Энергия

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ: ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ И РАСЧЕТ

Подход к количественному описанию солнечной погоды и при­хода радиации при расчете систем отопления является трудной задачей. Испытывается сравнительный недостаток в надежных метеорологических данных, но основная трудность связана с боль­шим количеством переменных факторов, которые влияют на ре­жим поступления радиации в месте размещения коллектора. Некоторые факторы поддаются непосредственной количествен­ной оценке, однако большинство факторов должно рассматри­ваться в статистическом плане на основе долгосрочных средних величин наблюдений.

Наиболее надежные и пригодные для непосредственного ис­пользования статистические данные в США по солнечной радиа­ции предоставляет Бюро погоды, г. Ашвилл, штат Северная Каро­лина. На этой станции измерения проводились в кал/см2 (на го­ризонтальную поверхность за данный период времени). 1 кал/см2 (лэнгли) (4,19 Дж/см2) эквивалентен 3,69 БТЕ на фут2. Эти данные являются мерой всей радиации, прямой и диффузной солнечной радиации. Так как поверхность, регистрирующая сол­нечную радиацию, горизонтальна, то размещенные на ней изме­рительные приборы четко фиксируют влияние высоты Солн­ца. Таким образом, радиация той же плотности зимой будет ре­гистрироваться как меньшая по сравнению с летом, потому что

Рис 6 11 Прохождение солнечной ра­диации через земную атмосферу С уве­личением широты угол падения солнеч­ных лучей относительно поверхности Земли уменьшается, поэтому солнечным лучам приходится покрывать большое расстояние, проходя через атмосферу, и они распределяются по большей площа­ди, когда достигают поверхности Земли [321

/ — внешняя границь атмосфери

при меньшей высоте Солнца зи­мой угол падения на горизонталь­ную поверхность меньше В ре­зультате увеличивается отраже­ние и уменьшается полезная плотность радиационного потока. Для пересчета этих данных по отношению к наклонным поверх­ностям необходимо пользоваться тригонометрическими преобра­зованиями

Имеющими менее непосредственное отношение к солнечной энергии, но не менее полезными являются данные наблюдений по продолжительности солнечного сияния и облачности службой Бюро погоды. Солнечные периоды регистрируются как «часы сияния» и «процент возможного сияния». На диаграмме записи отмечается число часов, в течение которых режим поступления солнечной радиации благоприятен, чтобы «отбросить значитель­ную тень». Затем это число сравнивается с общим количеством часов от восхода до захода, чтобы получить процент ожидаемого полезного числа часов солнечного сияния. Облачностью выража­ется относительная часть небосвода, закрытого облаками. Она дается в десятых долях закрытого неба — от 0,0 до 1,0. Эта оцен­ка основывается на субъективных наблюдениях атмосферных условий человеком, но их точность, по-видимому, находится в приемлемых пределах

Качество или интенсивность солнечной радиации, падающей на поверхность, зависит от многих факторов. При движении Зем­ли по орбите расстояние ее от Солнца меняется: в январе Земля ближе к Солнцу, а в июле — дальше Реальная радиация, пада­ющая па внешнюю границу земной атмосферы, таким образом, наиболее интенсивна в январе Однако в то же время изменяется и склонение Солнца. Солнце движется по небу на север между мартом и сентябрем, в то время как с сентября по март оно на­ходится ближе к югу. Это значит, что в северном полушарии зимой Солнце находится ниже над горизонтом. В связи с этим солнечные лучи должны покрыть большее расстояние, проходя через атмосферу, и к тому же они имеют меньшую энергетиче­скую плотность на 1 м2 горизонтальной поверхности (рис 6.11). Благодаря этому достигается сбалансированность интенсивности излучения в течение года.

