Преобразование солнечной энергии
Исследование закономерностей, количественно определяющих изменение потока радиации при прохождении его через материальную среду, началось задолго до того, как была выяснена природа физических процессов, вызывающих это изменение. Общий закон ослабления света при его прохождении через поглощающую и рассеивающую среду был установлен экспериментально еще в 1729 году французским физиком П. Бугером. С тех пор исследования в данной области продолжались российскими и зарубежными учеными.
Исходными данными для любых оценок распределения солнечной радиации являются данные наблюдений суммарной, рассеянной и прямой радиации на актинометрических станциях, сеть которых на территории России насчитывает более ста сорока пунктов. Используются данные с различным масштабом интегрирования — годовым, месячным, суточным, часовым. Имеются данные различной продолжительности наблюдений — от 30 до 45 лет, за изменениями составляющих коротковолновой солнечной радиации в видимом диапазоне— прямой на перпендикулярную S и горизонтальную площадки, рассеянной D и суммарной 0, а также их экстремальные значения.
Использование солнечной энергии для целей энергетики берут начало с работ Б.П. Вейнберга в 20-е годы, когда на основе обобщения фактических наблюдений и теоретических расчетов был составлен первый солнечный кадастр. Он содержал данные годового и широтного хода возможных месячных и годовых сумм прямой солнечной радиации, поступающей на поверхность перпендикулярную солнечному лучу при условиях ясного неба. Были рассмотрены и приведены также данные о суточном ходе солнечной радиации, продолжительности солнечного сияния для характерных дней года, а также дана карта распределения «технически применимой и экономически выгодной солнечной мощности».
Позднее, в 40-60 годы усилиями СМ. Горленко, И.Н. Ярославцсва, Я.А.Цуцкеридзе, О. А. Перовой и других были выполнены кадастровые оценки гелиоэнергетических ресурсов по республикам Средней Азии и Закавказья. Важное дополнение к методикам составления кадастра внес Б.В.Тарнижевский, предложивший учитывать связи метеорологическими факторами и конкретными солнечными энергетическими установками. На основе карт распределения солнечной радиации, построенных Т.Г.Берлянд и
Н.А.Ефимовой и моделей работы конкретных солнечных установок им были построены карты распределения годовой и месячной выработки тепловой и электрической энергии по территории юга страны. Вместе с тем выполненные работы в большинстве случаев недостаточно учитывали вероятностную природу поступления солнечной энергии, так как были построены на осредненных и суммарных значениях характеристик радиации и продолжительности солнечного сияния.
Как показали проблемы определения показателей солнечных установок данных, полученных на основе таких кадастров, недостаточно. Качественньш шагом вперед в деле создания современного солнечного кадастра явились более поздние работы Т.Г. Берлянд, Г.А. Гриневича, Н.В. Кобышевой, Г.Я. Наровлянского, З.И. Пивоваровой, Р.Б. Салиевой, В.В. Стадник и др., а также Дж.А. Даффи, У.А. Бекмана, Ст. Лингова, Л. Махта и др. В этих работах рассмотрены принципы разработки солнечного кадастра как совокупности объективных численных характеристик, описывающих закономерно-стохастические процессы и учитывающих вероятностную структуру и пространственно-временную динамику поступления солнечной радиации и метеопараметров. Расчет таких характеристик по данным фактических наблюдений служат основой для построения математической модели. Правильньш выбор модели позволяет прогнозировать природный режим поступления солнечной радиации к земной поверхности на предстоящий период. Прогноз солнечной радиации должен стать в гелиоэнергетике таким же привычным как прогноз погоды.
На текущий момент существует несколько методик для расчета плотности СИ при чистом небе, базирующиеся на эмпирических выражениях, которые характеризуют влияние атмосферы на прохождение солнечного излучения, разработанные преимущественно зарубежными авторами. Такие методы обладают рядом недостатков, к которым следует отнести относительно невысокую точность полученных данных, невозможность проведения окончательных расчетов без использования дополнительной информации по месячным или среднемесячным дневным суммам солнечного излучения при реальном состоянии атмосферы. Однако можно отметить и существенные достоинства расчетных методов, к числу которых относятся:
1. минимальный набор используемых исходных данных (географические координаты, месячные или среднемесячные дневные суммы солнечной радиации для заданного места);
2. возможность получения реальных почасовых значений прихода солнечного излучения для любого дня года;
3. возможность расчета почасовых значений солнечного излучения, поступающего на поверхность солнечной энергоустановки, ориентированную произвольным образом;
4. простота и высокая оперативность определения данных при предварительном проектировании солнечных энергоустановок.
На кафедре ВИЭГ СПбГПУ под руководством В.А. Грилихеса был проведен анализ основных разработанных в мире методик расчета поступления СИ и сделан вывод, что при проектировании солнечных установок, целесообразно использовать методику Бёрда, с поправочными коэффициентами, учитывающими особенности реальной плотности энергии падающей солнечной радиации на территории России. Для прямого СИ, падающего на горизонтальную поверхность, значения поправочных коэффициентов для территории бывшего СССР приняты равными Кст = 1,14 для зимних месяцев.
Вышеописанная методика описывает поступление солнечной радиации на горизонтально ориентированную поверхность при чистом небе, не учитывая местные особенности, такие как облачность, загрязненность воздуха промышленными газами и другие техногенные факторы. Для учета поступления СИ в реальных климатических и техногенных условиях используется метод определения реальных часовых сумм плотности энергии СИ по известным часовым суммам плотности энергии СИ для ясного неба предложенный В.А. Грилихесом.
Расчет поступления СИ в реальных условиях облачности включает два этапа:
1. Определение коэффициентов пересчета для реальных условий облачности
