аспирант с 01.01.2013 по настоящее время
г.Краснодар, Краснодарский край, Россия
сотрудник
, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.03 Инженерно-теоретические основы строительства
ББК 38 Строительство
ТБК 54 Строительство
BISAC ARC024000 Buildings / General
Статья является продолжением статьи под названием «Уточнение солнечного климата г. Краснодара для эффективной работы солнечных батарей в жилых зданиях», опубликованной в Вестнике БГТУ им. В.Г. Шухова в 2017 году. В настоящее время подавляющее большинство стационарных метеостанций, расположены на достаточно большом расстоянии от зоны, в которой необходимо оценить потенциал возобновляемых энергоресурсов. В статье публикуются результаты натурных исследований солнечного климата г. Краснодара, проведенные с 2014 по 2020 годы. Приводится сравнение результатов исследования с нормативной документацией и климатическим справочником. Применение солнечных батарей является одним из важных факторов по уменьшению вредных выбросов в атмосферу. Для правильного подбора количества солнечных панелей необходимо как можно точнее знать количество солнечной энергии, которое будет попадать на эту панель. Исходя из этой информации можно рассчитать количество энергии, которую будет вырабатывать солнечная энергосистема здания, либо солнечная электростанция. Правильный подбор количества солнечных панелей влияет на качество жизни людей и позволяет полностью покрыть энергопотребление зданий и сооружений, использующих солнечную энергетику в качестве основного источника энергии.
инсоляция, система автономного жизнеобеспечения, солнечный климат, солнечная батарея, солнечная радиация
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. Сафаров М.Г., Раупов Н.М., Рахимов З.С. Применение солнечных электростанций в южных регионах республики Таджикистан // Вестник Бохтарского государственного университета имени Носира Хусрава. Серия естественных наук. 2016. № 2-2(38). С. 66–69.
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. Стадник В.В., Елистратов В.В. Возобновляемые энергетические ресурсы // Труды главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова. 2014. № 574. С. 179–223.
4. Авагян С.К. Влияние расположения солнечного диска на эффективность работы солнечной батареи // Наука, техника и образование. 2020. № 3. С. 32–35.
5. Научно-прикладной справочник «Климат России» [Электронный ресурс]. URL.: http://aisori.meteo.ru/ClspR/ (дата обращения: 12.07.2020)
6. Иванчеко В.Т., Гражданкин А.А. Уточнение солнечного климата г.Краснодара для эффективной работы солнечных батарей в жилых зданиях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №7. С. 47–51.
7. Иванчеко В.Т., Гражданкин А.А., Зайцев А.А. Пассивное энергосберегающее здание для Краснодарского края // Жилищное строительство. 2014. № 11. С. 10–11.
8. Савин В.К. Строительная физика. Энергоэкономика. М.: Лазурь, 2011. 418 с.
9. Гусев Н.М. Основы строительной физики. М.: Стройиздат, 1975. 230 с.
10. Богословский В.Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): Учебник для вузов. М.: Книга по Требованию, 2013. 416 с.
11. Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения. М.: Энергоиздат, 1982. 78 с.
12. Бутузов В. А., Шетов В. Х. Возобновляемые источники энергии. Региональный опыт Краснодарского края // Энергосбережение. 2008. № 6. С. 81–83.
13. Crook J. A. Climate change impacts on future photovoltaic and concentrated solar power energy output // Energy and environmental science. 2011. Vol. 4. P. 3101-3109.
14. Geyer M., Quaschning V. Solar thermal power // Renewable Energy World. 2000. Vol. July-Aug. P. 184-191.
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.
