1.1. ПОТЕНЦИАЛ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Солнце является главным первичным источником нетрадиционной энер­гетики. Оно имеет колоссальные размеры — диаметр 1392 тыс. км, а массу 2 • 103° кг. Располагается на среднем расстоянии 150 млн км от Земли.

Солнечная энергия излучается в пространство благодаря термоядерной реакции, которая протекает внутри звезды. В этой реакции водород превра­щается в гелий. Масса ядра гелия меньше массы 4 протонов, поэтому часть массы превращается в энергию. Мощность потока солнечного излучения со­ставляет 2 • 1023 кВт. Температура в центре Солнца достигает 8-10 млн К, по­нижаясь к поверхностным слоям до 5800 К.

На Землю падает поток энергии, равный 1,7 • 10м кВт. Это означает, что в течении менее одного часа Земля получает столько энергии, сколько будет достаточно для удовлетворения всех энергетических потребностей человече­ства в течении года.

Основной величиной, характеризующей солнечную энергию, является солнечная постоянная, т. е. плотность потока излучения, падающего на пло­щадку, перпендикулярную этому излучению и расположенную над атмосфе­рой. Ее численное значение — 1353 Вт/м2.

В связи с постепенным затуханием Солнца эта величина уменьшается за год на (0,041 ±0,002)%.

Проходя через атмосферу, солнечное излучение ослабляется. Оно час­тично пронизывает атмосферу прямыми лучами, частично поглощается моле­кулами водяного пара и трех - и многоатомных газов, пылевидными включе­ниями, частично рассеивается и достигает земной поверхности в виде рассе­янного (диффузного) излучения.

На уровне Земли солнечная постоянная не превышает 1000 Вт/м2.

Прямое и рассеянное излучение ведут себя по-разному. Прямыми лучами можно управлять, применяя соответствующие оптические системы, диффуз­ное излучение не поддается концентрации и управлению.

Солнечное излучение, достигающее земной поверхности, неоднородно. Его можно разделить на ультрафиолетовый диапазон (длина волны <0,38 мкм), ви­димое излучение (длина волны 0,38<Х,<0,78 мкм) и инфракрасный диапазон (Х>0,78 мкм). Каждый участок спектра вносит свою долю энергии излучения: ультрафиолетовый — 7%; видимый — 47%; инфракрасный — 46% [1 ].

Облученность рассматриваемой площадки зависит от географической широты (к тропикам она больше), времени года, суток, наличия облаков и за­грязнений в атмосфере, от угла наклона к горизонту. В любом случае наклон­ная облучаемая площадка получает больше энергии, чем горизонтальная.

Климатические справочники дают возможность уточнять солнечную ра­диацию в каждом географическом районе.

1.1.1. Расчет прихода солнечной радиации на тепловоспринимающую поверхность Причина влияния широты местности и времени года станет ясной, если рассмотреть траекторию движения Земли вокруг Солнца, которая представ­ляет собой эллипс с Солнцем в одном из фокусов. Расстояние между Солнцем и Землей изменяется в течение года. Земля ближе всего к Солнцу в декабре (1,445 ■ 10п м), и дальше всего в июне (1,543 * 10п м). Это относительно не­большое изменение расстояния приводит к ощутимому различию в солнечном излучении, падающем на поверхность Земли, которое обратно пропорцио­нально квадрату расстояния.

Благодаря движению Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите сол­нечное излучение, воспринимаемое атмосферой, изменяется по временам го­да. В начале января, когда Солнце ближе всего находится к Земле, внеатмо­сферное излучение возрастает до 1,43 кВт/м2, а в июле, когда Солнце дальше всего расположено от Земли, оно уменьшается до 1,33 кВт/м2 [2].

Прямая солнечная радиация представляет собой поток излучения, посту­пающего от Солнца и измеряемого в плоскости, перпендикулярной солнеч­ным лучам. Рассеянная радиация поступает на Землю от остальной части не­бесной полусферы, претерпев рассеяние при прохождении через атмосферу.

Количество прямого солнечного излучения, улавливаемого поверхно­стью, зависит от угла падения, определяемого как угол между нормалью к по­верхности и направлением лучей, идущих от Солнца.

Для расчета прихода солнечной радиации на наклонную лучепоглощаю - щую поверхность необходимо знать углы падения солнечных лучей на на­клонную и горизонтальную поверхности в данном месте. Положение некото­рой точки А на земной поверхности относительно солнечных лучей в данный момент времени определяется широтой ее месторасположения ф, угловым солнечным временем ш и склонением Солнца 6 (рис. 1.1). Широта ф — это угод между линией, соединяющей точку А с центром Земли О, и ее проекцией на плоскость экватора. Угловое солнечное время м — это угол, измеренный в экваториальной плоскости между проекцией линии ОА и проекцией линии, соединяющей центры Земли и Солнца. Если каждый час измерять смещение Солнца относительно положения в полдень, то получим ряд значений угла к», характеризующих его угловые перемещения вокруг этой оси в зависимости от времени t после полудня, тогда ш = t /24 • 360 = t /24 • 2п = 0,262 ■ t рад.

