Справочники и базы данных солнечной радиации

В России расчётные значения суммарной, прямой и рассеянной солнечной радиации принимаются по справочникам [1, 2]. Нормы проектирования гелиоустановок [3] предписывают принимать расчётные значения солнечной радиации по климатическому справочнику 1966 года издания [1]. Известна также редакция данного справочника 1990 года издания [2]. Справочники содержат информацию по часовым, месячным и годовым значениям прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации, продолжительности солнечного сияния для всех регионов России со сроками наблюдения от пяти до 30 лет. Недостатками этих справочников являются трудность пользования (ограниченный тираж, табличная форма представления), необходимость дополнения информацией с 1990 года, малое число пунктов наблюдения для отдельных регионов страны, отсутствие ряда характеристик для проектирования гелиоустановок.

Компьютерные базы данных, разработанные европейскими и американскими специалистами, имеют более удобную для пользователя форму предоставления информации. Они различаются: по источникам получения информации (наземные и спутниковые наблюдения); по срокам обработки данных (от одного до 30 лет); представлением характеристик солнечной радиации (получасовые, часовые, месячные, годовые значения); возможностями пространственной интерполяции. Одна из первых баз данных была приведена в Европейском атласе солнечной радиации (ESRA) со значениями среднемесячной суммарной и рассеянной радиации с 1966 года для 340 пунктов наблюдения в Европе и Северной Африке.

Новое издание Европейского атласа 2000 года, помимо книжной формы, представлено также компакт-диском, в котором увеличен интервал измерений до 1990 года, количество пунктов наблюдения — до 586, дополнительно приведены значения температур и давлений атмосферного воздуха.

Современной базой данных в Европе и Северной Африке является S@tel-Liht, которая основана на спутниковых измерениях за 1996-2000 годы. В ней приводятся получасовые значения суммарной и рассеянной солнечной радиации, имеется возможность пространственной интерполяции данных с 250 тыс. пунктов наблюдения. Достоинством этой базы, например, является возможность получения необходимой информации по электронной почте.

Солнечная радиация: справочники и расчёты. 1/2017. Фото 1

Однако в статье [4] отмечаются значительные отклонения для некоторых пунктов от данных наземных станций. Среди всемирных баз данных солнечной радиации классической является продукт Meteonorm 4.0 (также на компакт-диске) швейцарской организации Meteonorm, который основан на данных более 2400 пунктов наблюдения, что является малопредставительным для столь масштабной программы. В тоже время она является наиболее полной по производимым измерениям (суммарная, прямая и рассеянная солнечная радиация, температура, давление, скорость ветра, влажность атмосферного воздуха) и позволяет выполнять пространственную интерполяцию представленных данных.

Современная всемирная база данных NASA SSE (NASA Surface meteorology and Solar Energy) охватывает всю территорию России. Функционирует с 1983 года и производит математическое моделирование с учётом особенностей климатических зон и ландшафтных данных земного шара, альбедо поверхности, состояния облачности и других факторов земных ячеек 1 × 1°.

Недостатками всех указанных компьютерных баз являются: отсутствие исчерпывающих комментариев по их использованию, малое число российских пунктов наблюдений и недостоверность значений интенсивности солнечной радиации с малыми сроками наблюдений.

При работе с вышеуказанными справочниками и банками данных необходимо учитывать условия их применимости, интегральную повторяемость или обеспеченность. В базах данных (табл. 1) имеются периоды наблюдений от четырёх до 30 лет. В справочнике по климату [1] для городов России приведены месячные данные суммарной солнечной радиации как за пять-семь лет, так и за 30 лет. Среди специалистов по климатологии нет единого мнения о сроке наблюдений с достаточной степенью обеспеченности. Так, З. И. Пивоварова [5] считает, что увеличение этого срока приводит к повышению степени достоверности.

В то же время М. В. Заварина в монографии [6] указывает, что увеличение периода наблюдений не всегда приводит к уточнению полученных данных. Для многих населённых пунктов данные солнечной радиации в справочниках отсутствуют и необходимо интерполировать их значения. Измерение значений солнечной радиации и обработка их производится по специальным методикам, например, [7].

Европейские и мировые характеристики компьютерных баз солнечной радиации представлены в табл. 1 по данным [4] и сайту NASA SSE [8].

Расчётное определение значений интенсивности солнечной радиации

Расчётный способ определения значений солнечной радиации основан на векторном подходе. На рис. 1 приведена упрощённая схема для определения интенсивности прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность.

Суммарная интенсивность солнечной радиации определяется по формуле:

Солнечная радиация: справочники и расчёты. 1/2017. Фото 2

где Is — суммарная интенсивность солнечной радиации; Iп — интенсивность прямой солнечной радиации; α — угол между направлением на Солнце и горизонтальной поверхностью; Ip — интенсивность рассеянной солнечной радиации. На рис. 1 приведены следующие обозначения: z — зенитный угол между направлением в зенит и направлением на Солнце; α — высота Солнца над горизонтом, угол между направлением на Солнце и горизонтальной поверхности; αs — азимут Солнца, угол между горизонтальной проекцией солнечного луча и линией на юг (в северном полушарии).