Другие факторы связаны с изменением интенсивности ради­ации по временам года и день ото дня Вообще прозрачность ат­мосферы зимой выше, так как в воздухе меньше пыли, цветочной пыльцы и дымки, чем летом Отражение радиации от окружаю­щей среды также непостоянно: отражательная способность снега зимой значительно выше, чем травы летом. Географическое ме­стоположение также может характеризоваться различной про­зрачностью атмосферы и величиной отражения па большой вы­соте воздух чище, чем у поверхности земли, особенно вблизи промышленных предприятий, дом на пляже получает больше от­раженного света, чем коттедж в лесу. Влияние этих факторов трудно предсказать иначе, как в самом общем виде, но и игно­рировать их нельзя

Факторы, влияющие на количество поступающей радиации, также носят переменный характер. Очевидным фактором явля­ется облачность, которая меняется не только день ото дня, но час от часу. Данные Бюро погоды по продолжительности солнеч­ного сияния и облачности необходимы при определении влияния облаков на режим поступления солнечной радиации в долговре­менном плане. Большинство опубликованных данных по облач­ности являются ежедневными или даже ежемесячными средними величинами, по которым трудно судить с достаточной надежно­стью о времени появления облаков в течение дня Поскольку са­ма по себе радиация существенно меняется на протяжении дня, то недостаток метеоданных по дневному изменению облачности может внести значительную ошибку в предсказание режима по­ступления радиации

Другим фактором, который необходимо учитывать при оценке интенсивности излучения, является отношение диффузной ради­ации к прямой. Прямая солнечная радиация представляет ту часть суммарной радиации, которая отбрасывает тень. Диффуз­ная составляющая является результатом рассеяния света моле­кулами воздуха, пылью, облаками, озоном, водяными парами и т. п. Это рассеяние делает небо голубым в ясные дни и серым в присутствии дымки. Диффузная радиация довольно равномерно распределяется по небосводу Измерить диффузное излучение трудно, и мало что известно о его плотности и изменчивости, хотя эта радиация может составлять 10—100% суммарной падающей радиации.

Два общепринятых метода использования таких меняющихся в широких пределах переменных, как облачность и прозрачность атмосферы, заключаются либо в привлечении статистически вы­численных коэффициентов, либо в использовании данных по ра­диации, падающей на заданную поверхность за несколько лет. Полученные таким образом данные отразят все переменные, за исключением доли диффузной радиации, так как в измерениях Бюро погоды не делается различий между прямым и диффузным излучением. Однако такое различение важно потому, что на no­

il б Андерсон

верхности данной ориентации угол падения прямой радиации оп­ределяет, какую часть ее можно полезно уловить. (Солнечное из­лучение, перпендикулярное поверхности, почти полностью по­глощается, в то время как излучение под небольшим углом в зна­чительной степени отражается.) С другой стороны, диффузная радиация рассматривается как равномерно распределенная по небосводу; меняется только ее интенсивность в зависимости от атмосферных условий. В настоящее время статистический под­ход является деннственным имеющимся методом для выделения доли диффузной составляющей солнечной радиации.

На практике статистические методы широко применяются для работы с другими переменными, поскольку данные по радиа­ции, зарегистрированные Бюро погоды, отражают условия толь­ко вблизи 80 метеорологических станций по всей стране. Если определенный объект не находится достаточно близко к одной из этих станций, то имеющиеся метеоданные для этого объекта не­применимы. (Большие изменения плотности потока солнечной радиации могут иметь место на довольно коротких расстояниях, поэтому интерполяцию между регистрирующими станциями нельзя считать обоснованной). Таким образом, статистические методы обеспечивают наилучшие предсказания радиации в боль­шинстве случаев, но прогнозируемые величины являются лишь приблизительными.

Реальные зарегистрированные данные по радиации часто ха­рактеризуются неточностью и пробелами в записях. Это глав­ным образом объясняется тем, что измерительные приборы труд­но градуировать, к тому же со временем они теряют свою чувст­вительность. Стекло в старых приборах неоднородно прозрачно* для всех длин волн, причем приборы теряют точность под дейст­вием температуры наружного воздуха. Данные самописцев затем анализировались вручную, при этом вносился элемент субъек­тивной ошибки. Большинство этих проблем сейчас решается при помощи более совершенных приборов и автоматических регист­рирующих устройств, однако переоборудование метеорологиче­ских станций осуществляется медленно. Ошибки и неточности в записях могут достигать 20%. По этой причине Бюро погоды в 1972 г. временно прекратило публикование радиационных сво*- док. Данные регистрируются на станциях все еще действующими приборами, однако вся система измерений радиации была изме­нена. Новшества помогли создать более широкую и точную сеть станций для сбора основной информации по солнечной энергии.

