graduate student from 01.01.2013 until now
g.Krasnodar, Krasnodar, Russian Federation
employee
, Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
GRNTI 67.03 Инженерно-теоретические основы строительства
BBK 38 Строительство
TBK 54 Строительство
BISAC ARC024000 Buildings / General
The article is a continuation of the article entitled "Reconciliation of the solar climate of Krasnodar for the effective operation of solar panels in residential buildings" published in the Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov in 2017. At present, the vast majority of stationary weather stations are located at a sufficiently large distance from the zone in which it is necessary to assess the potential of renewable energy resources. The article presents the results of field studies of the solar climate of Krasnodar conducted from 2014 to 2020. The results of the study are compared with normative documentation and a climate guide. The use of solar panels is important factor to reduce harmful emissions into the atmosphere. For the correct selection of the number of solar panels, it is necessary to know the exact amount of solar energy that will fall on this panel. This information allows to calculate the amount of energy that will be generated by the building’s solar energy system or solar power station. The correct selection of the number of solar panels affects the quality of life of people and allows to fully cover the energy consumption of buildings and structures using solar energy as the main source of energy.
insolation, autonomous life support system, solar climate, solar battery, solar radiation
Введение. Новые технологий в настоящее время направлены главным образом на понижение негативного воздействия на окружающую среду и переход с невозобновляемых источников энергии на возобновляемые. Наиболее сильное негативное воздействие на окружающую среду оказывает сжигание топлива для отопления зданий и производства электрической энергии. Использование солнечных батарей для получения электрической энергии один факторов, оказывающих большое влияние на снижение вредных выбросов в атмосферу и замедление развития «парникового эффекта».
Главный источник энергии на нашей планете – это Солнце. В современном мире солнечной энергии оказывается очень большое внимание, а также изучаются возможности её прямого использования. Ежесекундно солнце выделяет 370·1012 ТДж тепловой энергии. Из всего объема этой энергии до Земли доходит только 1,2·105 ТВт в энергетическом эквиваленте, что при переводе на годовое поступление – 38∙1020 кВт.ч. Это больше в 108 раз, чем производится в мире для потребления [1]. «Солнечная постоянная» – это то количество солнечной энергии, которая проходит в форме излучения за единицу времени через поверхность площадью в 1 м2, перпендикулярно направлению прямой, проходящей через центр Солнца и Земли. Значение этой постоянной при входе в земную атмосферу – 1367 Вт/м2. Количество солнечной энергии, которая попадает на верхнюю границу земной атмосферы в среднем – 341 Вт/м2, а на поверхность Земли попадает 184 Вт/м2 [2]. Длина волн солнечного излучения находится в промежутке между 0,3 и 2,5 мкм. Данный диапазон называется коротковолновым и в него входит видимая часть спектра. [3]
Численное измерение солнечной радиации производят по значению её теплового воздействия на окружающую среду (калорий за единицу времени на единицу поверхности). Спектральный состав и интенсивность солнечной радиации изменяется при прохождении через земную атмосферу и зависит от расстояния, которое прошли солнечные лучи. На уровне моря уровень солнечной радиации составляет не более
1,5 кал/(см2·мин) и чем выше над ним происходят замеры - тем выше интенсивность потока.
Количество времени, на протяжении которого прямая солнечная радиация будет больше, либо равна 0,1 кВт/м2 называется продолжительностью солнечного сияния. Оно измеряется на стационарных метеорологических станциях. Измерение остальных компонентов солнечной радиации производят на специализированные актинометрические станции.
В современном мире процент преобразования солнечной энергии в электрическую для большинства солнечных панелей составляет
13–18 %. В лабораторных же условиях смогли добиться КПД в 24 % для самых современных образцов [4].
Первичную оценку эффективности применения солнечной системы электроснабжения и отопления можно произвести по данным научно-прикладного справочника «Климат России» [5] и СП 131.13330.2018. Данные, полученные из этих источников, позволяют произвести ориентировочную оценку количества солнечной радиации, попадающей на интересующую нас местность. Исходя из этого можно произвести экономический и технический анализ рентабельности и эффективности применения солнечной системы.
В настоящее время оценку потенциала солнечных систем производят исходя из данных, которые передают стационарные метеостанции. Очень часто эти метеостанции находятся на удалении от места определения потенциала и не все из них оборудованы датчиками измерения солнечной радиации. Так же измерения на данных метеостанциях производят несколько раз в сутки, что так же влияет на точность получаемой информации [6].
Методика проведения исследования. Первичную оценку количества солнечной радиации для города Краснодара, попадающей на горизонтальную поверхность, будем производить по данным, полученным из научно-прикладного справочника «Климат России», для метеостанции 34927 Круглик (таблица 1) и из СП 131.13330.2018 «Строительная климатология» (табл. 2).
