Использование солнечной энергии, как альтернативного источника тепла и электричества, активно развивается в регионах с высоким уровнем инсоляции. Солнечные коллекторы (СК) эффективно преобразуют солнечную радиацию в тепловую энергию, но их работа сильно зависит от климатических условий, таких как количество солнечных дней, облачность и температура воздуха.
Для регионов с выраженными сезонными колебаниями погоды, таких как Приморский край и город Владивосток, вопросы оптимизации работы СК остаются недостаточно изученными. Цель данной работы — анализ метеоусловий во Владивостоке за 2022 год и влияние их на работу солнечных коллекторов. В задачи исследования входит:
1. Анализ количества солнечных дней, облачности и температуры воздуха.
2. Определение оптимального угла наклона СК в зависимости от времени года.
3. Оценка влияния климатических факторов на эффективность СК.
Результаты исследования помогут оптимизировать солнечные энергетические системы в регионе, снизив зависимость от традиционных источников энергии.
Использование солнечной инсоляции имеет несколько преимуществ перед невозобновляемыми видами топлива, поскольку она является бесплатным, неисчерпаемым и экологически безопасным источником энергии и будет доступна ещё сотни миллионов лет, что значительно снижает негативное воздействие на окружающую среду и способствует декарбонизации атмосферы. Кроме того, солнечные коллекторы могут обеспечить энергией автономные системы жизнеобеспечения объектов в удалённых местах, где нет доступа к тепловым и электрическим сетям.
Приморский край и город Владивосток располагают достаточным потенциалом солнечной энергии, однако, как и во многих других регионах России, здесь присутствуют значительные колебания количества солнечного света в зависимости от времени года, но в сумме число солнечных часов здесь не меньше, чем во многих европейских городах (от 2300 до 2400 часов в год). Дождливые и пасмурные дни бывают преимущественно в начале летнего сезона и осенью. Тропические циклоны могут вызывать длительные периоды дождей и несколько снизить количество солнечных дней, но это не должно существенно влиять на потенциал использования солнечной энергии.
Рис. 1. График погодных случаев во Владивостоке за 2022 год
Исходя из анализа данных погодных случаев за 2022 год, полученных из [1], составлена диаграмма (рис. 1), которая показывает, что количество ясных дней во Владивостоке значительно больше дождливых, туманных или снежных по отдельности. Стоит учитывать, что при составлении диаграммы не учитывались ясные часы, наступавшие после прекращения тумана, дождя или снега, из чего можно предположить, что реальный процент количества ясных часов немного больше и составляет более 40%.
Облачность во Владивостоке сравнительно высокая на протяжении всего года (40–80%), что тоже снижает эффективность СК, но при правильном проектировании может быть обеспечена эффективная работоспособность гелиосистемы в любых погодных условиях. На графике облачности во Владивостоке за 2022 год (рис. 2) видно, что средняя облачность (более 70%) приходится на период с первого мая до первого августа. В течение года минимальная облачность наблюдается с 19 октября по 10 ноября и с 30 ноября по 11 марта. Стоит отметить, что эти наиболее благоприятные дни приходятся на зимнее время, когда тепловая энергия действительно необходима.
Рис. 2. График облачности во Владивостоке за 2022 год
Однако в зимнее время года солнечные коллекторы работают хуже по следующим причинам:
1. Короткие дни и низкая высота солнцестояния — зимой солнце находится ниже над линией горизонта, поскольку в этот период северное полушарие Земли наклонено в сторону от нашей звезды. Это означает, что солнечные лучи падают на земную поверхность под меньшими углами и проходят через более густой слой атмосферы, что уменьшает количество энергии, попадающей на СК. Короткие дни зимой уменьшают «окно времени», в течение которого СК могут принимать солнечную энергию.
2. Погодные условия — в зимнее время года погода может быть снежной или дождливой. Слой снега на поверхности солнечной панели снижает эффективность поглощения и преобразования солнечной энергии.
3. Температура — низкие температуры наружного воздуха способствуют образованию инея на покрытии СК, что также влияет на эффективность их работы.
4. В зимний период больше теплопотери СК в окружающую среду.
В целом солнечные коллекторы достаточно универсальны и могут работать круглый год, но в зимнее время года вышеуказанные факторы снижают эффективность их работы.
Корректный угол установки СК очень важен для максимальной эффективности использования солнечной энергии. Угол установки СК зависит от географического места и времени года. Для расчёта угла установки солнечных панелей важно знать географическую широту места их установки.
Географическая широта может быть определена с помощью GPS или других открытых источников. Для расчёта угла наклона СК относительно горизонтальной поверхности используется формула:
α = φ — δ,
где α — угол наклона; δ — склонение (угол между плоскостью экватора и плоскостью земного меридиана, на котором находится Солнце в данный момент); φ — географическая широта места установки солнечного коллектора.
Таким образом, наиболее оптимальный угол установки СК для места с географической широтой 43° и работающей в ясную весенне-осеннюю погоду будет равен приблизительно 45°.
Ниже приведена табл. 1, показывающая оптимальный угол установки СК относительно горизонтальной поверхности для 43,1° с.ш. в течение года по месяцам.
Эти значения солнечной радиации рассчитаны на основе данных о средней солнечной радиации на горизонтальную и вертикальную поверхности, полученных из базы данных NASA [2]. Стоит учитывать, что эти значения могут изменяться в зависимости от погодных условий и других факторов, таких как время года, суток, облачность, туман и т. д.