Вообще данные приводятся в виде таблиц, графиков или наци­ональных карт. Карты дают возможность охватить относитель­ные влияния в различных пунктах страны, а для многих мест они представляют единственный способ нахождения искомого значе­ния. Однако, как правило, на них не следует в полной мере по­лагаться, если не имеется дополнительных данных. Многие мест­ные факторы могут оказывать превалирующее влияние, поэтому

требуется большая осторожность и здравый смысл при использо­вании интерполированных данных из национальных карт.

В дополнение к данным, публикуемым Бюро погоды, сущест­вуют два вида данных, публикуемых Американским обществом инженеров по отоплению, холодильной технике и кондициониро­ванию воздуха: о суммарном приходе солнечною излучения (СПСИ) и об инсоляции в ясные дни. Следует отметить, что эти данные имеют ряд серьезных ограничений. Они были разрабо­таны для определения максимального притока тепловой энергии солнечного излучения через окна при установлении параметров систем кондиционирования воздуха. При этом были сделаны ряд допущений:

1) радиация прошла через один слой стекла двойной прочно­сти, имеющего специально подобранные величины пропускатель - ной, отражающей и поглощательной способности;

2) эти данные приведены только для типичных безоблачных условий на 21-е число данного месяца.

В расчетах для определения СПСИ принимаются во внима­ние высота и азимут Солнца, прямая и рассеянная атмосферная радиация и средняя отражающая способность грунта. Эти вели­чины даются для повехностей вертикальных стен различной ори­ентации и для горизонтальных поверхностей. Для определения тепловых нагрузок установок кондиционирования воздуха дан­ные по СПСИ являются незаменимыми, однако они малоприме­нимы к наклонным поверхностям и почти совершенно непримени­мы к долгосрочным прогнозам притока солнечного тепла. Кроме того, соображения, касающиеся стекла двойной прочности, не­приемлемы для большинства коллекторов. Применимость стекла обсуждается в разделе «Поступление солнечного тепла через ок­на». Приняв эти ограничения, Американское общество инжене­ров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха разработало новые данные по инсоляции для наклон­ных, обращенных на юг поверхностей, вроде тех, которые исполь­зуются для улавливания солнечной энергии. Характер этих дан­ных аналогичен (по часам на 21-е число каждого месяца) СПСИ, но ориентация поверхности отличается Для шпрот 24°, 32°, 40°, 48°, 56° и 64° величины даны для наклонов, равных широте, ши­роте ±10°, широте 4-20° и для вертикальной поверхности Эти таблицы воспроизводятся наряду с примерами их применения.

Пример. Определите наиболее благоприятный угол наклона плоского солнечного коллектора, находящегося в Атланте, шт. Джорджия (32° с. ш.). Угол наклона выбирается таким образом, чтобы добиться максимальной инсоляции поверхности в следую­щие периоды: за год, за отопительный сезон, за охладительный сезон. Порядок действий следующий:

1. Отопительный сезон в Атланте длится с октября по апрель; кондиционирования — с мая по сентябрь.

2. Обратившись к таблице для 32° с. ш., сложим ежедневные общие значения при угле наклона 22° для месяцев с октября по апрель. В сумме (концу каждого часа) получается 164-103 кДж/ /м2-ч. Выполним ту же операцию для углов 32°, 42°, 52° и 90°. Эти общие величины, соответственно, составляют 172-103, 174-103, 172-103 и 120-103 кДж/м2-ч.

3. Сравнение суммарных величин показывает, что наклон в 42° или широта +10° обеспечивает наилучшие условия для улав­ливания тепла солнечного излучения.

