Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А., Малинин Н.К. Солнечная энергетика
Подождите немного. Документ загружается.
111
2.4 Контрольные вопросы по второй главе
1. Цели и задачи гелиоэнергетических расчетов
2. Особенности гелиоэнергетических расчетов для заданной точки
А (ϕ
А
0
, ψ
0
) и территории S (м
2
или км
2
).
3. Три основных варианта функционирования СЭУ и их особенности.
4. Особенности использования СЭУ в составе большой ОЭС.
5. Особенности использования СЭУ в составе локальной энергосистемы.
6. Особенности работы СЭУ на автономного потребителя.
7. Основные приборы для измерения СИ на Земле и их особенности.
8. Принципиальные схемы приборов для измерения СИ.
9. Система измерения и наблюдения за метеорологическими факторами в
России
10. Стандартный состав срочных измерений СИ в России и его особенности
11. Стандартный состав измерений по СИ в «Научно-прикладном
справочнике по климату СССР»
12. История развития актинометрических наблюдений в бывшем СССР.
13. Особенности информационного обеспечения ГЭР в бывшем СССР и
России.
14. Основные ошибки в расчетах Э
мес
и Э
год
для суммарного и прямого СИ.
15. Влияние длительности ряда наблюдений за СИ на точность ГЭР.
16. Особенности прихода СИ по территории России.
17. Сезонные особенности прихода СИ по территории России
18. Степень перспективности регионов России по ресурсам СИ.
19. Понятие кадастра солнечной энергии.
20. Вероятностные характеристики СИ в России и их особенности.
21. Районирование территории бывшего СССР по типам распределения
суточных сумм СИ.
22. Типовые гистограммы суточных значений суммарного СИ для
территории бывшего СССР и России.
- 112 -
3 МЕТОДЫ РАСЧЕТА РЕСУРСОВ СОЛНЕЧНОЙ
ЭНЕРГЕТИКИ
3.1 Методы расчета валовых ресурсов в точке А (ϕ°,ψ°) и для
заданной территории S (км
2
) для горизонтальной приёмной площадки при
наличии полной информации
Практически все разработанные сегодня в мире методы расчета
ресурсов СР на поверхности земли базируются на следующий
методический прием. Учитывая, что большинство актинометрических
станций в мире измеряет, как правило, приход солнечной радиации на
неподвижную горизонтальную приемную площадку, то именно величина
прихода СР на горизонтальную площадку и принимается в качестве
количественной меры оценки ресурсов СР как в точке А (ϕ°,ψ°) так и для
заданной территории S (км
2
). Далее полученные данные для
горизонтальной ПП пересчитываются по эмпирическим формулам,
предлагаемым разными авторами на произвольно ориентированную ПП с
тем или иным по уровню детализации учетом различных факторов,
влияющих на приход СР. В связи с этим особое значение приобретают
методы расчета прихода СР на горизонтальную ПП, которые и
определяют собой сегодня валовые ресурсы (потенциал) солнечной
энергии на земле.
Под валовым потенциалом солнечной энергии (СЭ) или солнечного
излучения (СИ) в заданной точке земной поверхности А (ϕ°,ψ°) обычно
понимается среднемноголетняя величина СЭ, поступающей на
горизонтальную приемную площадку (ПП) площадью в 1 м
2
за период
равный одному календарному году – Э
Г
вал
⋅
⋅
годм
чкВт
2
. Учитывая переменный
характер поступления СЭ по годам, для получения достаточно
достоверного значения Э
Г
вал
требуется иметь информацию о приходе СЭ на
- 113 -
горизонтальную площадку за достаточно длительный период времени Т
(годы) больший, чем известный 11- летний солнечный цикл (цикл Вольфа).