Склонение Солнца 5 — это угол между линией, соединяющей центры Земли и Солнца, и ее проекцией на плоскость экватора. Склонение Солнца в течение года непрерывно изменяется от -23°5/ в день зимнего солнцестояния 22 декабря до 23°5/ в день летнего солнцестояния 22 июня и равно нулю в дни весеннего (21 марта) и осеннего (23 сентября) равноденствия.

Угол склонения Солнца в данный день определяется по формуле [1]:

6 = 23,5sin| 360°284 + 711 (1.1)

(, 365 )

где п — порядковый номер дня, отсчитанный от 1 января. В качестве п обычно берется номер среднего расчетного дня месяца для 1-12 месяцев года.

Данные солнечного склонения 8 для среднего дня 1-12 месяцев приве­дены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 °, град. -20,9 -13 -2,4 9,4 18,8 23,1 21,2 13,5 2,2 -9,6 -18,9 -23

В расчетах солнечной радиации используется также зенитный угол Солн­ца 6г, угол высоты а и азимут а, (рис. 1.2), а также азимут поверхности аи (рис. 1.3). Зенитный угол Солнца 0Z — угол между направлением на Солнце и вертикалью к горизонтальной плоскости. Зенитный угол вычисляется по сле­дующей формуле:

cos 02 = cos w • cos ф • cos 8 +sin ф • sin5. (1.2)

Рис. 12. Углы, определяющие положение тонки на земной поверхности относительно солнечных лучей

Рис. 1.3. Углы, характеризующие положение точки на наклонной поверхности относительно солнечных лучей

Высота Солнца а над горизонтом — угол в вертикальной плоскости ме­жду солнечным лучом и его проекцией на горизонтальную плоскость. Угол высоты Солнца а = 90° - 0г, поэтому sin а = cos 6г. Очевидно, в полдень вы­сота Солнца а = 90° - <р +5, но в другое время суток кажущееся положение Солнца определяется несколько труднее, т. е.

sin а = cos ш • cos <p • cos § +sin (p • sin5. (1.3)

Осеннее и весеннее равноденствия наступают, когда Солнце пересекает экватор. На территории Республики Беларусь Солнце никогда не находится над головой, но его высота бывает максимальной во время летнего солнце­стояния.

Знать высоту Солнца очень важно. При большей высоте солнечное излу­чение проходит более короткое расстояние, пересекая атмосферу, при мень­шей — пересекает гораздо большую массу воздуха.

Длина пути излучения характеризуется величиной т, которая называется массой атмосферы. При гп=1 рассматривается длина пути по вертикали, от­считываемая от уровня моря, а Солнце находится в зените. Если зенитный угол 0г = 60°С, то масса атмосферы ш =2.

С увеличением высоты Солнца возрастает число световых часов, во время которых можно аккумулировать солнечную энергию. Расчеты для всех широт показали, что на территории нашей республики Солнце имеет максимальную высоту а = 62,1° на 51° с. ш., а = 60,1° на 53° с. ш., а = 57,1° на 56° с. ш.

Азимут «s Солнца — это угол в горизонтальной плоскости между проек­цией солнечного луча и линией, направленной на юг. Значения азимута Солн­ца на территории республики вычисляются по формуле

sinas = (cos S • cosio) I cos 0Z. (1.4)

Азимут поверхности a„ измеряется как угол между нормалью к поверхно­сти и направлением на юг (рис. 1.3).

Тепловоспринимающая поверхность принимает наибольшее количество солнечной энергии в том случае, когда она расположена перпендикулярно к падающим солнечным лучам. При отклонении поверхности на юго-запад или юго-восток не более чем на 15° получим гелнорадиации около 99%.

Для определения возможного падающего солнечного излучения на по­верхность, когда она поворачивается на некоторый угол |3 относительно гори­зонтальной плоскости, были произведены расчеты для всех широт республики при углах р от 0° до 90°.

Расчеты показывают, что для получения максимальной тепловой энергии (100%) поверхность должна быть установлена под углом р к горизонту в диа­пазонах, указанных в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Значения оптимального угла наклона поверхности южной ориентации к горизонту на территории Республики Беларусь Месяц ШИРОТА Средний диапах опт. угла Опти­ мально угол 5Г 52° 53° 54° 55° 56° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 69-75 70-76 71-77 72-78 73-79 74-80 69-80 75 2 62-66 62-68 63-69 64-70 65-71 66-72 62-72 67 3 51-56 52-57 53-58 54-59 55-60 56-61 51-61 56 - 4 39-44 40-45 41-46 42-47 43-48 44-49 39-49 44 5 30-35 31-36 32-37 33-38 34-39 35-40 30-40 35 6 25-31 26-32 27-33 28-34 29-35 30-36 25-36 31 7 27-32 28-33 29-34 30-35 31-36 32-37 27-37 32 8 35-40 36-41 37—42 38-43 39-44 40-45 35-45 40 9 46-51 47-52 48-53 49-54 50-55 51-56 46-56 51 10 58-62 59-64 60-65 61-66 62-67 63-68 58-68 63

1	2	3	4	5	6	7	8	9
11	67-73	68-74	69-75	70-76	71-77	72-78	67-78	73
12	71-76	72-78	73-79	74-80	75-81	76-82	71-82	77

Если установить угол наклона поверхности на 5-10° меньше или больше указанного диапазона, то получим не менее 90% солнечной энергии.