4. Для сезона кондиционирования делается аналогичный на­

бор суммарных величин, но для месяцев с мая по сентябрь. Это 134 -103 кДж/м2-ч для 22°, 129 -103 кДж/м2-ч для 42°,

106-103 кДж/м2-ч для 52° и 37-103 кДж/м2-ч для 90°.

Сравнение суммарных величин показывает, что наклон в 22° или широта —10° наиболее благоприятны для охлаждения.

6. Те же действия для получения суммарных величин за год дают: 300-103 кДж/м2-ч для 22°, 301 -103 кДж/м2-ч для 42°, 278-103 кДж/м2-ч для 52° и 157-103 кДж/м2-ч для 90° наклона.

7. Сравнение суммарных величин показывает, что наклон в 32° или широта лучше всего подходит для круглогодичной ра­боты.

Эти выводы весьма полезны для проектировщика, однако более внимательный анализ цифр выявляет дополнительные фак­ты. Например, наклон в 42° считается наилучшим для отопления, но в то же время суммарные величины для 32 и 52° только на 2% отличаются от суммарной величины для 42°. Поэтому другие проектные соображения (план здания, конструктивный каркас, высотные ограничения и т. д.) могут быть учтены в процессе при­нятия решения, не оказывая серьезного влияния на конечную эффективность системы в зависимости от наклона.

Данные по приходу солнечной радиации за ясный день явля­ются исключительно ценными при проведении анализа, однако следует помнить об его ограничениях. Например, не учитывается отражательная способность грунта. В вышеприведенном примере отопительного сезона суммарная величина для наклона 90° на 30% меньше максимальной величины для 42°. На самом деле ве­личина инсоляции на вертикальной поверхности только на 10— 20% меньше оптимальной во время отопительного сезона благо­даря влиянию отражения грунта. Это особенно справедливо для высоких широт Другим ограничением является условие средне­го ясного дня Во многих местах атмосфера более прозрачна (например, на больших высотах, в пустынях), в других — менее (в промышленных районах, запыленных местностях и т. д.). Кро­ме того, эти данные не учитывают условий переменной облачно­сти, которые приобретают большое значение при долгосрочном прогнозировании Таким образом, при пользовании подобными полезными таблицами нужно всегда проявлять осторожность и здравый смысл.

На рис. 6.12 представлена номограмма, дающая общую ин­формацию о поступлении солнечной радиации. Сначала про­водится метод определения часа захода Солнца для любого пун­кта и времени года. В следующем примере иллюстрируется ис­пользование диаграммы. Определим время захода Солнца 20 мая в Лиссабоне, Португалия (39° с. ш.). График склонений показы­вает, что 20 мая склонение составляет 20°. Соединив линейкой точку 39° с. ш. и точку склонения 20°, получим время захода. 20 января, когда склонение также составляет 20°, время захода Солнца будет 16 ч 52 м. Эти часы даны по местному солнечному времени.

На следующем графике (рис. 6.13) представлены доли суточ­ной солнечной радиации, облучению которой подверглась гори­зонтальная поверхность в период между определенными часами. Чтобы воспользоваться этим графиком, необходимо знать сред­нюю дневную солнечную радиацию и продолжительность дня (найденную из предыдущей номограммы). Для наклонных по­верхностей, обращенных на юг (обращенных на север в южном полушарии), необходимо определить «истинную продолжитель­ность» дня. Это можно получить путем вычитания угла наклона из действительной широты, чтобы получить кажущуюся широту. Затем эта величина вводится в первую номограмму как широта. Этот метод для наклонных поверхностей справедлив только тог­да, когда угол наклона существенно не превышает широты. Этой

ПВ Б Андерсон

номограммой можно пользоваться следующим образом. Какова будет доля суточной солнечной радиации, падающей на горизон­тальную поверхность между 9 ч утра и 3 ч дня 20 мая в Лиссабо­не? Из предыдущего примера мы знаем, что Солнце заходит в 19 ч 08 м; таким образом, день длится с 5 ч утра до 7 ч вечера. Вертикальная линия, проведенная от точки «с 9 до 3» до кривой «с 5 ч до 19 ч», соответствует 0,67, т. е. доле радиации, получен­ной за этот период. Интересно отметить из этого графика, что 90% суточной радиации (любого ясного дня) поступает в сред­ние две четверти дня. Изучая этот график, можно получить мно­го полезной информации такого рода.

