиации. Имеется возможность пространственной интерполяции
данных 250 тыс. пунктов наблюдения. Достоинство этой базы — возможность
получения необходимой информации по Е-mail. Однако в [7] отмечаются для
некоторых пунктов измерения значительные отклонения от данных наземных
станций.
Характер
истика
Е. S.
R. А. Е. S. R. А. 2000
1996
Форма
представ
ления
Кни
СD-RОМ
СD-RОМ
с
га с
и
приложениями в
диск
справоч
2-х книгах
етой
ник
Стоимост 65,9
ь
6Е
380 Е
METEO
NORM
4,0
Climat
e1
S@tel
Light
СDRОМ
Интерне
т
Интернет
368 Е
150$
Бесплатн
о
Бесплатно
www.satellig
www.sate ht.comWrdcllight.com mgo.nrel.gov
l
Европа и
Северная Всемирная
Африка
Webадрес
-
www.met
eotest.chl
www.c
limate
one.de
Масштаб
ы
примене
ния
Евр
опа
и
Европа
и Всемирн
Севе
Северная Африка ая
рная
Афр
ика
Всеми
рная
Значени
я
S, D
www.ensmp.fr/Fr/
Services/PressENS
S, D, T, P
S, D, T, S, T, V,
S, D
V, W, P
W
-
WRDC
S, D
измерен
ий¹
Период
измерен
ий
1966
1975
гг.
1981 - 1990 гг.
Различн
ые
Разли
чные
1996
- 1964 - 1993
2000 гг.
гг.
Детализа
ция
m
значений
²
m, h
m, h
m
hh
m
Число
пунктов
наблюде
ния
586
>2400
>1200
250000
1195
-
+
-
+
-
340
Простра
нственна
я
интерпол
яция
¹ S — суммарная солнечная радиация, D — рассеянная солнечная радиация, T — температура
воздуха, P — атмосферное давление воздуха, V — скорость ветра, W — влажность воздуха.
² m — среднемесячные значения, h — среднечасовые значения, hh — получасовые значения.
Среди всемирных баз данных солнечной радиации классической считается база
данных на СD-RОМ диске швейцарской организации "Meteonorm" (МЕТЕОNОRМ
4,0). Она основана на показателях более 2400 пунктов наблюдения, что
малопредставительно для столь масштабной программы. Вместе с тем эта база —
наиболее полная по проводимым измерениям (суммарная, прямая и рассеянная
солнечная радиация, температура, давление, скорость, влажность атмосферного
воздуха)
и
позволяет
проводить
пространственную
интерполяцию
представленных данных.
К недостаткам компьютерных баз относятся: отсутствие исчерпывающих
комментариев по их использованию, малое число российских пунктов
наблюдений, недостоверность значений интенсивности солнечной радиации с
малыми сроками наблюдений.
При работе с вышеуказанными справочниками и базами данных необходимо
учитывать условия их применения и интегральную повторяемость данных,
влияющую на достоверность информации. В базах данных (см. таблицу)
отражены периоды наблюдений от 4 до 30 лет. В справочнике [5] для городов
России приведены месячные показатели суммарной солнечной радиации как за 5
- 7, так и за 30 лет. Среди специалистов по климатологии нет единого мнения о
сроке наблюдений, необходимом для обеспечения достаточной степени
достоверности. Так, З. И. Пивоварова [8] считает, что увеличение срока позволяет
повысить степень достоверности, а М. В. Заварина [9] указывает, что это не всегда
приводит к уточнению полученных данных. Для многих населённых пунктов
данные о солнечной радиации в справочниках и базах отсутствуют, поэтому
возникает необходимость их пространственного интерполирования.
Рисунок 2. Гистограммы интенсивности повторяемости суммарной солнечной
радиации на горизонтальную поверхность в Краснодаре за июль (а) и август (б):
на переднем плане — за 1977 - 1986 гг., на заднем — за 1977 - 1990 гг.
Для расчётов используют следующие характеристики [10]:
средние сутки получают на основе усреднённых значений на каждый час. При
этом в течение средних суток значения изменяются от часа к часу, а в течение
месяца все сутки равны;
среднемесячные значения — все суточные и часовые значения принимаются
одинаковыми;
среднесуточные значения — для каждых суток месяца вычисляется среднее
значение, которое используется для всех часов данных суток;
типичный год — составляется по показателям солнечной радиации каждого
часа всех дней месяца.
Первая характеристика — средние сутки — применяется при расчётах режимов
гелиоустановок в течение суток. Среднемесячные значения солнечной
радиации приводятся в справочниках [5, 6], на их основе выполняются расчёты
при проектировании гелиоустановок согласно нормам [4]. Типичный год
включает в себя также ежечасную информацию о температуре воздуха, его
влажности, скорости, направлении ветра. Эта характеристика применяется, как
правило, при исследовании режимов работы сложных гелиоустановок. В [11]
показано, что наиболее полную информацию обеспечивает типичный год, а
остальные характеристики дают на 10 - 15 % меньшую точность.