Следовательно, при сезонном использовании (апрель — сентябрь) гелио­систем южной ориентации угол наклона поверхности р к горизонтальной плоскости должен быть 39°, для зимы (декабрь — февраль) р = 73°, для лета (июнь — август) р = 34°, при круглогодичном р * 54°.

При расположении поверхности под оптимальным углом р к горизонту и при а„ = Os, т. е. когда гелиоколлектор следит за движением Солнца в течение дня по его азимуту, с 10 ч до 14 ч во все месяцы будет получено в среднем те­пловой энергии более 99%, только после 17ч будет теряться гелиорадиации 15-30% в летний период и 10-20% — зимой.

В процессе движения Солнца по небу соответственно изменяется угол падения солнечных лучей. Наибольший эффект достигается в том случае, ко­гда панель коллектора поворачивается за движением Солнца по азимуту и от­носительно горизонта, в этом случае лучи будут падать на нее перпендику­лярно.

Угол падения солнечных лучей на произвольно ориентированную по­верхность, имеющую азимут аи и угол наклона к горизонту р, определяется по формуле

cos i= sinp[cos5 (sin<p cosOh coso) + sinaH si поз) - - sinS cosq> cosa„] + cosp [ cosS cos<p cosoj + sin8 sin<p], (1.5)

Угол падения лучей на горизонтально расположенную поверхность (Р = 0°) вычисляется следующим образом:

cos і = cosS cosq> cosio + sinS sin q>. (1.6)

Угол падения лучей на вертикальную поверхность (р=90°) находим по формуле:

cosi = cosS (sin<p cosQh cosco + sinc^ sino>) - sinS cos<|> cosaH. (1.7)

Азимут вертикальной поверхности а„ в том случае, если она ориентиро­вана на юг, равен 0°, на запад — 90°, на восток — 90° на север — 180°. Под­ставляя эти значения а„ в (1.7), получаем выражения для угла падения лучей на вертикальную поверхность данной ориентации.

При проектировании систем преобразования солнечной энергии необхо­димо знать не только полное излучение, но и его составляющие. Метод, с по­мощью которого измеренная полная радиация может быть разложена на пря­мую и рассеянную, показан ниже. Основным параметром его служит средне­месячный коэффициент ясности атмосферы

К = Е/Ео, (1.8)

где Е — среднемесячное полное излучение, пришедшее на горизонтальную по­верхность, МДж/(м2.сут); Ео — внеатмосферное среднемесячное суточное излуче­ние, падающее на горизонтальную поверхность, МДж/(м2.сут) (рис. 1.4) [3]. Зна­чения коэффициента ясности атмосферы К приведены в таблице 1.3. С учетом этого коэффициента получаем выражение для величины среднемесячного рассе­янного суточного излучения Ed

Ed = К К1 Е0, (1.9)

где К1 = Ed/E = 1,39 — 4,03 К - 5,53 К2 - 3,11 К3, если солнечная постоянная приня­та равной 1,353 кВт/м2. Зависимость К1 от К приведена на рис. 1.5.

Таблица 1.3 Среднемесячный коэффициент ясности атмосферы К и среднемесячный суточный приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность за пределами земной атмосферы, МДжім2 на 53° с. ш. Месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 К 0,34 0,39 0,45 0,46 0,49 0,51 0,5 0,48 0,46 0,39 0,31 0,3 Е„ 7.2 12.6 20.5 30.4 37.7 40.9 39.3 32.9 24.1 14.5 8.1 5.5

Согласно уравнению (1.10) составляющая прямого солнечного излучения для наклонной плоскости вычисляется по формуле:

Епв = Епг (cos І/cos Єг), (1.11)

где Em — проекция текущей составляющей прямого солнечного излучения на го­ризонтальную поверхность.

Рис. І А. Внеатмосферное суточное среднемесячное излучение поверхности для средних чисел каждого месяца в северных широтах

После определения рассеянной составляющей излучения можно рассчи­тать среднемесячную суточную прямую составляющую излучения на горизон­тальную поверхность

ЕПГ = Е-Е„. (1.10)

Величина Rn - —°S 1 ■ представляет коэффициент пересчета прямого из-

cos 0г

лучения на горизонтальную поверхность для условий, когда поверхность на - клонена под углом |3:

cosi sin 6sin(<p ~Р) + cos8cos(q> - (i)cosw cos 0г sin cpsin 6 + cos cpcos Scosto

Геометрический параметр Rn связывает прямое излучение на горизон­тальную поверхность с прямым излучением на наклонную поверхность. Так как значение Rn непрерывно изменяется, то для расчетов используют среднее значение этого параметра. Теоретически Rn является функцией пропускатель - ной способности атмосферы. Однако эту величину можно определить как от­ношение приходов внеатмосферной радиации на наклонную и горизонталь­ную поверхности.

