Диссертация (1137266), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Это расстояние условнопринимается как безразмерная величина АМ (Air Mass, Масса воздуха), причемАМ=1 (АМ1), когда солнечные лучи падают перпендикулярно к поверхностиземли. Масса воздуха будет меньше, когда Солнце находится в своей наивысшейточке, чем в случае, если Солнце отклоняется от вертикали. Вообще, AM, черезкоторую проходит солнечный свет, пропорциональна секансу угла зенита θ z,который является углом, измеренным между падающим лучом и вертикалью.После прохождения АМ1 интенсивность излучения уменьшается от 1367 Вт/м2,что соответствует значению на вершине атмосферы, до 1000 Вт/м2 –интенсивность излучения над уровнем моря.
Следовательно, для длины AM1интенсивность солнечного света уменьшена до 70 % от ее начального AM0значения. В форме уравнения это наблюдение может быть выражено как [53, 59]:I 1367 (0,7) AM sin ,I – интенсивность солнечного излучения, Вт/м2, а α – угол между горизонтоми падающим солнечным лучом в плоскости зенита и Солнца.Для определения угла α необходимо рассмотреть географическую картинуперемещения Солнца над горизонтом в течение года (рисунок 2.3) и дня (рисунок2.4).Угол отклонения Солнца от экватора называют наклоном δ [59, 93, 108]. 360 (n 80) (2.2) , 23, 45o sin 365где n – порядковый номер дня, начиная с 1го января.-56-Рисунок 2.3 - Орбита Земли и наклон в разное время годаДанная формула имеет погрешность задания аргумента приблизительно водин день (число дней в году принято постоянным).
Кроме угла отклоненияСолнца от экватора для определения энергии, достигающей СП, необходимознать широту и расстояние до Солнца.Рисунок 2.4 - Траектория прохождения Солнца – широта, или угловое расстояние от экватора определяется местомрасположения СП. Расстояние до Солнца можно считать приблизительнопостоянным.Согласно [59] АМ пропорциональна sec θz. Следовательно,AM AM (90o) csc ,AM (90o) 1,-57-csc 1,sin AM AM (900 )1,sin то есть масса воздуха, уменьшающая мощность радиационного излученияСолнца, достигшего Земли, обратно пропорциональна синусу высоты Солнца надгоризонтом.
На восходе эта величина стремится к бесконечности, а в полденьприближается к единице.Угловое отклонение Солнца от направления на север называется угломазимута ψ, который измеряет угловое положение Солнца к востоку или к западуот севера. Угол азимута в полдень равен 1800 и в направлении от севера к западуявляется положительным, а от севера к востоку – отрицательным.Другой полезной величиной является угловое смещение Солнца от«солнечного полудня» в плоскости прохождения Солнца. Угол часа – разницамежду полуднем и произвольно взятым временем дня, с учетом того, что Земляделает оборот (360°) вокруг своей оси за 24 часа.T – время в течение дня, на 24-часовых часах.12 T 360o 15 (12 T )o (2.3).24Если известны Φ, δ, ω, то положение Солнца, относительно α и ψ ввыбранном местоположении в любой день и любое время, может быть определеноиз выражений [60]:sin sin sin cos cos cos ,cos sin sin sin.cos cos Все вышеописанные переменные и выражения дают возможность определитьположение Солнца и интенсивность солнечного излучения в любой моментвремени в любом месте, а это очень важные переменные для решения главнойзадачи – как расположить СП так, чтобы была возможность получить максимумсолнечной энергии за год, за летние месяцы, за любой выбранный промежуток-58времени необходимый для конкретного потребителя? Тем самым получитсяопределить наиболее благоприятное расположение СП для выбранной структурыпреобразователя и цикла использования СП по индивидуальному графикупотребителя в разных широтах земного шара.Энергия, собранная от Солнца с помощью СП, пропорциональна площадитени, создаваемой СП [60].
В случае горизонтального расположения площадьтени равна площади СП, но такое расположение не является эффективным. Прииспользовании той же площади СП увеличить количество снимаемой энергииможно, наклонив СП. Это можно подтвердить, решив геометрическую задачу.Зададимся следующими величинами:L – длина СП (высота в вертикальном положении), [м];D – ширина СП, [м];θ – угол наклона СП от вертикали (от зенита);φ – угол поворота СП относительно севера;ψ – азимут;α – солнечная высота.После разбивки плоскости СП на элементы малой ширины, рассматривается,как создается тень от одного из них, который является краем плоскости (Рисунок2.5).Для определения крайней точки тени Sh удобно ввести столбик H, которыйбудет опущен на землю с конца грани СП L. Тень, отбрасываемая столбиком игранью СП, оканчивается в одной и той же точке Sh, так как их вершинысовпадают в точке A.