Помимо имеющихся прямых данных, дополнительную инфор­мацию можно извлечь, применив общие способы производства действий с этими данными. Они главным образом основаны на статистическом учете долговременных средних условий. Подроб­ности этих расчетов, не включенные в эту книгу, содержатся в статье Ю. Г. Ли и Р. К. Джордана «Условия поступления солнеч­ной энергии на плоские солнечные коллекторы», опубликован­ной Американским обществом инженеров по отоплению, холо­дильной технике и кондиционированию воздуха в книге «Тех­ника использования солнечной энергии в низкотемпературных процессах». Выделение диффузной составляющей из всей радиа­ции не может быть сделано достаточно точно. Метод, рекоменду­емый Ли и Джорданом, основан на отношении среднесуточной полной радиации на горизонтальной поверхности (измеренной на данной метеорологической станции) к внеземной среднесуточ­ной радиации, падающей на горизонтальную поверхность. Эти данные (обычно называемые процентом внеземного излучения,

или % ВЗИ), хотя и непуб­ликуемые вместе со сводка­ми по радиации, можно получить в Национальном центре регистрации метеоро­логических данных. Данные по 80 метеорологическим станциям также вошли в приложение к статье Ли и Джордана. Это отношение или коэффициент в соче­тании с простым графиком

Рис. С 13 Доля суточной солнеч­ной радиации, которая поступает между определенными часами [401

продолжительность дня / — с 8 ч да 16 ч, 2 — с 7 ч до 17 ч, 3 — с 6 до 18 ч; 4 — с 5 до 19 ч; 5 — с 4 ч до 20 ч

дает зависимость между диффузной и полной радиацией в тече­ние дня (рис. 6.14).

Например, графиком можно воспользоваться для определе­ния части суточной радиации, которая является диффузной, при % БЗИ, равном 50, и суточной суммарной радиации 15 330 кДж/м2. На графике 50% соответствуют отношению диф­фузной радиации к суммарной как 0,38. Количество диффузной радиации в сутки составляет 15 330-0,38 = 5825 кДж/м2. Тогда прямая составляющая радиации будет равна 15330 — 5825 = = 9505 кДж/м2. Многие расчеты требуют знания зависимостей между почасовым и суточным приходом радиации, падающей на горизонтальную поверхность. Эта информация необходима как для определения суммарной радиации, так и для оценки ее двух

Рис. 6.14 Соотноше­ние между диффуз­ной и суммарной ра­диацией [22]

-g'S ^о, з-

*§02- 5 CP S'QV

l|!%

составляющих. На графике, взятом из статьи Ли и Джордана (рис. 6.15), показаны зависимости между часовыми и суточными суммами радиации для суммарной и диффузной радиации — за период времени с восхода до захода (найденный из выше­приведенной номограммы). Пользуясь рис. 6.15, найдем ко­личество диффузной и прямой радиации, падающей на горизонтальную поверхность в 10 ч 30 м при 12-часо­вом дне, если суммарная за сутки радиация составляет 15 330 кДж/м2, а % ВЗИ равен 50. Из вышеприведенного приме­ра суточная диффузная радиация составляет 5825 кДж/(м2-сут). От солнечного полдня время 10 ч 30 м отделено полутора часами. Кривая диффузной радиации для этого часа пересекает 12-часо­вую (вертикальную) линию в точке, соответствующей 0,120, т. е. в точке отношения между почасовой и суточной радиацией. Та­ким образом, диффузная составляющая равна 5825X0,12 = = 700 кДж/(м2-ч). Аналогично кривая суммарной радиации ука­зывает на отношение 0,128. Отсюда приход суммарной радиации за час равен 15 330X0,128=1964 кДж/(м2-ч). Тогда прямая со­ставляющая радиации будет 1964 — 700=1264 кДж/(ч-м2) = = 355 Вт/м2.