Для ориентированных на юг поверхностей коэффициент пересчета пря­мого излучения Rn находим из уравнения (112). Среднемесячные значения пересчета прямой солнечной радиации для оптимальных углов наклона по­верхности на территории республики в зависимости от широты местности и угла наклона площадки к горизонту приведены в таблице 1.4. С небольшой погрешностью эти значения R„ можно использовать и для поверхностей, ази­мут которых не превышает 15°. При больших отклонениях от южной ориента­ции для расчета R„ использовался метод, предложенный Клейном:

cos(q>-|})cos6cosa>,|+ sin(<p- |})sin 6

____________________ 180 _______________

coscpcosSsinto, + -^tos sinqpsm6

где 8 - склонение Солнца в средний день месяца, град.; <os и ы>'ъ— часовой угол захода Солнца для горизонтальной и наклонной поверхностей, град.

Часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтальной поверхности вычисляется по формуле:

ws = arccos (-tgtp tgS). (1.14)

Таблица 1,4 Среднемесячные значении коэффициента пересчета прямой солнечной радиации R„ для поверхности южной ориентации при оптимальных углах ее наклона к горизонту Месяц р, град. 51° с. ш. 52° с. ш. 53° с. ш. 54° с. ш. 55° с. ш. 56“ с. ш. 1 75 3.214 3.399 3.605 3.839 4.104 4.410 2 70 2.281 2.366 2.458 2.558 2.666 2.784 3 65 1.677 1.718 1.761 1.806 1.854 1.905 4 45 1.335 1.357 1.380 1.404 1.429 1.455 5 35 1.180 1.194 1.209 1.224 1.239 1.255 6 30 1.131 1.142 1.154 1.165 1.177 1.189 7 30 1.152 1.164 1.176 1.188 1.201 1.214 8 40 1.259 1.277 1.296 1.315 1.335 1.355 9 50 1.518 1.549 1.582 1.616 1.652 1.689 10 60 2.037 2.102 2.171 2.245 2.324 2.409 11 70 2.910 3.056 3.217 3.397 3.598 3.825 12 75 3.627 3.864 4.133 4.443 4.803 5.228

Расчет часового угла захода Солнца для поверхности, имеющей наклон к горизонту и южную ориентацию, ведут следующим образом. Кроме величины (Uj определяют (0's из выражения

to's = arccos[-tg ((р - Р) tgS], (1.15)

Меньшая из величин ws или co's принимается за часовой угол.

При проектировании гелиосистем необходимо знать количество солнеч­ной энергии, поступающей на наклонную поверхность. Поэтому при инже­нерных расчетах часто необходимо располагать ежечасными значениями R„, R<b R <лр.5 R-

При ориентации по азимуту, т. е. когда поверхности оптимально ориенти­рованы по двум углам (углу наклона к горизонту и азимутальному углу), среднедневной приход прямой солнечной радиации на тепловоспринимаю­щую поверхность увеличивается на 28-30% по сравнению с приходом на го­ризонтальную поверхность, и на 18-20% — по сравнению с тепловосприни­мающей поверхностью южной ориентации.

Среднемесячное суточное прямое излучение на наклонную поверхность найдем следующим образом;

Ejih = R]l ' ^nr,

На наклонную поверхность кроме прямого излучения поступает рассеян­ное от части небесной полусферы в пределах видимости. Если предположить, что небесная полусфера — изотропный источник, то угловой коэффициент рассеянного излучения вычисляется по формуле:

Rd= | (1 +cosp). (1.17)

На рис. 1.6 представлена зависимость угловых коэффициентов пересчета рассеянного излучения Rd для оптимальных значений углов наклона поверх­ности к горизонту, соответствующих широте местности.

Так как тепловоспринимающая поверхность находится вблизи Земли, то на нее могут поступать прямое и рассеянное излучение, отраженные от Земли с угловым коэффициентом

R«p= ~ qs(l-cosp), (1.18)

где qs — отражательная способность земной поверхности. Для льда и снега qs = 0,7, для бетона qs = 0,2, для асфальта, темной поверхности Земли и воды qs = 0,1, для песка qs = 0,4.

рис. 1.7 иллюстрирует зависимость среднемесячных значений коэффици­ента пересчета отраженного излучения R0Tp для оптимальных углов наклона поверхности от месяца года на территории республики.

Рис. 1.7. Зависимость среднемесячных значений коэффициентов пересчета прямой, рассеянной, отраженной и суммарной солнечной радиации с горизонтальной на наклонную поверхность южной ориентации при оптимальных углах наклона к горизонту от месяца года на территории РБ: 1 —прямой солнечной радиации; 2 —суммарной; 3 —рассеянной; 4 —отраженной

Из уравнений (1.12), (1.17) и (1.J8) найдем суммарное среднемесячное су­точное излучение Е Солнца, падающее на поверхность, расположенную на Земле:

Е = Rn Епг + Edr (1 + со$Р)/2 + (1.19)

+ (Edr + Епг). qs (1 - соф)/ 2,

где Edr — среднемесячное суточное количество рассеянного излучения на гори­зонтальную площадку, МДж/м2сут.

