2.07M

Category:

geography

Теоретические основы нетрадиционной и возобновляемой энергетики

1.

Дисциплина:
Теоретические основы
нетрадиционной и возобновляемой
энергетики

Введение
Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно
существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии.
Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности
человека, и в этом ее отличительный признак.
Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и
материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии.
Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия
невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в
связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий
человека.
2

3.

Введение
В соответствии с резолюцией
№
33/148
Генеральной
Ассамблеи ООН (1978 г.)
к
нетрадиционным
и
возобновляемым источникам
энергии относятся: солнечная,
ветровая,
геотермальная,
энергия морских волн, приливов
и океана, энергия биомассы,
древесины, древесного угля,
торфа, тяглового скота, сланцев,
битуминозных песчаников и
гидроэнергия больших и малых
водотоков.
3

4.

5.

Раздел 1. Солнечная инсоляция

6.

Солнечная энергия
Солнечный спектр можно разделить на три основные группы:
• ультрафиолетовое излучение (длины волн от 0,28 до 0,38 мкм) – 2 %
интенсивности;
• видимое излучение (длины волн от 0,38 мкм до 0,78 мкм) – 49 %
интенсивности;
• инфракрасное (тепловое) излучение (длины волн от 0,78 мкм до 3,0
мкм) – 49 % интенсивности.
Для количественной оценки
называемая интенсивностью.
излучения
применяется
величина,
6

7.

Солнечная энергия
7

8.

Солнечная энергия
Интенсивность (Ес=[Вт/м2]) – это мощность лучистой энергии,
приходящей за пределами земной атмосферы в секунду на квадратный
метр площадки, перпендикулярной солнечным лучам.
Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивность и
спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной
поверхности, является атмосферная масса (АМ). При нулевой воздушной
массе АМ = 0 интенсивность излучения равна Еc = 1,35 кВт/м2 .
Величина АМ = 1 соответствует прохождению солнечного излучения
через безоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном
расположении Солнца.
8

9.

Солнечная энергия
9

10.

Солнечная энергия
where Gon is the extraterrestrial radiation
incident on the plane normal to the radiation on
the nth day of the year and B is given by
10

11.

Солнечная энергия
Воздушная масса для любого уровня земной поверхности в любой момент дня
определяется по формуле
где Р – атмосферное давление, Па; Р0 – нормальное атмосферное давление
(1,013·105 Па); θ – угол высоты Солнца над горизонтом.
11

12.

Солнечная энергия
Прямое солнечное излучение. Полученное от солнца без рассеяния атмосферой.
Рассеянное излучение. Солнечное излучение, полученное от Солнца после того,
как его направление было изменено в результате рассеяния атмосферой.
Полное солнечное излучение. Сумма прямого и рассеянного солнечного
излучения на поверхности. (Наиболее распространенными измерениями
солнечного излучения являются суммарное излучение на горизонтальной
поверхности, часто называемое глобальным излучением на поверхности)
12

13.

Солнечная энергия
Освещенность, Вт/м2. Скорость, с которой лучистая энергия падает на поверхность на единицу площади
поверхности. Символ G используется для солнечного излучения с соответствующими нижними
индексами для лучевого, рассеянного или спектрального излучения.
Облучение или радиационная экспозиция, Дж/м2. Энергия, падающая на единицу площади
поверхности, определяется интегрированием освещенности за определенное время, обычно час или
день.
Инсоляция – это термин, относящийся конкретно к излучению солнечной энергии. Символ H
используется для инсоляции в течение дня. Символ I используется для инсоляции в течение часа (или
другого периода, если указано). Символы H и I могут обозначать прямую, рассеянную или полную
инсоляцию и могут быть на поверхностях любой ориентации.
Индексы G, H и I следующие: o относится к излучению над земной атмосферой, называемому
внеземным излучением; b и d относятся к прямому и рассеянному излучению; T и n относятся к
излучению на наклонной плоскости и на плоскости, нормальной к направлению распространения. Если
ни T, ни n не появляются, излучение находится в горизонтальной плоскости.
13

14.

Солнечная энергия
Солнечное время — время, определяемое по изменению часового угла Солнца.
где Lst — стандартный меридиан для местного часового пояса, Lloc — долгота рассматриваемого
местоположения, долгота дана в градусах западной долготы, то есть 0◦ < L < 360◦. Параметр E
представляет собой уравнение времени (в минутах).
14

15.

Солнечная энергия
Задача:
Какое солнечное время в Мэдисоне, штат Висконсин,
соответствует 10:30 утра по центральному времени 3
февраля?
15

16.