При наличии данных измерений только суммарной солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния для определения значений прямой и рассеянной составляющих используют формулу Ангстрема:

Солнечная радиация: справочники и расчёты. 1/2017. Фото 3

в виде регрессии:

Солнечная радиация: справочники и расчёты. 1/2017. Фото 4

где Q и Qo — суммарная интенсивность и интенсивность при безоблачном небе (прямая радиация) месячной солнечной радиации; a — коэффициент, характеризующий долю солнечной радиации, прошедшей через сплошную облачность, а b — то же, задержанной сплошной облачностью, то есть:

Солнечная радиация: справочники и расчёты. 1/2017. Фото 5

причём ss — фактическая месячная продолжительность солнечного сияния для данной местности; sso — астрономическая месячная продолжительность солнечного сияния для данной местности.

В соответствии с нормами проектирования ВСН 52-86 «Установки солнечного горячего водоснабжения» [3] интенсивность суммарной солнечной радиации для любого пространственного положения плоскости измерения определяется по формуле:

Солнечная радиация: справочники и расчёты. 1/2017. Фото 6

где Is — интенсивность суммарной солнечной радиации в плоскости измерения; Iп — интенсивность прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность; Ip — интенсивность рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность; Ps и Pd — коэффициенты положения плоскости измерения для прямой и рассеянной радиации, соответственно.

Коэффициент положения плоскости измерения для рассеянной радиации определяется по формуле:

Солнечная радиация: справочники и расчёты. 1/2017. Фото 7

где b` — угол наклона плоскости измерения к горизонту. Коэффициент Ps определяется по табл. 1 (Приложение 3).

Для проектирования гелиоустановок применяется несколько методов представления значений суммарной солнечной радиации [9]:

1. Средние сутки на основе усреднённых значений солнечной радиации за каждый час. При этом в течение средних суток значения изменяются от часа к часу, а в течение месяца все сутки равны.

2. Среднемесячные значения солнечной радиации. При этом все суточные и часовые значения радиации принимаются одинаковыми.

3. Среднесуточные значения, когда для каждых суток месяца вычисляется среднее значение, которое используется для всех часов данных суток.

4. «Типичный год», составленный из данных солнечной радиации каждого часа всех дней месяца.

Солнечная радиация: справочники и расчёты. 1/2017. Фото 8

Способ представления данных солнечной радиации «средние сутки» применяется при расчётах режимов работы гелиоустановок в течение суток. Среднемесячные значения солнечной радиации приводятся в справочниках [1, 2] и на их основе производятся расчёты при проектировании гелиоустановок согласно нормам [3]. Типичный год включает в себя также ежечасную информацию о температуре воздуха, его влажности, скорости, направлении ветра и применяется, как правило, при исследовании режимов работы сложных гелиоустановок.

М. Д. Рабиновичем [9] установлено, что наиболее полную информацию обеспечивает «типичный год», а остальные способы на 10-15 % менее точны. Авторами работ [10, 11] доказано, что для достижения заданной точности (до 10 %) при определении технических и экономических показателей работы гелиоустановок целесообразно использовать усреднённую за определённый период интенсивность солнечной радиации. Отмечается, что эффективность гелиоустановок не зависит от распределения радиации в течении дня, важна её общая сумма.

В Атласе ресурсов солнечной энергии на территории Российской Федерации [12] представлены результаты исследований с сопоставлением спутниковых баз данных и материалов наземных станций наблюдения.

В работах [13,14] установлено, что каждый из указанных методов имеет достоинства и недостатки. Так, данные по климатологическим справочникам [1, 2] не обновлялись последние 20 лет. Они имеют малую плотность наблюдений. Для южного региона страны — Краснодарского края (площадь 76 тыс. км2) — в справочниках значения суммарной солнечной радиации приведены только для Краснодара и Сочи. Для северного региона — Якутии (площадью более чем в 40 раз большей, 3083,523 км2) — значения солнечной радиации имеются также только для двух населённых пунктов (Якутск и Оленек).

Анализ методов обработки многолетних рядов наблюдений солнечной радиации показал, что для получения достоверных значений необходима обработка не менее чем десятилетних измерений. При этом для получения расчётных значений при продолжительности наблюдений более десяти лет достаточно использовать среднеарифметические значения, а при менее продолжительном периоде (до десяти лет) следует применять дифференциальную функцию распределения. С учётом изложенного метод обработки многолетних наблюдений следует применять для уточнения данных климатологических справочников [1, 2].

Для всех регионов России определение значений прямой, рассеянной и суммарной радиации возможно с использованием компьютерной программы спутниковых измерений NASA SSE.

На рис. 2 представлен алгоритм определения достоверных значений суммарной солнечной радиации. При этом каждый их трёх методов имеет свои ограничения применения и они дополняют друг друга. На основании этого алгоритма автором исследованы и определены достоверные значения суммарной солнечной радиации на примере двух наиболее характерных регионов России (Краснодарский край и Якутия), имеющие близкие значения годовой суммарной солнечной радиации. При этом Краснодарский край является южным регионом страны с 40 станциями наземного наблюдения, а в Якутии только 13 метеостанций. Для Краснодарского края в дополнении к справочным данным [1, 2] выполнена обработка многолетних (десять лет и более) рядом наблюдения солнечной радиации. В этих условиях актуален вопрос о предпочтительности применения только результатов по компьютерной программе NASA SSE.

Солнечная радиация: справочники и расчёты. 1/2017. Фото 9