Рассеяние солнечной радиации может быть направленным (допущение оля солнечных дней), тогда Rd = Rn, т. е. угловой поправочный коэффициент рассеянной солнечной радиации совпадает с коэффициентом для прямой.

Среднемесячное суммарное суточное количество солнечной энергии Е, поступающей на наклонную ; выражения

^ эруек am' яацыянаоднага

Е = R Er, (1.20)

где Б,- — среднемесячное суточное полное количество солнечной радиации, по­ступающей на горизонтальную поверхность; R — отношение среднемесячных су­точных количеств солнечной радиации, поступающей на наклонную и горизон­тальную поверхности.

Коэффициент пересчета количества солнечной энергии с горизонтальной поверхности на наклонную поверхность с южной ориентацией равен сумме трех составляющих, соответствующих прямому, рассеянному и отраженному солнечному излучению, поступающему на горизонтальную поверхность:

где R„ — среднемесячный коэффициент пересчета прямого солнечного излучения с горизонтальной на наклонную поверхность.

Среднемесячные значения коэффициента пересчета суммарной солнеч­ной радиации R для солнечных коллекторов южной ориентации приведены в таблице 1.5.

Таблица ІЛ Среднемесячные значения коэффициента пересчета суммарной солнечной радиации R для тепловоспринимеющих поверхностей южной ориентации при оптимальных углах наклона к горизонту на территории республики Месяц ШИРОТА 51° 52° 53° 54° 55° 56° 1 1.449 1.431 1.554 1.505 1.549 1.600 2 1.379 1.371 1.414 1.416 1.441 1.469 3 1.314 1.318 1.363 1.355 1.373 1.390 4 1.078 1.116 1.123 1.137 1.149 1.161 5 1.013 1.054 1.056 1.072 1.081 1.091 6 0.984 1.033 1.026 1.051 1.060 1.069 ~ 7 1.002 1.047 1.041 1.065 1.074 1.084 8 1.059 1.092 1.095 1.113 1.123 1.134 9 1.183 1.200 1.219 1.229 1.245 1.261 10 1.334 1.328 1.367 1.370 1.393 1.418 11 1.413 1.598 1.455 1.688 1.742 1.802 12 1.453 1.447 1.516 І.534 1.588 1.652

Если изменять угол наклона поверхности (і от 30°до 75° в любой месяц года на территории Беларуси, то значения отраженной радиации увеличива­ла на 1-20% (табл. 1.6).

Значения отражательной способности поверхности земли в условиях Рес­публики Беларусь приведены в таблице 1.6.

Таблица 1.6 Среднемесячные потоки суммарной радиации с учетом отраженного излучения для оптимальных углое наклона поверхности на территории республики, (кВт. ч)/м2 Месяцы Р Лотр. ШИРОТА 51 О ШИРОТА 55° Ег F ^отр. Сумма за месяц Доля Е„„., % Ег ^отр. Сумма за месяц Доля Есто,% 1 0.259 18,8 4.9 23.7 20.6 14.9 3.9 18.8 20.6 2 0.202 42.1 9.7 51.8 18.7 30.1 6.9 37.0 18.7 3 0.128 90.0 13.5 105.6 14.8 80.2 13.9 94.1 14,8 4 0.029 120.3 3.6 126.9 2.8 105.0 3.1 108.1 2.8 5 0.014 169.2 2.3 171.5 1.3 152,3 2.1 154.4 1.3 6 0.011 180.9 2.1 183.0 1.1 170.8 1.9 172.7 1.1 7 0.011 175,0 2.0 177.0 1.1 163.2 1.9 165.1 1.1 8 0.020 138.4 2.8 141.2 1.9 123.7 2.5 126.2 1.9 9 0.032 92.5 3.0 95.5 3.1 82.9 2.7 85.6 3.1 10 0.125 57.3 7.2 64.5 11.1 43.3 5.4 48.7 11.1 11 0.197 22.4 4.4 26.8 16.5 20.5 4.0 24.5 16.5 12 0.259 12.9 3.3 16.2 20.6 11.2 2.9 14.1 20.6 Год 0.107 1120 58.8 1183.7 5.0 998.1 51.2 1049 4.9 За сезон 0.019 876.3 15.8 895.1 1.8 797.9 14.2 812.1 1.7

1.1.2. Потенциал солнечной энергии Республики Беларусь По степени эффективности использования солнечной энергии для выра­ботки тепла, в частности, для горячего водоснабжения, территорию республики можно разделить на три географические зоны, которые отличаются по ради­ационно-климатическим условиям. На рис. 1.8 показаны природно-климати­ческие пояса республики [4].