Основание столбика определяется координатами Bx и By –проекции точки B на оси x и y.B – проекция точки A.Bx L sin sin ,(2.4).By L sin cos .Высота столбика H или высота СБ с учетом наклона:h L cos .-59Длина тени от столбика H будет пропорциональна высоте столба икотангенсу α:lh.tg zWSxAΨLαθShxBxBlByφαShγKSh yNEyРисунок 2.5 - Создание тени от плоскости малой ширины (вертикальные углыобозначены красным цветом, горизонтальные синим)Зная длину тени от столбика можно рассчитать координаты конца тени:Sh x Bx l sin ,Sh y By l cos .Длина тени от грани СБ будет равна:K Shx2 Shy2 .Угол γ между севером и тенью будет равен: arctan 2 Shx , Shy .Теперь по аналогии можно построить тень от плоскости шириной D (рисунок2.6).-60-zWSxLAΨHαDθShxBxBlByφαShγKSh yNEyРисунок 2.6 - Создание тени от СБ со сторонами D и LТень будет представлять собой параллелограмм со сторонами K и D.Острый угол параллелограмма равен: 90 ( ) .Соответственно, площадь параллелограмма S равна:S K D cos( ) .Мощность солнечного излучения E’sp, приходящегося на 1 м2 СП, равна:P 'sp I S .Отсюда можно определить мощность P 'sp ,[Вт] как функцию f , , , n,T иравную: 360 ( n 80) P ' sp 1367 (0,7) AM sin((23,45o sin )) sin 365 360 (n 80) cos(23,45o sin ) cos cos(15 (12 T )o ) D 365 ( L sin sin l sin )2 ( L sin cos l cos ) 2 cos( )(2.5)-61Таким образом, мы можем определить максимально доступную энергиюсолнечного излучения, падающего на солнечную панель определенной площади.Данная энергия соответствует всему спектру солнечного излучения, дошедшегодо поверхности Земли 0,29-2,5 мкм.Однако не вся данная энергия может быть преобразована в электрическую напрактике, и ограничения на данный показатель накладывают два важных фактора:-эффективностьконкретногохарактеризуется коэффициентомk sp .типасолнечногопреобразователяНиже в таблице приведен данныйкоэффициент для разных типов солнечных панелей [59].Тип солнечной панелиЗначение коэффициентаэффективности kspПанели из монокристаллического кремния0,15Панели из поликристаллического кремния0,11Панели из аморфного кремния0,06- коэффициент прозрачности атмосферыk pa .
Зависит от влажности,концентрации дополнительных примесей в атмосфере, облачности и т.п. –определяется из метеоданных [60].В результате мощность солнечного излучения, доступная для использованияпри идеальных условиях, преобразуется только в Psp электрической:P k k P ' , [Вт]spsp paspА итоговое выражения для доступной электрической мощности от солнечнойпанели имеет вид: 360 (n 80) Psp 1367 k sp k pa (0,7) AM sin((23,45o sin )) sin 365 360 (n 80) cos(23,45o sin ) cos cos(15 (12 T )o ) D (2.6).365 ( L sin sin l sin ) 2 ( L sin cos l cos ) 2 cos( )Преобразование энергии ветра-62Энергия ветра – энергия естественного движения воздуха относительноповерхности Земли.
Как и любое другое перемещение массы, оно обладаетнекоторой величиной кинетической энергии:mv 2Wk , где m – масса воздушного потока [кг], v – скорость воздушного2потока [м/с].Значение массы зависит от площади S, на которой вычисляется энергия,плотности воздушного потока и текущей скорости ветра v.m V S vПлотность напрямую зависит от текущего атмосферного давления р итемпературы T, а также от молекулярного состава воздуха (молекулярной массы).Учитывая тот факт, что, в основном, магистральные газопроводы проложены натерритории с низкой влажностью воздуха и низким содержанием дополнительныхпримесей, то молекулярную массу М можно принять равной 29 г/моль [10, 24, 27],а значит, выражение для вычисления массы принимает вид:pM(2.7),R (T 273,15)cmpM S v, где RR (T 273,15)c– универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль∙К),Тс – температура окружающей среды по Цельсию.Таким образом, количество энергии ветра, протекающего за одну секундучерез поперечного сечение S:p M S v3(2.8).W k 2 R (T 273,15)cСледовательно, энергия ветра изменяется пропорционально кубу скоростиветра и поперечному сечению.В свою очередь ветроколесо способно преобразовать только часть доступнойветровой энергии в механическую , и данная разница называется коэффициентомиспользованияветра.Скоростьвоздушногопотокаснижаетсяпомереприближения его к ветроколесу и на некотором расстоянии за ним.
По-63классической теории полные потери скорости воздушного потока за ветроколесомв два раза больше, чем потери в плоскости вращения ветроколеса [69, 86]. Вместес тем давление воздуха по мере приближения к ветроколесу повышается, а за нимоно резко падает, вследствие чего за колесом образуется некоторое разрежение.Энергия, затраченная на вращение ветроколеса, равна разности кинетическойэнергии ветра перед ветроколесом и за ним:m v 2 m v22 m 2 2Wvk (v v2 ) ,222где v2 – скорость воздушного потока за ветроколесом.Такжеэнергию,воспринятуюветроколесом,можнозаписатькакпроизведение силы давления ветра G на скорость потока в плоскости ветроколесаv1 :Wvk G v1Отношениевоспринятойветроколесомэнергиикполнойэнергиивоздушного потока и называется коэффициентом использования ветра: Wvk / WkКоэффициент использования ветра зависти от величины потери ветровогопотока при прохождении через плоскость ветроколеса.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