Для проведения исследования солнечного климата города Краснодара в условиях жилой застройки, при поддержке фирмы ООО «Солнечный центр» в октябре 2014 года в экспериментальном доме [7] на солнечную панель был смонтирован датчик измерения инсоляции и плотности теплового потока Sunny Sensorbox, который производит компания SMA Solar Technology AG. Данный датчик в автоматическом режиме проводит измерения с периодичностью замера 1 раз в час, что составляет 24 замера в сутки. Полученные результаты измерения передаются на сервер компании SMA Solar Technology AG (рис. 1). Для определения количества солнечной энергии, которая попадает на поверхность солнечных батарей, а также условий работы этих батарей и здания в целом, был произведен анализ переданной информации о суммарной солнечной радиации (кВт·ч)/м2, которая была получена с датчика Sunny Sensorbox. Для проведения сравнительного анализа данных, полученных из справочника для метеостанции, данных из СП 131.13330.2018 и реальных условий работы солнечных панелей в городской застройке при загрязнении атмосферы пылью и выхлопными газами (место установки датчика расположено в непосредственной близости одной из самых загруженных транспортных артерий г. Краснодара) используем данные, полученные во время исследований за 2014-2020 годы. Результаты исследования приведены в таблице 3.
Результаты исследования. Исходя из полученных результатов можно сделать следующий вывод (таблица 3 и рисунок 2), что количество солнечной радиации, которое попадает на солнечную панель, на 14,3 % ниже, чем указано в научно-прикладном справочнике «Климат России» и на 19,5 % ниже чем мы получаем расчётом согласно СП 131.13330.2018. Данные результаты объясняются тем, что датчик установлен параллельно поверхности солнечной батареи, т.е. под углом 45 градусов к горизонтальной поверхности и повернут в направлении юга. В нормативных же документах приводится информация о количестве солнечной радиации, попадающей на горизонтальную поверхность. Так же нормативная документация не учитывает загрязнение атмосферы, городской смог и другие факторы, влияющие на поток солнечной радиации.
1. Safarov M.G., Raupov N.M., Rakhimov Z.S. The use of solar power plants in the southern regions of the Republic of Tajikistan [Primenenie solnechnyh elektrostancij v yuzhnyh regionah respubliki Tadzhikistan]. Bulletin of the Bohtar State University named after Nosir Khusrava. A series of natural sciences. 2016. No. 2-2 (38). Pp. 66–69. (rus)
2. Trenberth K.E., Fasullo J.T., Kiehl J. Earth’s global energy budget. Bulletin of the American Meteorological Society. 2009. Vol. March. Pp. 311–323.
3. Stadnik V.V., Elistratov V.V. Renewable energy resources [Vozobnovlyaemye energeticheskie resursy]. Proceedings of the main geophysical observatory. A.I. Voeikova. 2014. No. 574. Pp. 179–223. (rus)
4. Avagyan S.K. The influence of the location of the solar disk on the efficiency of the solar battery [Vliyanie raspolozheniya solnechnogo diska na effektivnost' raboty solnechnoj batarei]. Science, technology and education. 2020. No. 3. Pp. 32–35. (rus)
5. Scientific-applied reference "Climate of Russia" [Nauchno-prikladnoj spravochnik «Klimat Rossii»]. URL.: http://aisori.meteo.ru/ClspR/ (date of treatment: 12.07.2020) (rus)
6. Ivancheko V.T., Grazhdankin A.A. Reconciliation of the solar climate of Krasnodar for effective work of solar batteries in residential buildings [Utochnenie solnechnogo klimata g.Krasnodara dlya effektivnoj raboty solnechnyh batarej v zhilyh zdaniyah]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2017. No. 7. Pp. 47–51. (rus)
7. Ivancheko V.T., Grazhdankin A.A., Zaitsev A.A. Passive energy-saving building for the Krasnodar Territory [Passivnoe energosberegayushchee zdanie dlya Krasnodarskogo kraya]. Zhilishchnoe stroitel’stvo. 2014. No. 11. Pp. 10–11. (rus)
8. Savin V.K. Building physics. Energy Economics [Stroitel'naya fizika. Energoekonomika]. M .: Lazur, 2011.418 p. (rus)
9. Gusev N.M. Fundamentals of building physics [Osnovy stroitel'noj fiziki]. M.: Stroyizdat,1975.230 p. (rus)
10. Theological V.N. Construction Thermophysics (Thermophysical Basics of Heating, Ventilation and Air Conditioning) [Stroitel'naya teplofizika (teplofizicheskie osnovy otopleniya, ventilyacii i kondicionirovaniya vozduha)]: Textbook for universities. M.: Book on Demand, 2013.416 p. (rus)
11. Beckman W., Klein S., Duffy J. Calculation of solar heat supply systems. M.: Energoizdat, 1982.78 p.
12. Crook J.A. Climate change impacts on future photovoltaic and concentrated solar power energy output. Energy and environmental science. 2011. Vol. 4. Pp. 3101–3109.
13. Geyer M., Quaschning V. Solar thermal power. Renewable Energy World. 2000. Vol. July-Aug. Pp. 184–191.
14. Hoogwijk M., Supersberger N., von Winterfeld U. and Samadi S. Role Potential of Renewable Energy and Energy Efficiency for Global Energy Supply. Climate Change. Federal Environment Agency. 2009. Vol. 18. Pp. 336.
15. Hoogwijk M., Supersberger N., von Winterfeld U. and Samadi S. Role Potential of Renewable Energy and Energy Efficiency for Global Energy Supply // Climate Change. Federal Environment Agency. 2009. Vol. 18. Pp. 336.
