Данные солнечного излучения
Для проектирования фотоэлектрических систем важно знать количество доступного солнечного света в данном месте и в данное время.
Солнечное излучение характеризуется двумя величинами: плотностью потока излучения и плотностью энергии излучения. Плотность потока излучения — это мгновенная плотность энергии (кВт/м2). Она изменяется на протяжении дня от нуля ночью до максимума около 1кВт/м2 днем. Плотность потока излучения сильно зависит от местоположения и погоды. При измерении плотности потока излучения периодически, на протяжении всего дня, измеряют общий поток и прямую составляющую отдельно. Для этого используют или пиранометр (измеряющий полное излучение) или пиргелиометр (измеряющий прямое излучение). Существуют специально оборудованные места, где эти данные собираются в течении более чем 20 лет.
Прибор для измерения солнечного излучения. (David Pearsons) NREL information exchange.
Альтернативой использованию этих приборов является самописец солнечного излучения (или самописец Campbell-Stokes), которые измеряет количество часов в течение дня, когда плотность потока излучения выше определенного уровня (обычно 200 мВт/см2). Этот метод не такой точный, за то он дешевле. Данные, полученные с помощью самописца, используют для определения плотности энергии. Для этого количество солнечных часов сравнивают с теоретически рассчитанным количеством и вводят несколько корректировочных поправок.Последним способом получения данных о солнечной освещенности является анализ облачного покрова на снимках со спутника.
Более простой характеристикой солнечного излучения, используемой при проектировке систем, является плотность энергии излучения. Плотность энергии излучения — это общее количество солнечной энергии, получаемой определенной поверхностью в течении определенного периода времени (обычно в кВтчас/м2день). Плотность потока излучения — это мгновенная плотность энергии, усредненная по данному периоду времени. Обычно для простых фотоэлектрических систем используют данные о плотности энергии излучения, тогда как для проектирования больших и сложных систем необходимо знать эффективность системы в каждый момент дня. Плотность энергии излучения можно так же выразить, например, в МДж/м2 в год или в других величинах. Как это сделать показано на странице «Физические величины».
Информация о солнечном излучении в определенном месте может быть представлена в нескольких видах:
- обычные среднегодовые данные для определенного местоположения
- усредненная плотность энергии излучения за день, месяц, год для определенного местоположения
- контурная карта изопотока за весь год, четверть года или за одни месяц
- данные о количестве солнечных часов
- плотность энергии излучения по данным об облачном покрове, полученным со спутника
- теоретический расчет
Сымй очевидный и простой способ преобразования данных — найти среднее значение плотности энергии в интересуемом временном интервале. В результате получают усредненные по дню, месяцу или году данными о плотности энергии солнечного излучения. Однако за упрощение приходится платить снижением точности. Потеря данных о ежедневном изменении плотности энергии излучения в некоторых случаях имеет критическое значение. Представьте, например, две системы, одна из которых вырабатывает 5 кВтчас каждый день и другую, дающую в некоторые дни 8кВтчас, а в другие — 2кВтчас.
Сравнение TMY и усредненных данных солнечного излучения.
Обычно плотность энергии солнечного излучения представляют в виде TMY (или TMY2, используемый в национальной лаборатории возобновляемой энергетики США, NREL), который включает ежедневное изменение плотности энергии. О TMY говорится на следующей странице. Однако, данные о средней плотности энергии, особенно за месяц, также используются, например, для приблизительной оценки количества необходимых фотоэлектрических модулей.
Кроме того по данным о плотности энергии солнечного излучения можно рассчитать вероятность нескольких подряд пасмурных дней. Пасмурным днем считается день, когда плотность энергии излучения составляет меньше 50% от теоретически возможного. Например в некоторых местах четыре пасмурных дня подряд могут случится один раз в год, а пять дней — раз в пять лет. Эта информация важна для того, чтобы правильно спроектировать систему батарей для хранения резервной энергии. Однако она редко публикуются отдельно и ее нужно рассчитывать из оригинальных данных.
Данные о типичном метеорологическом годеДля представления TMY данных не существует строгого стандарта, поэтому пользователь должен располагать данные так, как ему удобнее. При этом нужно быть особенно внимательным с периодами измерений. Ниже приведен пример необработанных TMY данных для первого января в Мельбурне, Австралия.