Солнечная энергия. Направление прямого излучения
Геометрические отношения между плоскостью любой конкретной ориентации относительно земли в
любое время (независимо от того, неподвижна ли эта плоскость или движется относительно земли) и
входящим лучом солнечного излучения, то есть положением солнца относительно этой плоскости,
можно описать в терминах нескольких углов:
φ Широта, угловое положение к северу или югу
от экватора, положительный север;
−90◦ ≤ φ ≤ 90◦.
δ Склонение, угловое положение солнца в
солнечный полдень (т. е. когда солнце
находится
на
местном
меридиане)
относительно
плоскости
экватора,
положительный север; −23,45◦ ≤ δ ≤ 23,45◦.
β
Наклон,
угол
между
плоскостью
рассматриваемой поверхности и горизонталью;
0◦ ≤β ≤ 180◦. (β > 90◦ означает, что поверхность
наклонена вниз)
16

17.

Солнечная энергия. Направление прямого излучения
γ Азимутальный угол поверхности, отклонение проекции
нормали
горизонтальной
плоскости
от
местного
меридиана, с нулем строго на юг, отрицательным на
востоком и положительным на запад; −180◦ ≤ γ ≤ 180◦.
ω Часовой угол, угловое смещение Солнца к востоку или
западу от местного меридиана из-за вращения Земли
вокруг своей оси на 15◦ в час;
θ Угол падения, угол между излучением луча на
поверхность и нормалью к этой поверхности;
θz Зенитный угол, угол между вертикалью и линией на
солнце, то есть угол падения луча излучения на
горизонтальную поверхность.
αs Солнечный высотный угол, угол между горизонталью и
линией на солнце, то есть дополнение зенитного угла.
γs Солнечный азимутальный угол, угловое смещение с юга
проекции луча излучения на горизонтальную плоскость.
Смещения к востоку от юга отрицательное, к западу от юга
положительное.
17

18.

Солнечная энергия. Направление прямого излучения
Склонение находится из аппроксимации Купера:
18

19.

Солнечная энергия. Направление прямого излучения
19

20.

Солнечная энергия. Направление прямого излучения
θ Угол падения солнечного излучения на поверхность находится:
Угол θ может превышать 90◦, что означает, что солнце находится за поверхностью. Кроме того, при
использовании уравнения необходимо убедиться, что Земля не загораживает Солнце (т. е. что часовой
угол находится между восходом и закатом).
20

21.

Солнечная энергия. Направление прямого излучения
Задача:
Вычислите угол падения излучения луча на поверхность,
расположенную в Мэдисоне, штат Висконсин, в 10:30 (по
солнечному времени) 13 февраля, если поверхность наклонена
на 45° от горизонтали и направлена на 15° к западу от юга.
21

22.

Солнечная энергия. Направление прямого излучения
Есть несколько часто встречающихся случаев, для которых уравнение упрощается. Для
неподвижных поверхностей, наклоненных к югу или северу, то есть с азимутальным
углом поверхности γ, равным 0° или 180° (очень частая ситуация для фиксированных
плоских коллекторов), последнее слагаемое выпадает. Для вертикальных поверхностей
β = 90◦ и уравнение принимает вид
22

23.

Солнечная энергия. Направление прямого излучения
Для горизонтальных поверхностей угол падения равен зенитному углу солнца, θz. Его
значение должно быть между 0◦ и 90◦, когда солнце находится над горизонтом. В этой
ситуации β = 0, и уравнение принимает вид:
23

24.

Солнечная энергия. Направление прямого излучения
Задача:
Вычислите зенитный и солнечный азимутальный углы
для φ = 43◦ в 9:30 13 февраля и в 18:30 1 июля.
24

25.

Солнечная энергия. Внеземная инсоляция
Некоторые виды расчетов инсоляции удобнее всего производить с использованием
нормированных уровней радиации, то есть отношения уровня радиации к
теоретически возможному излучению, которое было бы доступно, если бы не было
атмосферы. Для этих вычислений, которые мы будем обсуждать далее, нам нужен
метод расчета внеземного излучения:
где Gsc — солнечная постоянная
25

26.

Солнечная энергия. Внеземная инсоляция
Часто для расчета суточной солнечной радиации необходимо иметь интегрированную
суточную внеземную радиацию на горизонтальную поверхность Ho. Это получается
путем интегрирования уравнения на слайде 27 за период от восхода до заката.
Если Gsc выражено в ваттах на квадратный метр, то Ho в джоулях на квадратный метр в
день равно
где ωs - это угол захода солнца, в градусах.
26

27.

Солнечная энергия. Внеземная инсоляция
Задача:
Рассчитайте дневную солнечную радиация на горизонтальную
поверхность в отсутствие атмосферы на 43° северной широты 15
апреля.
27

28.