Рис. І Я. Природно-климатические пояса республики и годовая продолжительность солнечного сияния (час.): 1 —Полоцк, 2 — Минск, 3 —Василевичи

К первому поясу относят территорию, охватывающую большую часть Витебской и северо-западную часть Минской административных областей, которая соответствует Северной (Двино-Вилейской) физико-географической области. Ко второму поясу — центральную часть территории, простираю­щуюся в виде удлиненной полосы с юго-запада на северо-восток от южной границы Северной физико-географической области до линии, ограничиваю­щей территорию Полесской низменности с севера. Она включает в себя Грод - ненскую, Минскую и Могилевскую административные области и соответст­вует Западной (Неманской) и Восточной (Средне-Приднепровской) физико - географическим областям. К третьему —■ территорию, охватывающую адми­нистративные области в пределах Полесской низменности: Брестскую, Го­мельскую и небольшую часть Минской. Она совпадает с Южной физико - географической областью.

Анализ показывает, что годовой приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность составляет в среднем 980-1180 кВт. ч/м2 и из­меняется с севера на юг в сторону увеличения.

При проектировании гелиосистем представляет интерес характер рас­пределения интенсивности солнечной радиации, поступающей на перпенди­кулярную (рис. 1.9) солнечным лучам поверхность.

Среднемесячные потоки суммарной, прямой и рассеянной радиации имеют годовой ход с максимумом в июне и минимумом в декабре (табл. 1.7, 1.8). В марте прямая и суммарная радиация резко возрастают по сравнению с предыдущими месяцами, поскольку продолжительность дня и высота Солнца растут, а количество облачности уменьшается. Соотношение прямой и рассе­янной солнечной радиации в зависимости от ориентации поверхности разное. Когда поверхность расположена перпендикулярно солнечным лучам, доля прямой радиации значительно больше, чем рассеянной. При падении лучей на горизонтальную поверхность почти во все месяцы года прямая радиация меньше, чем рассеянная. Особенно велика эта разность в зимний период, так как доля рассеянной радиации возрастает с уменьшением высоты Солнца над горизонтом и увеличением количества облачности. Только в мае и июне по­ступление прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность не­сколько больше, чем рассеянной.

Рис. 1.9. Гадовой ход среднемесячных потоков рассеянной (1), прямой (2), суммарной (3) радиации на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам (Минск}

Часовые и суточные потоки суммарной радиации при действительных ус­ловиях облачности в г. Минске представлены в таблице 1.7 [5].

Таблица 1.7 Действительные и возможные (при ясном небе) среднемесячные потоки солнечной ра­диации на горизонтальную поверхность в Минске, кВт. ч!м~ Месяц Прямая Рассея иная Суммарная Действнт. потоки радиации Возможные потоки ра­диации Действит. потоки радиации Возможные потоки ра­диации Действит. потоки радиации Возможные потоки ра­диации 1 2 3 4 5 6 7 1 4,7 26,7 13,96 13,96 18,6 40,7 2 11,6 52,3 26,7 19,8 383 72,1 3 39,5 107,0 46,5 31,4 86,0 138,4

1	2	3	4	5	6	7
4	5234	144,2	60,5	36	112,8	180,2
5	83,7	190,7	76,8	46,5	160,5	237,2
6	95,4	205,9	81,4	443	176,8	250,1
7	88,4	203,5	80,2	44,2	168,6	247,7
8	62,8	155,8	65,1	39,5	127,9	1953
9	41,9	111,6	45,4	26,7	87,3	138,3
10	16,3	69,8	29,1	19,8	45,4	89,6
11	4,7	32,6	13,96	12,8	18,7	51,3

Таблица 1.8 Максимальные и минимальные значения месячных и годовых потоков суммарной солнечной радиации (Минск), кВт. ч/м2 Станция Месяц МИНСК пинск р ■-'та д Е ’ ьтт р '-'max Etnin 1 24,4 и, б 33,7 16,3 2 513 26,7 523 27,9 3 112,8 61,6 108,2 62,8 150,0 88,4 145,4 83,7 181,4 131,4 193,1 143,0 0 207,0 155,8 195,4 147,7 198,9 140,7 207,0 146,5 8 162,8 102,3 177,9 118,6 103,5 66,3 111,6 80,2 10 61,6 33,7 67,5 39,5 11 23,3 10,5 23,3 13,9 12 15,1 9,3 19,7 103 ГОД 1292,0 838,3 1335,0 890,6

На рисунке 1.10 представлен годовой ход месячных потоков суммарной солнечной радиации по трем географическим зонам. В пределах республики интенсивность суммарной солнечной радиации меняется незначительно. Как видно из графика, период с апреля по сентябрь дает 75% годового прихода суммарной радиации на горизонтальную поверхность.

