2.6. Расчет и оценки солнечной энергии

Перед установкой приемника солнечной энергии необходимо определить, какое количество энергии требуется собрать, как предполагается использовать собранную энергию. И только после этого можно рассчитать размер приемника.

Требуемые данные должны быть получены в результате измерений лучистой энергии, проводимых в течение нескольких лет на месте установки будущего приемника или теплообменника.

Измерения солнечной энергии обычно производят пирогелиометрами, которые дают направленный поток G^*_b, или пиранометрами, измеряющими полный поток G_tc (рис. 2.3). Однако с целью более объективной оценки солнечной радиации для определенного места необходимо оценить метеорологические данные за значительные периоды времени.

Кроме регулярных изменений облученности, показанных на рис. 2.7. и 2.10, а, имеют место также значительные спорадические изменения. Среди них наиболее важно учитывать флуктуации, имеющие место в течение дня (см. например, 2.10, б), так как они влияют на количество накопленной энергии, которая необходима для полноценной работы солнечной энергетической системы. Таким образом, данные даже подробнейшей регистрации облученности можно использовать для прогнозирования только в статистическом смысле. Вот почему при проектировании солнечных энергетических систем обычно опираются на приближенные средние данные, такие, как среднемесячная суточная облученность.

Очень часто в качестве меры облученности используют продолжительность светлого времени суток. Все главные метеорологические станции ежедневно замеряют время n (в часах), в течение которого Солнце светит ярко. Эти данные имеются за несколько десятилетий. Обычно измерения производятся с помощью самописца, в котором специально размеченные карты располагаются за линзой. Когда солнце светит ярко, в карточке прожигается отверстие. Количество ясных солнечных часов n определяется из размера отверстия, прожженного в карточке данного дня.

Связь облученности с количеством ясных солнечных часов обычно записывают в таком виде:

Н = Н_о[a + b (n/N)] , (2.17)

где Н_о – лучистая энергия для данного дня, приходящаяся на единицу горизонтальной площадки в ясный день (см. рис. 2.7); N – продолжительность данного дня.

К сожалению, было установлено, что имеет место разброс коэффициентов a и b, в зависимости от места наблюдения. Коэффициенты корреляции сильно отличаются от полученных на основании формулы (2.17).

Вообще говоря, было предложено множество других климатических соотношений, связывающих облученность поверхности с такими переменными, как широта местности, температура окружающего воздуха, влажность и облачность. Большинство из них имеют малую точность и узкий диапазон применимости.

Как отмечалось ранее, доля приходящего излучения, которое может быть сфокусировано на приемнике, зависит от облачности и запыленности атмосферы. Эти факторы оценивают с помощью индекса ясности К_т, который представляет собой отношение лучистой энергии, пришедшей на горизонтальную поверхность за определенный период времени (обычно за один день), к энергии, пришедшей за тот же период времени на параллельную поверхность, расположенную вне атмосферы:

К_т = Н_h /H _oh . (2.18)

Самые ясные дни характеризуются оптической массой m = 1 и соответственно К_т  0,8. Для таких дней доля диффузной составляющей излучения равна примерно 0,2: она увеличивается до 1,0 в пасмурные дни (К_т =0). В солнечные дни при наличии в атмосфере значительного количества аэрозолей, или при небольшой облачности, рассеянная составляющая может достигать 0,5.

Долю направленной составляющей можно найти из выражения

Н_bh /H _th = 1 – Н_dh /H _th . (2.19)

Из выражения для Н_bh /H _th видно, что фокусирующим системам трудно успешно работать в условиях большой облачности. Однако следует заметить, что такие системы следят за Солнцем, и поэтому они собирают большую часть потока, идущего по нормали к поверхности.

Известно, что уравнение (2.8) описывает угол падения прямых солнечных лучей на произвольную плоскость. Но для направленной компоненты имеем

G_1b / cosθ₁ = G _2b / cosθ₂ = G_b^* . (2.10)

Диффузную компоненту, однако, так же точно рассчитать нельзя.

В специальной литературе [16] обсуждаются различные усовершенствования методов расчета диффузной компоненты. Хотя разброс составляет более 10%, результаты являются весьма поучительными.

Так на рис. 2.16 показана зависимость изменения от времени года рассчитанного потока излучения, приходящего под разными углами на поверхность, расположенную на 45^о северной широты при индексе ясности К_т = 0,5.

Рис. 2.16. Зависимость средней суточной облученности Н поверхности при различных углах ее наклона от времени года. Коэффициент отражения поверхности Земли 0,2