В [12, 13] доказано, что для достижения заданной точности (погрешность — менее
10%) при определении технических и экономических показателей работы
гелиоустановок целесообразно использовать усреднённую за определённый
период интенсивность солнечной радиации, так как эффективность
гелиоустановок не зависит от распределения радиации в течение дня, важна её
общая сумма.
Автором настоящей статьи были выполнены исследования по получению
достоверных значений солнечной радиации в Краснодарском крае для
проектирования гелиоустановок. В [5, 6] приведены данные о солнечной
радиации только для тех населённых пунктов, где есть метеостанции. Так, в [5]
для территории Краснодарского края площадью 83,3 тыс. км² соответствующие
данные были только для Сочи, но они не характерны для других населённых
пунктов (применимы только в радиусе 50 - 100 км для ровного рельефа в первом
полукилометровом слое атмосферы). Поэтому автору пришлось получить и
проанализировать данные для Краснодарского края за 10 лет наблюдений — с
1977 по 1986 г. При этом применялся известный метод расчёта интегральной
повторяемости отдельных градаций солнечной радиации по её среднему
значению с построением гистограмм, являющихся эмпирическим аналогом
дифференциальной функции распределения вероятности.
При анализе интегральной повторяемости значений суммарной интенсивности
солнечной радиации за указанный период (рис. 2) установлено, что достоверность
среднеарифметических значений составила 48 %, в то время как с учётом
интегральной повторяемости — 60 %. Выявлены характерные годы за данный
период наблюдений: 1978, 1980, 1981, 1984. Сравнение полученных этим методом
значений интенсивности солнечной радиации для Краснодара с аналогичными
данными для прилежащих населённых пунктов Ростовской области и
Ставропольского края, приведёнными в [5], показало, что они существенно
отличаются. Авторские исследования позволили уточнить на 18% данные для
Краснодарского края.
Рисунок 3. Графики изменения среднемесячной суммарной солнечной радиации в
течение года на горизонтальную поверхность в Краснодаре
Под руководством автора была продолжена обработка данных об интенсивности
солнечной радиации в крае до 1990 г. Анализ гистограмм, интегральной
повторяемости суммарной солнечной радиации показал, что для условий
Краснодара за 14 лет наблюдений достоверность среднеарифметических значений
суммарной солнечной радиации составляет 56 %, а с учётом интегральной
повторяемости — 51%. Из рис. 2 видно, что с увеличением продолжительности
периода наблюдений расчётные значения (как среднеарифметические, так и
средние с учётом функции вероятности) имеют тенденции к снижению.
Таким образом, в результате исследований на основе обработки значений
суммарной солнечной радиации для условий Краснодара за 14 лет и Геленджика
за 15 лет с применением дифференциальной функции распределения вероятности
автором установлено, что для получения расчётных значений со степенью
достоверности более 50% необходимы 10-летние и более продолжительные сроки
наблюдения.
На рис. 3 приведены графики изменения в течение года суммарной солнечной
радиации в Краснодаре: расчётные справочные данные [6] — кривая 1,
максимальные и минимальные значения в течение 14 лет наблюдений — кривые 2
и 3. Наибольшая разница между максимальными и минимальными значениями
отмечается в декабре (124%), наименьшая — в августе (33,3 %). Полученные
кривые позволяют с определённой достоверностью принять решение о
необходимости дополнительной площади солнечных коллекторов при отсутствии
теплового дублёра.
При оценке гелиоэнергетических ресурсов Краснодарского края и разработке с
участием автора рекомендаций по их техническому использованию для
выработки тепловой и электрической энергии были использованы методики
Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова (Санкт-Петербург),
обработаны данные 40 метеостанций, в том числе 3 — с наблюдениями за
солнечной радиацией и 10 — с наблюдениями за солнечным сиянием.
Месячные и годовые значения суммарной солнечной радиации, поступающей на
горизонтальную поверхность 40 пунктов наблюдения (за исключением
Краснодара, Геленджика, Сочи), были получены расчётным методом с учётом
известных
корреляционных
связей
между
суммарной
радиацией,
продолжительностью солнечного сияния и облачностью.
Рисунок 4. Схема районирования территории Краснодарского края по значениям
годовой суммарной радиации на горизонтальную поверхность:
I зона — 1424 - 1282 кВт ч / м²; II зона — 1282 - 479 кВт ч / м²; — метеостанции с
наблюдением за солнечной радиацией; О — то же за солнечным сиянием
Результаты расчётов, выполненных автором для 54 городов и населённых пунктов
Краснодарского края и Республики Адыгея, приведены в [14, 15]. Они могут быть
использованы для технико-экономического обоснования целесообразности
сооружения гелиоустановок, а также для их проектирования. С учётом
полученных результатов были рассчитаны значения суммарной, прямой и
рассеянной радиации на горизонтальную поверхность. Их анализ позволил автору
выделить на данных территориях две зоны, в пределах каждой из которых
значения солнечной радиации различаются не более чем на 10% (рис. 4). Для
зоны I, включающей побережье Чёрного, Азовского морей и равнинную часть
края, пунктом-представителем определён Геленджик, для которого обработаны
данные наблюдений солнечной радиации за 15 лет. Для зоны II, охватывающей
предгорье, горы края и Республики Адыгея, пунктом-представителем является
Краснодар, для которого имеются результаты измерений солнечной радиации за
14 лет.