Рис. ЇЛО. Гтдоеой.’rod среднемесячных потоков суммарной радиации: 1 —Полоцк, 2 —Минск, 3 —Василевичи

Таблица 1,9 Часовая и суточная суммарная радиация (Вт. ч/м2) при действительных условиях облачности в г. Минске Месяц ЧАСЫ 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 1 . 8.1 45.2 87.0 119.5 129,9 114.8 76.6 31.3 2.3 2 5.8 44.1 106.7 175.2 215.8 227.4 208.8 165.9 100.9 40.6 3 68.4 160.1 255.2 331.8 375.8 388.6 364.2 306.2 218.1 132.2 4 177.3 272.6 365.4 429.2 454.7 443.1 413.0 361.9 287.7 196.1 5 283.1 404.8 491.8 545.2 566.1 554.5 522.0 459.4 377.0 27.6 6 339.9 453.6 546.4 590.4 612.5 604.4 569.6 503.4 426.9 339.9 7 292.3 403.7 498.8 559.1 580.0 575.4 554.5 491.8 418.8 328.3 8 206.5 305.1 406.0 477.9 508.1 502.3 467.5 40.3 332.9 247.1 9 118.3 210.0 298.1 363.1 390.9 387.4 357.3 297.0 219.2 135.7 10 37.1 92.8 154.3 192.6 226.2 223.9 196.1 142.7 82.4 29.0 11 2.3 24.3 58.0 90.5 109.1 106.7 85.8 55.7 20.9 12 _ 5.8 30.2 59.2 80.1 83.5 66.1 36.0 7.0 -

При расчете прихода солнечной радиации одним из факторов, опреде­ляющих особенности использования гелиосистем, является продолжитель­ность солнечного сияния. Время солнечного сияния зависит от продолжитель­ности дня и облачности (табл. 1.10, 1.11).

Таблица 1.10 Среднемесячная продолжительность светлого времени суток в Беларуси, (ч) Месяц Географическая широта 50° 52° 54° 56° 1 287 259 249 229 2 282 277 272 267 - 3 368 367 367 366 4 412 415 420 425 5 477 486 494 504 6 488 499 511 525 7 492 502 513 526 8 449 455 461 468 9 380 382 383 384 10 334 332 329 325 11 272 266 258 251 12 258 243 232 219

Таблица 1.11 Среднее время восхода и захода Солнца, в часах и минутах Месяц Минск Пинск Василевичи Восход Заход Восход Заход Восход Заход 1 8-12 16-08 8-03 16-16 8-04 16-16 2 7-24 17-06 7-20 17-10 7-20 17-10 3 6-17 18-03 6-16 18-06 6-16 18-04 4 5-00 19-01 5-04 18-57 5-04 18-57 5 3-58 19-55 4-06 19-47 4-05 19-48 6 3-26 20-34 3-37 20-23 3-36 20-24 7 3^16 20-25 3-55 20-16 3-54 20-16 8 4-36 19-32 4-42 19-26 4-41 19-27 9 5-32 18-17 5-33 18-16 5-33 18-16 10 6-26 17-27 6-24 17-07 6-24 17-06 11 7-04 16-02 7-20 16-09 7-21 16-08

На территории республики благодаря влиянию влажных воздушных масс, движущихся с Атлантического океана, продолжительность солнечного сияния возрастает с северо-запада к югу и юго-востоку (табл. 1.12).

Относительное солнечное сияние в среднем за год составляет на северо - западе 41-42%, а на юго-востоке 45-46%.

В течение наиболее теплого времени года (май-сентябрь) продолжитель­ность солнечного сияния равна примерно 1200 часам на севере (Полоцк) и 1400 часам на юге (Пинск), что составляет 67-71% годовой суммы.

Самые солнечные месяцы в республике — июнь и июль (табл. 1.13). В июле число часов солнечного сияния колеблется от 260-270 на севере и за­паде, до 294 на юге и востоке, что составляет 55-61% возможного. Наимень­шая продолжительность солнечного сияния приводится на декабрь, она ко­леблется от 25 часов на севере до 32 — на юге, что составляет 10-15% от воз­можного.

Таблица 1.12 Продолжительность солнечного сияния, (ч) Месяц Полоцк Гродно Минск Горки Пинск Василевичи 1 .31 34 40 50 47 45 2 56 54 60 66 63 67 3 142 147 146 129 160 136 4 183 188 193 198 212 193 5 253 235 261 267 258 267 6 274 260 286 302 286 286 7 272 260 272 294 281 294 8 229 228 238 246 256 252 9 160 174 170 152 201 188 10 81 93 92 84 119 112 11 31 34 32 44 37 46 12 29 29 25 28 31 32 год 1735 1736 1815 1860 1951 1918

Таблица 1.13 Число солнечных дней Месяц Полоцк Гродно Минск Горки Пннск Василевичи 1 10 11 13 15 14 14 2 17 14 14 15 15 15 3 23 23 23 21 24 22 4 27 26 26 27 27 26 5 30 29 29 29 29 29 6 29 28 29 29 29 29 7 30 30 30 31 31 30 8 29 29 30 30 29 29 9 27 27 27 28 28 27 10 20 21 21 24 23 _ 22 11 12 9 11 13 11 14 12 9 10 8 9 11 10 ГОД 258 257 261 263 271 266

Продолжительность солнечного сияния от года к году колеблется иногда весьма значительно. Например, в Минске средняя многолетняя продолжи­тельность солнечного сияния составляет 1815 часов/год; за последние 20 лет максимум был 2070 часов, минимум — 1507.

Число дней без Солнца на территории республики колеблется от 95 до 110 в год. Наибольшее среднее число дней без Солнца наблюдается зимой. С ноября по январь — около 20 дней в каждом месяце. Меньше всего дней без Солнца летом, в июле оно в среднем не превышает 1-2 дня (табл. 1.13).