Согласно табл. 1, средний оптимальный угол наклона СК составляет 43°. Расположение СК относительно горизонтальной поверхности должно соответствовать широте местности расположения оборудования, и для условий города Владивостока это значение составляет 43°. Однако при выборе угла установки солнечной панели следует учитывать геометрическое расположение зданий и других объектов в округе. Поэтому, чтобы достичь оптимальной эффективности использования солнечной энергии, нужно провести точное расчётное исследование установки СК, основываясь на специфических условиях места его установки.
Наиболее оптимальной ориентацией для расположения СК считают юг, однако, если рассматривать не только количество солнечной радиации, но и степень прогрева воздуха и окружающих поверхностей, то предпочтительно установить с разворотом на 7–10° на юго-запад, что уменьшит теплопотери СК и повысит его эффективность.
Существуют устройства слежения и регулирования угла наклона СК относительно положения солнца. Наибольшее распространение в солнечных трекерных системах получили электроприводы, в которых в качестве исполнительных устройств применяются электрические машины различного типа: линейные, шаговые, серводвигатели и др. На практике применяются два основных алгоритма слежения за положением Солнца — астрономический и по датчикам света [3].
Способ непрерывного слежения за положением Солнца применяется редко, большее распространение получили дискретные методы регулирования, в которых приёмная площадка солнечного трекера перемещается на заданный угол через определённый интервал времени (time interval). Численные значения данного параметра составляют от единиц до нескольких десятков минут, во многих моделях трекеров имеется возможность его непосредственного задания [4].
Для нахождения минимально допустимых скоростей перемещения приёмной площадки солнечным трекером нужно построить графики изменения углов высоты h и азимута Az Солнца по времени для дня летнего солнцестояния.
Рис. 3. Изменения углов высоты и азимута Солнца в день летнего солнцестояния
На рис. 3 представлен график изменения углов высоты и азимута Солнца в день летнего солнцестояния для Владивостока (43° 04′ с.ш., 131° 32′ в.д.). Необходимая скорость перемещения приёмной площадки солнечным трекером определяется крутизной зависимостей углов от времени, и из рис. 3 видно, что для высоких широт бóльшую скорость перемещения должен обеспечивать привод азимутальной оси. Графический способ определения этой скорости для Владивостока также показан на рис. 3. Таким образом, расчётная скорость перемещения азимутального привода составила ωпр = 0,54 град/мин.
Одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность СК, является температура воздуха. Чтобы оценить наиболее благоприятное время использования и получения тепловой энергии, был составлен график (рис. 4), который позволяет оценить изменения максимальных и минимальных температур в течении года.
Рис. 4. График температуры воздуха в городе Владивостоке за 2022 год
Для Владивостока свойственны достаточно высокие температуры не только в летнее время, но и в остальные сезоны. При обработке данных была построена зависимость температур наружного воздуха в течении 2022 года, а также построена линия средних температур (зелёная линия). График, представленный на рис. 4, имеет «пикообразный» вид, который, в свою очередь, показывает, что чем больше пик (неважно в сторону увеличения или уменьшения температуры), тем больше разница между температурами максимума и минимума, и наоборот — чем ближе температура находится к своей полиноминальной линии тренда (ПЛТ), тем эта разница меньше.
На рис. 4 показаны 31 пик максимальных температур и 25 — минимальных, что показывает преобладание более высоких температур над более низкими в течении года. ПЛТ средних температур наружного воздуха ближе к минимальной полиноминальной линии тренда, однако это наблюдается не весь период года. Так, в промежуток с 1 октября по 20 декабря разница средних температур минимальная, а отдалённость пиков этих температур стремится к своим ПЛТ. Наибольшее отдаление наблюдается в промежуток с 1 июня по 1 сентября, на этом отрезке наблюдаются наибольшие температуры в течении года, а также максимальное удаление средней температуры от максимальных значений. 55 дней в году имели максимальную температуру воздуха ниже, чем ПЛТ средних температур, а 72 дня имели минимальную температуру воздуха выше, чем ПЛТ средних температур за год. Данная информация показывает, что хотя ПЛТ средних температур ближе к минимальным температурам в течении года, количество максимумов, стремящихся к более высоким температурам, всё-таки больше.
Количество солнечной радиации значительно зависит от времени суток и времени года, широты местности, увеличения облачности, антропогенных и природных явлений, а также от непосредственного места расположения СК.
Из анализа погодных случаев следует, что реальное количество солнечных дней составляет более 40%. А если учитывать, что дожди не всегда бывают продолжительными, а утренний туман может рассеяться, и в итоге день будет солнечным, то этот показатель может быть ещё выше.
Обильная облачность в городе Владивостоке на протяжении всего 2022 года снизила эффективность СК, однако периоды наименьшей облачности, выпадавшие на холодные периоды года, позволили получить значительное количество энергии в это время.
По температурным данным (рис. 4) можно сделать вывод, что относительно высокие температуры значительно преобладают над холодными на протяжении всего года, при этом ПЛТ средних температур стремится к минимальным значениям температур.
Отсюда можно сделать вывод, что использование СК во Владивостоке в качестве одного из основных источников получения горячей воды для нужд теплоснабжения или ГВС является целесообразным и наиболее перспективным, как для одного из самых солнечных регионов Российской Федерации.