В этом случае, если имеются данные о непрерывном во времени
приходе суммарной солнечной радиации (СР) на горизонтальную
ПП-
Г
R
Σ
(t) за длительный период времени Т (годы) значение Э
Г
вал
можно
рассчитать по следующей формуле:
Э
Г
вал
=
d
Э
d
k
Г
валk
∑
=1
, (3.1)
где d – число расчетных лет; Э
Г
валk
– приход СР на горизонтальную
площадку за k-й год, рассчитываемый по формуле:
Э
Г
валk
=
∫
Σ
год
T
Г
dttR
0
)(
. (3.2)
Пусть далее требуется рассчитать валовые ресурсы СЭ для заданной
территории S (км
2
) при наличии данных о непрерывном во времени
приходе СР на горизонтальную ПП в необходимом числе расчетных точек
А
j
(ϕ°,ψ°), j=1, …, m равномерно распределенных по территории S в
предположении возможности линейной или другой формы интерполяции
значений СР между заданными точками А
j
(ϕ°,ψ°). В этом случае вся
территория S (км
2
) предварительно разделяется на l представительных зон,
в каждой из которых можно рассчитать среднемноголетний приход СР на
территорию l-й зоны площадью S
l
(км
2
) – Э
Г
валl
⋅
год
чкВт
при
использовании известных законов интерполяции принятых исходных
данных в расчетных точках А
j
(ϕ°,ψ°) – )(tR
Г
jΣ
. Например, если
рассматривается единичная l-я зона прямоугольного сечения площадью S
l
(км
2
) с 4-мя исходными точками в ее узлах, где заданы значения )(
1
tR
Г
Σ
,
)(
2
tR
Г
Σ
, )(
3
tR
Г
Σ
и )(
4
tR
Г
Σ
при линейном законе интерполяции значений )(tR
Ã
Σ
- 114 -
между ними, величина Э
Г
валl
⋅
год
чкВт
может быть получена по следующей
формуле:
Э
Г
валl
(S
l
) = ⋅⋅
6
10
l
S
∫
Σ
год
T
Г
l
dttR
0
)(
, (3.3)
где S
l
(км
2
), а )(tR
Г
lΣ
определяется как средневзвешенная величина для 1-й
зоны при линейной интерполяции между заданными 4-мя значениями
)(tR
Г
Σ
в узлах l-й зоны, т.е.
)(tR
Г
lΣ
= 0,25·( )(
1
tR
Г
Σ
+ )(
2
tR
Г
Σ
+ )(
3
tR
Г
Σ
+ )(
4
tR
Г
Σ
). (3.4)
Тогда валовые ресурсы СЭ для территории S (км
2
) – Э
Ã
âàë
(S)
состоящей из r расчетных зон S
l
, (l=1,…, r) могут быть найдены по
формуле:
Э
Г
вал
(S) =
∑
=
r
l
l
Г
валl
SЭ
1
)( , (3.5)
где Э
Г
вал
(S) – приход СР на горизонтальную территорию земной
поверхности площадью S (км
2
) за период времени равный одному году. В
зависимости от величины S значение Э
Г
вал
(S) может измеряться в кВт·ч,
МВт·ч, ГВт·ч или ТВт·ч.
Для решения поставленной задачи можно воспользоваться и
современными программными средствами, которые позволяют находить
интегральные значения исследуемого параметра по любой сложной по
своей конфигурации территории S (км
2
). Например, системой "Surfer-8".
Указанная система обладает очень широкими возможностями, которые в
рассматриваемом случае реализуются следующим образом.
Для территории S (км
2
) задаются все известные данные по СР в ряде
точек А (ϕ°,ψ°) (например
Г
R
Σ
(Вт/м
2
)), находящихся на заданной
территории s (км
2
) или на небольшом удалении от ее границ. Система
- 115 -
"Surfer-8" по заданным значениям
Г
R
Σ
в каждой точке А (ϕ°,ψ°)
рассчитывает топограмму изолиний постоянных значений
Г
R
Σ
с заданной
пользователем дискретностью. Далее, на основе полученных изолиний
Г
i
R
Σ
=const по всей территории S (км
2
), система "Surfer-8" интегрирует
значения
Г
R
Σ
(Вт/м
2
), тем самым определяя для нее значения валовых
ресурсов СИ.
Следует отметить, что непрерывная форма задания
Г
R
Σ
в функции
времени t, т.е.
Г
R
Σ
(t) в настоящее время может быть реализована
достаточно в редких случаях на территории России. Более часто можно
получить информацию об
Г
R
Σ
(t) в виде среднеинтервальных ее значений за
заданные расчетные интервалы времени – ∆t (час, сутки, месяц, год), т.е.
Г
R
Σ
(∆t).
В этом случае расчет Э
Г
валk
для точки А(ϕ°,ψ°) и Э
Г
валl
(S
l
) может быть
произведен по следующим формулам:
Э
Г
валk
=
∑
=
Σ
∆⋅∆
n
i
ii
Г
i
ttR
1
)( . (3.6)
Э
Г
валl
(S
l
) = ⋅⋅
6
10
l
S
∑
=
Σ
∆⋅∆
n
i
ii
Г
l
ttR
i
1
)( , (3.7)
где
Г
l
i
R
Σ
= 0,25·(
Г
R
1Σ
+
Г
R
2Σ
+
Г
R
3Σ
+
Г
R
4Σ
), (3.8)
при условии, что календарный год – Т
год
(час) разбит на n расчетных
интервалов длительностью ∆t
i
каждый, т.е.