В более читабельном виде это выглядит так:
|
Месяц |
День |
Час |
Глобальный поток излучения
|
Поток, определяемый следящим датчиком
|
Температура
|
Скорость ветра
|
Wet Bulb
|
Направление ветра |
Облачный покров |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
130 |
0 |
99 |
00 |
7 |
|
1 |
1 |
2 |
0 |
0 |
127 |
10 |
98 |
04 |
0 |
|
1 |
1 |
3 |
0 |
0 |
118 |
7 |
94 |
04 |
0 |
|
1 |
1 |
4 |
0 |
0 |
109 |
3 |
90 |
04 |
1 |
|
1 |
1 |
5 |
0 |
0 |
100 |
0 |
86 |
00 |
1 |
|
1 |
1 |
6 |
33 |
106 |
117 |
3 |
96 |
14 |
1 |
|
1 |
1 |
7 |
110 |
260 |
133 |
7 |
106 |
14 |
0 |
|
1 |
1 |
8 |
186 |
311 |
150 |
10 |
115 |
14 |
0 |
|
1 |
1 |
9 |
257 |
342 |
183 |
7 |
133 |
14 |
0 |
|
1 |
1 |
10 |
317 |
351 |
217 |
3 |
151 |
14 |
0 |
|
1 |
1 |
11 |
356 |
353 |
250 |
0 |
167 |
00 |
0 |
|
1 |
1 |
12 |
381 |
357 |
272 |
14 |
166 |
12 |
0 |
|
1 |
1 |
13 |
387 |
362 |
293 |
27 |
165 |
12 |
0 |
|
1 |
1 |
14 |
365 |
359 |
315 |
41 |
164 |
12 |
0 |
|
1 |
1 |
15 |
324 |
355 |
314 |
43 |
164 |
13 |
0 |
|
1 |
1 |
16 |
267 |
348 |
314 |
45 |
163 |
13 |
0 |
|
1 |
1 |
17 |
198 |
336 |
313 |
46 |
162 |
14 |
0 |
|
1 |
1 |
18 |
120 |
277 |
307 |
38 |
162 |
14 |
0 |
|
1 |
1 |
19 |
44 |
147 |
300 |
29 |
160 |
15 |
0 |
|
1 |
1 |
20 |
2 |
12 |
294 |
21 |
159 |
15 |
0 |
|
1 |
1 |
21 |
0 |
0 |
274 |
26 |
154 |
15 |
0 |
|
1 |
1 |
22 |
0 |
0 |
253 |
31 |
148 |
16 |
0 |
|
1 |
1 |
23 |
0 |
0 |
233 |
36 |
143 |
16 |
0 |
|
1 |
1 |
24 |
0 |
0 |
235 |
36 |
142 |
16 |
0 |
Из всех данных для проектирования фотоэлектрических систем обычно необходимы только данные о плотности энергии в определенное время. Иногда в дополнение к ним учитывают температуру и скорость ветра.
* Месяц — месяц года, начиная с января — 1, заканчивая декабрем — 12.
* День — число в дней в месяце.
* Час — час дня в
* Глобальный поток излучения — количество энергии, падающей на горизонтальную поверхность в течение часа. Чтобы перевести значение потока из MJ/m2hr в kW/m2, нужно разделить на 360. Самый большой поток излучения днем, а ночью он падает до нуля.
* Поток излучения, определяемый следящим датчиком — это поток, который падает на перпендикулярную ему поверхность, но не включает в себя диффузную составляющую.
* Температура и скорость ветра — приведены средние значение за час. Обратите внимание на множитель 10.
* Wet Bulb Temp — обычно не используется для установки ФЭ систем.
* Направление ветра — показывает точку на компасе, откуда дует ветер. Север — это 00, Восток — 04 и т.д.
* Облачный покров — это визуальная оценка того, какая часть неба, покрыта облаками. 0 — нет облаков, 8 — полностью покрыто.
Для фотоэлектрических систем также часто нужно знать количество рассеянного излучения. Рассеянное излучение (Dh), падающее на горизонтальную поверхность можно рассчитать, зная плотность энергии глобального излучения (Gh), прямого излучения (It) и угол возвышения (el):
Диффузное излучение неравномерно для различных частей неба. Например, если посмотреть на Солнце, то можно увидеть, что область вокруг его диска значительно ярче, чем другие части неба. Существует модель (Perez), разделяющая Солнце на несколько областей: окружающую Солнце, горизонтальную и оставшееся небо. Размер каждой из этих областей и их относительные интенсивности подстраиваются таким образом, чтобы соответствовать измеряемому излучению.
Среднемесячный поток солнечного излученияЧтобы увидеть данные о средней дневной плотности потока в различных местах, наведите указатель мышки на красные точки на карте. Приведенные значения соответствуют горизонтальному расположению модуля.
Пиковые солнечные часы
Площадь под кривой равна плотности энергии излучения. Площади справа и слева равны.
Контурные карты изопотока
Средняя ежеквартальная мировая карта изопотока для каждой четверти года. Единицы в МДж/м2 показывают солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность за день.
Количество солнечных часов
где a и b — постоянные, определяемые местоположением и зависят от атмосферных условий
H0 — среднее солнечное излучение за месяц в ясный день (можно рассчитать теоретически)
n — измеренное число солнечных дней
N — число солнечных часов, рассчитанное так, как показано в пункте «Вычисление освещенности».
Как получить H0 и N показано на предыдущих страницах. Постоянная a изменяется около значения 0.25. b принимает значения от 0.4 до 0.6.
Например для Австралии a = 0.24, b = 0.48 с точность до 10%.
В таблице ниже представлены значения a и b для Индии, рассчитанные G.D. Rai.