С учётом вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. Анализ данных российских климатических справочников выявил их
недостатки: сложность пользования, отсутствие информации после 1990 г. и
др. Зарубежные компьютерные базы данных имеют более удобную для
пользователя форму представления информации. К их недостаткам
относятся: отсутствие исчерпывающих комментариев по использованию,
малое число российских пунктов наблюдения и др.
Для создания российского варианта компьютерной базы данных солнечной
радиации имеются многолетние массивы измерений сотен метеостанций.
Только в Краснодарском крае ведутся наблюдения на 40 метеостанциях.
Главной геофизической обсерваторией им. А. И. Воейкова разработан ряд
методик расчёта метеорологических характеристик. Необходимо лишь их
уточнить и определить достоверные сроки наблюдений, а также выбрать
методы оптимального зонирования регионов с выделением пунктовпредставителей.
2. На основе обработки значений суммарной солнечной радиации в
Краснодаре за 14 лет и в Геленджике за 15 лет с применением
дифференциальной функции распределения вероятности установлено, что
для получения расчётных значений со степенью достоверности более 50%
необходимы 10-летние и более продолжительные сроки наблюдений.
Краснодар и Геленджик определены пунктами-представителями двух зон
территории Краснодарского края, для которых рассчитаны значения
часовых, месячных, годовых значений суммарной радиации в объёмах,
необходимых для проектирования гелиоустановок.
3. На основе анализа многолетних данных измерений солнечной радиации с
учётом дифференциальной функции вероятности предложен новый способ
представления в табличной и графической формах месячных значений
суммарной солнечной радиации с определением максимальных и
минимальных значений и вероятности их наблюдения. Применение
данного способа позволяет при проектировании гелиоустановок
минимизировать установленную мощность теплового дублёра, а при его
отсутствии рассчитать дополнительную площадь солнечных коллекторов.
4. В результате обработки данных измерений солнечной радиации 40
метеостанций определены расчётные значения для проектирования
гелиоустановок для 54 городов и населённых пунктов Краснодарского края.
На основе анализа полученных значений вся территория края разделена на
две зоны, в пределах каждой из которых эти значения различаются не
более чем на 10%.
5. Разработанные автором способы обработки и представления значений
солнечной радиации для проектирования гелиоустановок на примере
Краснодарского края с делением его на зоны и определением пунктовпредставителей могут быть применены при использовании компьютерной
базы данных для всей территории России.
Список литературы
1. Бутузов В. А. Анализ энергетических и экономических показателей
гелиоустановок горячего водоснабжения. — Промышленная энергетика,
2001, № 10.
2. ГОСТ Р 5194-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика.
Термины и определения. — М.: Изд-во стандартов, 2000.
3. Зоколей С. Солнечная энергия и строительство. — М.: Стройиздат, 1979.
4. Нормы проектирования. Установки солнечного горячего водоснабжения:
ВСН 52-86. — М.: Госгражданстрой СССР, 1987.
5. Справочник по климату СССР. Ч. 1. Солнечная радиация, радиационный
баланс и солнечное сияние. — Л.: Гидрометеоиздат, 1966.
6. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер.З. Многолетние
данные. Ч. 1. Вып. 13. Солнечная радиация и солнечное сияние. — Л.:
Гидрометеоиздат, 1990.
7. Quashnink V. Datenbanken fur Solarstralung/ - Sonne, Wind, Warme, 2001,
№8.
8. Пивоварова 3. И. Характеристика радиационного режима на территории
СССР применительно к запросам строительства. — Л.: Гидрометеоиздат,
1973.
9. Заварина М. В. Строительная климатология. — Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
10. Рабинович М. Д. Сравнение различных методов представления
климатической информации при расчете производительности гелиосистем.
— Гелиотехника, 1986, №3.
11. Рабинович М. Д. Научно-технические основы использования солнечной
энергии в системах теплоснабжения: Автореф. дисс. доктора техн. наук.
Киев, Институт общей энергетики Национальной АН Украины, 2001.
12. Валов М. И., Казанджан Б. И. Системы солнечного теплоснабжения. — М.:
Изд-во МЭИ, 1991.
13. Klein S.A., Beckman W.A. A general design ethod for cosed loop-solar energy
systems. – Solar energy, 1979, vol. 22, №14.
14. Бутузов В. А. Учет интенсивности солнечной радиации при проектировании
гелиоустановок. — Теплоэчергоэффективные технологии, 2001, №3.
15. Бутузов В. А. Расчет интенсивности солнечной радиации при
проектировании гелиоустановок горячего водоснабжения. — В кн.:
Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии в XXI веке.
(Материалы семинара). Сочи: РИО СГУТ и КД, 2001.
Бутузов Виталий Анатольевич,
доктор технических наук