Т
год
=
∑
=
∆
n
i
i
t
1
. (3.9)
В качестве расчетных интервалов здесь обычно используются ∆t
i
,
равные 1 суткам или 1 месяцу. Подобная информация сегодня может быть
получена с определенной степенью точности по нескольким
общеизвестным базам данных по СР на земле в целом (база NASA) или
- 116 -
бывшего СССР (база данных кафедры нетрадиционных и
возобновляемых источников энергии МЭИ (ТУ)). Последняя из
упомянутых база данных в отличие от базы данных NASA, которая
обобщает среднемноголетние данные по всему миру в целом за
8 лет, (с 1984 г по 1992 г) получена на основе обработки фактических
многолетних данных по 166 расчетным точкам (актинометрические
станции) за длительный период времени (несколько десятков лет) в
Научно-прикладном справочнике по климату бывшего СССР (см. выше
гл. 2). Тем самым в указанной базе данных содержится более достоверная
информация по 166 расчетным точкам бывшего СССР, чем в
соответствующих точках по базе данных NASA.
Следует также отметить, что в базе данных МЭИ (ТУ) в отличие от
базы данных NASA содержится информация не только о среднесуточных и
среднемесячных данных о СР по территории бывшего СССР, но также и
среднечасовые данные по СР для характерных дней каждого месяца
года (см. выше гл.2).
3.2 Методы расчета валовых ресурсов в точке А (ϕ°,ψ°) и для
заданной территории S (км
2
) для горизонтальной приемной площадки при
ограниченном составе исходной информации для среднесуточных или
месячных расчетных интервалов
Как было сказано выше в гл.2, солнечные энергетические установки
могут эффективно использоваться сегодня в системах энергоснабжения по
трем основным сценариям: работа в большой энергосистеме, работа в
локальной энергосистеме и работа на локального или автономного
потребителя. В зависимости от принятого сценария использования СЭ
возникают дополнительные сложности в расчетах, включая и
необходимость наличия разного рода исходной информации о приходе СР
так и необходимость решения проблемы получения достаточно
достоверной информации в расчетных точках, в которых полностью
- 117 -
отсутствуют любые данные фактических наблюдений о приходе СР.
Последний случай весьма характерен для условий современной России,
для которой более 2/3 ее территории с населением 8-10 млн человек не
подключены к системе централизованного энергоснабжения при наличии в
этих регионах достаточно значительных ресурсов СЭ, которые успешно
можно использовать для энергоснабжения автономных потребителей.
В этом случае для всей территории бывшего СССР для расчета Э
вал
Г
и Э
вал
Г
(S) можно воспользоваться известной формулой Ангстрема,
которая предполагает наличие некоторых среднесуточных или
среднемесячных данных по СР как в точке А (ϕ°,ψ°), так и для территории
S (км
2
):
)()()(
о
сс
факт
сс
Г
я
Г
факт
Т
Т
batЭtЭ ⋅+⋅∆=∆ , (3.10)
где Э
факт
Г
(∆t) - (кВт*ч/м
2
) или (кВт*ч) для территории S (км
2
),
соответствует среднемноголетнему значению прихода СР на
горизонтальную площадку за ∆t равный 1 суткам или 1 месяцу; Э
я
Г
(∆t) -
(кВт*ч/м
2
) или (кВт*ч) для территории S (км
2
) – приход СР за ∆t, равный 1
суткам или 1 месяцу на горизонтальную площадку на поверхности
земли при абсолютно прозрачном и ясном небе, когда Э
Σ
Г
(∆t)≡ Э
пр
Г
(∆t) и
рассчитывается по формуле:
,)(cos)()( tttRtЭ
Г
пр
Г
я
∆⋅∆⋅∆=∆ θ
(3.11)
где R
пр
Г
(∆t) (Вт/м
2
) - среднеинтервальная мощность прямого СИ на
нормально ориентированную к СИ приемную площадку, которая может
быть определена по формуле:
,
1360
1000
1000
)1(
)1()(
)1(
)1(
−
−
⋅=
⋅=∆
AMm
AMm
о
Г
пр
Г
пр
Г
пр
R
AMR
AMRtR (3.12)
- 118 -
где R
пр
Г
(АМ1) (Вт/м
2
) - стандартная среднеинтервальная мощность СИ в
южных широтах Земли на уровне моря при абсолютно прозрачной
атмосфере для горизонтальной ПП на поверхности Земли (равно 1000
Вт/м
2
); R
0
(Вт/м
2
) = 1360 Вт/м
2
– солнечная постоянная или приход СИ на
нормальную к СИ ПП площадью 1 м
2
в космосе на границе атмосферы
Земли; АМm (о.е.) – атмосферная масса m или оптическая масса
атмосферы, рассчитываемая по формуле:
,
)(cos06,0)(cos
2
)(cos
2
)(cos
2
)(
2
2
tt
t
r
L
t
tm
з
a
∆++∆
≅
∆+
⋅
+∆
=∆
θθ
θθ
(3.13)
где m(∆t) - cреднеинтервальная атмосферная масса атмосферы за
интервал ∆t (о.е.); θ(∆t) (град.) – среднеинтервальный угол падения Солнца
за интервал ∆t; L
a
(км) – толщина слоя атмосферы в рассматриваемой точке
А (ϕ°,ψ°); r
з
(км) – расчетный радиус Земли в точке А (ϕ°,ψ°).