Солнечная энергия. Внеземная инсоляция
Также представляет интерес расчет внеземного излучения на горизонтальную
поверхность за часовой период. Интегрируя уравнение на слайде 27 для периода
между часовыми углами ω1 и ω2, которые определяют час (где ω2 больше):
Пределы ω1 и ω2 могут определять время, отличное от часа.
28

29.

Солнечная энергия. Внеземная инсоляция
Задача:
Чему равна солнечная радиация на горизонтальную поверхность в
отсутствие атмосферы на 43° северной широты 15 апреля между
10 и 11 часами?
29

30.

Солнечная энергия. Внеземная инсоляция
Заключение
Мы обрисовали основные характеристики Солнца и испускаемого им излучения,
отметив, что солнечная постоянная, средняя плотность потока излучения за пределами
земной атмосферы, составляет 1367 Вт/м2 (в пределах ±1%), при этом большая часть
излучение находится в диапазоне длин волн от 0,3 до 3 мкм. Это излучение имеет
характеристики направленности, которые определяются набором углов, определяющих
угол падения излучения на поверхность. Мы рассмотрели те темы, которые основаны
на внеземном излучении и геометрии земли и солнца. Это справочная информация для
следующего раздела, посвященного влиянию атмосферы, измерениям радиации и
обработке данных.
30

31.

Раздел 2. Солнечная инсоляция,
приходящая на Землю

32.

Атмосферное ослабление солнечной инсоляции
Солнечное излучение при нормальном падении на поверхность земли подвержено
влиянию из-за двух дополнительных и важных явлений:
(1) атмосферного рассеяния на молекулах воздуха, воды и пыли;
(2) атмосферное поглощение O3, H2O и CO2.
Рассеяние излучения при прохождении через атмосферу обусловлено
взаимодействием излучения с молекулами воздуха, водой (парами и каплями) и
пылью. Степень рассеяния зависит от числа частиц, через которые должно пройти
излучение, и размера частиц по отношению к λ, длине волны излучения.
32

33.

Атмосферное ослабление солнечной инсоляции
Поглощение атмосферного излучения в солнечном энергетическом спектре
обусловлено в основном озоном в ультрафиолетовой области и парами воды и
углекислым газом в полосах инфракрасного излучения. В верхних слоях атмосферы
коротковолновое излучение практически полностью поглощается озоном на длинах
волн менее 0,29 мкм. Поглощение озона уменьшается по мере увеличения λ выше 0,29
мкм до тех пор, пока при 0,35 мкм поглощение не исчезнет. Имеется также слабая
полоса поглощения озона вблизи λ = 0,6 мкм.
33

34.

Атмосферное ослабление солнечной инсоляции
Водяной пар сильно поглощает полосы в инфракрасной части солнечного спектра,
причем полосы сильного поглощения сосредоточены на 1,0, 1,4 и 1,8 мкм. За
пределами 2,5 мкм пропускание атмосферы очень низкое из-за поглощения H2O и CO2.
Энергия во внеземном спектре при λ > 2,5 мкм составляет менее 5% всего солнечного
спектра, а энергия, полученная на земле при λ > 2,5 мкм, очень мала.
34

35.

36.

Инсоляция на наклонную поверхность
Расчет стохастической части представляет собой сумму прямого солнечного
излучения, трех компонентов рассеянного излучения и излучения, отраженного от
поверхности земли и может быть записана в виде формулы, представленной J.A.
Duffie и W.A. Backman:
где IT,b – прямое солнечное излучение, МДж/м2; IT,d,iso – изотропное рассеянное
солнечное излучение, МДж/м2; IT,d,cs – околосолнечное рассеянное солнечное
излучение, МДж/м2; IT,d,hz – рассеянное освещение горизонта, МДж/м2; IT,refl –
излучение, отраженное от поверхности земли, МДж/м2.
36

37.

Инсоляция на наклонную поверхность
Уравнение на слайде 41 с учетом коэффициентов обзора можно записать в
следующем виде:
где Rb – геометрический фактор, выражающий отношение солнечного излучения на
наклонной поверхности к излучению на горизонтальной поверхности; Fc-s –
коэффициент обзора неба; Fc-hz – коэффициент обзора неба; Fc-g – коэффициент
обзора земли; I – многолетняя наблюдаемая часовая суммарная солнечная
инсоляция, МДж/м2; pg – коэффициент отражения от поверхности земли.
37

38.

Инсоляция на наклонную поверхность
Предполагая, что диффузное излучение изотропно, третий и четвертый член в
уравнении на слайде 42 принимаются равными нулю, а поверхность, наклонённая под
углом β к горизонтали, имеет коэффициент обзора неба
и
коэффициент обзора земли
:
38