Продолжительность солнечного сияния зависит от продолжительности дня и режима облачности. Облачность является одним из наиболее важных климатических факторов, так как определяет, кроме продолжительности сол­нечного сияния, интенсивность солнечной радиации, поступающей в нижние слои атмосферы и на поверхность земли. Облачность оценивается по степени покрытия неба облаками, которая определяется визуальными наблюдениями по десятибалльной шкале. Основной характеристикой облачности является повторяемость ясного (0-2 балла), пол у ясного (3-7 баллов) и пасмурного (8- 10 баллов) состояния неба (рис. 1.11).

Анализ приведенных кривых показывает, что годовой ход продолжитель­ности солнечного сияния, числа пасмурных дней, повторяемости ясного, по - луясного и пасмурного состояния неба, а также плотности потока солнечной радиации имеет резко выраженный характер в летний период. Начиная с мар­та месяца, интенсивно изменяются значения, характеризующие радиационный режим республики, поскольку продолжительность дня и высота Солнца быст­ро растут, а количество облачности уменьшается. Три летних месяца дают около 50% годового прихода суммарной радиации, причем на поверхность по­ступает преимущественно прямая солнечная радиация (50-52% суммарной). Летом ежемесячно наблюдается не более 2-3 пасмурных дней, не менее 8-10 ясных дней и около 15-20 дней со средней облачностью, а число дней без Солнца не превышает 1-2 в месяц. Повторяемость ясного, полуясного и пас­мурного состояния неба составляет соответственно 50,23 и 27%. Усредненная за летний сезон плотность потока суммарной радиации на горизонтальную поверхность при средней облачности составляет в день 5 кВт ч/м2, а при ясной погоде 7,7 кВт ч/м2).

Существенное влияние на потерн тепла в солнечных электроустановках оказывают температура окружающего воздуха и скорость ветра. В течение го­да температура воздуха на всей территории республики изменяется одина­ково: максимум приходится на июль, минимум — на январь. Нередко макси­мальная и минимальная температуры перемещаются на месяц позже: на август и февраль.

В течение года в республике преобладают ветры со скоростью 2-5 м/с,’но иногда летом дуют сильные ветры 15 м/с и более. Больше всего дней с силь­ными ветрами в восточных и южных районах, причем около половины этих дней приходится на май и июнь.

Проведенный сравнительный анализ продолжительности солнечного сия­ния и прихода среднемесячной суммарной солнечной радиации в столицах стран Западной Европы с умеренным климатом, расположенных между 50° и 60° с. ш., показал, что Республика Беларусь (Минск) по продолжительности солнечного сияния имеет близкие значения, а по приходу среднемесячной ра­диации даже превосходит северную часть Германии (Берлин), Швецию (Сток­гольм), Англию (Лондон). Это свидетельствует о том, что Республика Бела­русь имеет достаточно высокий энергетический потенциал солнечной радиа­ции и его необходимо использовать для удовлетворения нужд населения, как это делается в странах Западной Европы, близких к нам по климатическим ус­ловиям [6, 7].

Для оценки точности нахождения средних величин солнечной радиации, используемых в гелиотехнике в зависимости от числа лет наблюдений, можно использовать методику Тарнижевского Б. В., по которой находятся кривые обеспеченности периодов непрерывного солнечного сияния различной про­должительности. При обработке по этой методике выбирается не менее чем десятилетний ряд наблюдений. При этом исключается время в течение часа после восхода и до захода Солнца. Для успешной работы гелиоустановки тре­буется не менее 5 часов непрерывного облучения.

Из анализа таблицы 1.14 следует, что согласно критерию Тарнижевского Б. В. [8] наиболее благоприятный период в республике для использования сол­нечной энергии в гелиосистемах по обеспеченности суточных сумм суммар­ной солнечной радиации — с апреля по сентябрь.

Таблица 1Л4 Продолжительность работы гелиоустановок по данным непрерывного солнечного сияния, (ч) Месяц Полоцк Минск Василевичи Февраль 1,93 2,07 2,31 Март 4,58 4,71 5,16 Апрель 6,10 6,43 7,06 Май 8,16 8,42 8,61

Месяц	Полоцк	Минск	Василевичи
Июнь	9,13	9,53	9,54
Июль	8,78	8,78	9,06
Август	7,39	7,68	8,26
Сентябрь	5,33	5,67	6,70
Октябрь	2,61	2,97	3,84

На рис. 1.12 представлена номограмма для определения теплоп ро изводн - тельности солнечной теплоэнергетической установки в зависимости от КПД на 53° с. ш. нашей республики.

Ег, кВт. ч/м1 Рис. 1.12. Номограмма для определения теплопроизеодительности солнечной теплоэнергетической установки (1-12 месяцы года)

Как видно из этого рисунка, республика имеет достаточно высокий по­тенциал энергии. Количество энергии, которое может быть получено 1 м2 сол­нечной теплоэнергетической установки за сезон (апрель-сентябрь), составляет 270-450 кВт. ч.