При этом значение cos θ (∆t) в (3.11) рассчитывается следующим
образом:
,
sin
cos)(cossin)(sin)(cos
ç
ç
ttt
ω
ω
ϕδϕδθ ⋅°⋅∆°+°⋅∆°=∆°
(3.14)
где cosθ (∆t) (град.) – среднеинтервальный угол падения Солнца за
интервал ∆t; δ° = δ° (∆t) – склонение Солнца за интервал ∆t, которое
обычно определяется по формуле Купера:
( )
,284
365
360
sin)(
+⋅⋅=∆° nt
î
δδ
(3.15)
где δ
о
= 23°27′ = 23,45°; n (о.е.) – порядковый номер дня года,
отсчитываемый с 1 января. Тем самым принимается, что значение δ° (∆t) =
δ° (n), т.е. склонение Солнца считается постоянным для каждого n-го дня
года, а 284 – константа, равная числу дней года, начиная с 21.03 и до 31.12;
- 119 -
ω
з
(град) – часовой угол захода Солнца на горизонтальной площадке,
определяемый из соотношения:
),(
12
cos)(cos ttgtg
t
t
з
з
∆°⋅°−=
⋅
=∆ δϕ
π
ω
(3.16)
где t
з
(час) – моменты восхода-захода Солнца, определяемые условием:
θ ≡ ±90° и, следовательно,
)),(arccos( ttgtg
ç
∆°⋅°−= δϕω
(3.17)
Эмпирические константы "а" и "b" в (3.10) рассчитаны для 144
трапеций всей территории бывшего СССР размером, как правило, (5° х 5°)
и принимаются постоянными внутри каждой трапеции, т.е. а = а (ϕ°,ψ°) и
b = b(ϕ°,ψ°) при условии что a + b ≡ 1. При этом "a" характеризует собой
пропущенную облаками долю СР на Земле, а "b" - задержанную
облаками долю солнечной радиации на Земле на горизонтальной
площадке. В отличие от США, где константы "a" и "b" – постоянны в
течение всего года, для огромной территории бывшего СССР с резко
изменяющимися географическими и климатическими условиями
константы "а" и "b" задаются для четырех характерных для каждого сезона
года месяцев (1, 4, 7, 10) при линейной интерполяции их значений между
характерными месяцами. Рассчитанные эмпирические константы по
территории бывшего СССР представлены в виде карт, опубликованы в
Метеорологическом ежемесячнике и представлены на рис. 3.1-3.4.
Указанные в нем трапеции (5° по широте) расположены южнее 70°
северной широты. В качестве примера в таблице 3.1 приведены
предельные значения "а" для бывшего СССР и значения "а" для г. Москвы.
В метеорологическом ежемесячнике приводятся также данные по
фактической продолжительности солнечного сияния в заданные
характерные сутки каждого расчетного месяца – Т
сс
факт
(час). При этом
- 120 -
ошибка экстраполирования данных по Т
сс
факт
(час) по указанным выше
трапециям (характерное расстояние – 200 км) составляет до 5% в летний
период и до 10% в зимний период.
Рисунок 3.2
Рисунок 3.1 Средняя многолетняя месячная сумма суммарной
солнечной радиации по площади 5-градусных трапеций (МДж/м
2
). Январь