Для того чтобы получить соотношение величин прямой ради­ации, падающей на поверхность данной ориентации и на гори­зонтальную поверхность, можно применить два тригонометриче­ских преобразования: одно для почасового расчета для любой поверхности, а другое для суточного облучения поверхностей, обращенных на юг. Графический пример этого соотношения дан на рис. 6.16. Графическое представление дано по месяцам для указанных наклонов и применительно к соответствующей средне­месячной радиации. Во многих случаях радиация, падающая на наклонную поверхность, была значительно больше радиации, па­дающей на горизонтальную поверхность. Например, в ноябре бо­лее чем в два раза больше прямой радиации попадает на поверх­ность с величиной наклона поверхности, составляющей градус широты +20°, чем на горизонтальную поверхность. Следует под­черкнуть, что диффузная составляющая радиации и любая энер­гия, отраженная от окружающих поверхностей, рассматриваются в другом ракурсе. Тригонометрические преобразования можно применять лишь применительно к прямой составляющей ради­ации.

Переводной коэффициент Rd для суточной прямой радиации, падающей на обращенные на юг поверхности (обращенные на север в южном полушарии), зависит от широты (L), наклона (р) и часового угла захода Солнца (со) как для горизонтальных, так и для наклонных поверхностей. Этот угол в свою очередь зависит от широты (L), наклона (|3) и склонения (б). Для горизонталь­ной поверхности часовой угол захода Солнца равен: <i)s = —tgLtg5. Для наклонной поверхности он равен: cos' — = —tg(L—p)tg8. Склонение (6) определяется из вышеприведен­
ной номограммы, a cos и и/ вычисляются. Переводной коэффици­ент имеет несколько иной вид и зависит от двух часовых углов:

, cos (L — Р) sin Cl)s— cos cos м'

если cosssC cos, то Rd —------------------------------- ;

cos / sin (0S —(Os COS (Os

COS (L —P) sin — m' COS ю' cos L sin C0S — (0S COS Cds

Переводной коэффициент Rf, p для почасовой прямой радиа­ции, падающей па поверхность любой ориентации, зависит от наклона поверхности (|3), азимута поверхности (Т), высоты Сол­нца (а) и азимута Солнца (Ф). Солнечные углы приводятся в разделе «Углы падения солнечных лучей и затенение». Углы на­клона поверхности описаны на рис. 6.17. Если известны четыре коэффициента, то можно выполнить преобразование:

Ryfi = cos р + sin р с03(ф—7) _

tga

Диффузная и отраженная радиация рассматриваются с раз­ных точек зрения. Общепринято, что диффузная радиация рав­номерно поступает из всех секторов небосвода, поэтому задача заключается в определении того, какую часть небосвода «видит» данная поверхность и на сколько снижается доля диффузной ра­

диации по отношению к полному ее количеству (рис. 6.18). Тогда доля диффузной радиации, падающей на данную поверхность, будет составлять

1 + COS Р JJ 2 ’

где р — наклон от горизонтали, a D — диффузная радиация для рассматри­ваемого периода времени (см. выше).

Отраженная радиация зависит от коэффициента отражения грунта р, доли поверхности грунта, которую «видит» принимаю­щая радиацию поверхность (см. рис. 6.18) и уровня суммарной радиации. Обычная средняя величина р равна 0,2, хотя она ме­няется в зависимости от наличия снега, травы, воды и т. п. Здесь не учитывается эффект отражения от окружающих высотных зданий или других объектов, который может быть значитель­ным, если речь идет об условиях города.

1 — угловая высота Соли ца; 2 — угол падения; 3 — здание; 4 — сол­нечный азимутальный угол; 5 — сол­нечный азимутальный угол стены

Рис. 6.18. Зависимость между углом наклона поверхности и частью небосвода, который «видит» эту поверхность

ЗЗо