太阳辐射:模型和测量技术

文摘

为了把握作者完成的工作的意义,有必要了解当前这一领域的发展。论文的研究工作报告是为了获得知识评估的实用和有效利用太阳能潜力印度。我们的工作是集中在评估现实的价值观的太阳能(全球和扩散)辐射水平和倾斜的表面使用实测气象数据和地理和几何参数对印度。

1。介绍

太阳是所有大气过程的驱动力。太阳能辐射强度的表达式的输入能量在地球。因此,能够准确理解和量化其价值和分配是很重要的,在最初的理解和建模earth-ocean-atmosphere其他热力学或动态过程的系统。然而,不幸的是,所知太少传入的太阳辐射的时空分布。更完整和精确描述的分布将被证明是有用的许多领域的研究依赖于大气能量输入,如农业(1),建筑(2),工程(3)规划。由于这些原因,分析太阳辐射分布的极端状态的相对较高的加载输入辐射和相对较高的时空变异性是重要的和相关的。

2。可再生能源

从19世纪开始,住宅的化石燃料日益不断向工业化和现代生活方式的发展。正在使用的化石燃料从国内工业应用于污染的成本,健康危害,地球的生态环境。过度开发传统燃料直接或间接协助全球变暖还有更多因素驱动整个地球奔向黑暗的未来。

为了克服对传统燃料的依赖,研究人员和许多组织正在替代燃料,这应该是商业上可行,易于使用,减少污染物,必须丰富自然。在这个方向,可再生能源,如太阳能、潮汐能、风能、生物燃料,等等,比传统能源更合适。这些非传统形式不仅可再生而且保持生态环境他们是环保的,不会导致全球变暖的温室气体的排放和生产等等。

在印度的背景和发展中国家,它是可怕的,因为大多数的印度家庭利用国内森林和化石燃料的使用,这不仅直接或间接地影响国家的增长还健康的用户。追求能源安全和可持续发展依赖于能力的能源来自可再生能源,并乐观地用它来满足不断增长的印度的和多样化的需求。

印度拥有丰富的nondepleting和环境友好的可再生能源资源,如太阳能、风能、生物质能和水能、等等。北方邦,太阳能和风能丰富地提供全年的印度相比,具有更高的潜力,利用可再生能源为国内和工业应用。

3所示。可再生能源的必要性

增加能量消耗的速度是我们的文明进步所必不可少的,因此主要问题是我们如何产生能量。大量使用化石燃料和核能源创造了糟糕的对环境的影响,社会和可持续发展的问题。所以我们需要这些能源将永远和可以使用没有污染。此外,常规能源系统使用化石资源,尤其是旧在众多,规模小,发现主要贡献者大气污染和温室效应。从这个意义上说地球已经表现出许多全球气候变化http://www.geosunnrg.com/)如下。(我)平均气温已经上升1.4华氏度(0.8摄氏度)自1880年以来,全世界大部分在最近几十年,据美国宇航局戈达德太空研究所。(2)全球变暖的速度正在增加。根据气候研究,20世纪的最后20年最热门的400年甚至几千年的温暖。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告说,过去12年的11个自1850年以来最热的打。(3)北极是感觉最大气污染和温室效应。平均气温在阿拉斯加、加拿大西部和俄罗斯东部上升全球平均水平的两倍,跨国的北极气候影响评估报告显示在2000年和2004年之间。(iv)北极冰川正在迅速消失,该地区可能会首次完全无冰的夏季,到2040年或更早。北极熊和本土文化已经遭受海冰损失。(v)山冰川和积雪迅速融化;例如,蒙大拿州的冰川国家公园现在只有27个冰川与150年的1910。在北半球,融化也一周前在春天和冻结一周后开始。(vi)珊瑚礁,高度敏感的小水温的变化,遭受了最严重的死亡或死亡反应stress-ever记录在1998年,一些地区看到漂白率为70%。专家预计这类事件的频率和强度的增加在未来50年的海水温度上升。(七)ipcc在2007年的一份报告,宣称人类是“很有可能”在全球变暖。基于的工作报告,在130多个国家的2500名科学家,认为人类造成全部或大部分的行星变暖。人类引起的全球变暖通常被称为人为气候变化。(八)工业化、森林砍伐和污染大气的浓度大大增加了水蒸气,二氧化碳,甲烷和一氧化二氮,所有温室气体,帮助地球表面附近的热量。(第九)人类向大气中注入二氧化碳的增长速度要比吸收的植物和海洋。(x)这些气体在大气中持续多年,这意味着即使这样排放今天被淘汰,它不会立即停止全球变暖。(十一)一些专家指出,地球轨道的自然周期可以改变地球的暴露在阳光下,这或许可以解释当前的趋势。地球确实经历了升温和冷却周期大约每几十万年由于这些轨道的变化,但这种变化发生在几个世纪张成的空间。发生了今天的变化在过去的100年或更少。

4所示。可再生能源的未来

显然,人类必须在它对能源的需要设置不同的课程,涉及较少的干扰来源,如太阳能,风能,地热能。有能源不伤害地球,永远不会耗尽。的钟声即将敲响,但是仍然有时间。人类已被证明是足智多谋和审慎的过去。需要再次关键领域的能源和环境以保证可持续发展为后代(http://www.geosunnrg.com/)。

5。可再生能源在印度

2006年印度有11亿人口,国内生产总值(gdp) 33万亿卢比(7280亿美元)(http://indiabudget.nic.in/es2006-07/esmain.htm;2006 - 2007)。印度分手的主要商业能源显示,超过80%来自化石燃料提供。如果我们还考虑传统的燃料和生物质,印度的主要能源消费总量约为2004 - 2005年20 EJ(平均18 GJ /人/年)。图1显示了不同类型的能源的份额在印度的主要能源供应总量(印度政府计划委员会;2006)。化石燃料占总数的64%主要能源而传统生物质约占33%。印度人口占世界总人口的17%;然而,能源消费只是世界一次能源消费总量的4%。现代可再生能源只占总数的很小一部分能源组合。印度是世界上唯一的国家,一个独立的新能源和可再生能源(MNRE)早些时候被称为非常规能源。

针对稀缺的化石燃料储备,能源安全、气候变化的担忧,预计可再生能源将发挥重要作用在印度未来的能源结构。图2概述不同的可再生能源。可再生能源可以用于整个频谱用途广泛,给图3(4]。

6。建模技术

在文献中,存在几个方法建模太阳辐射组件(全球、梁和扩散)的地面参数模型和分解模型。参数的模型像伊克巴尔,Gueymard和ASHRAE这样模型(5- - - - - -7),需要详细信息的大气条件。气象参数常用的预测因子包括的类型,数量,和云的分布或其他观察,如部分阳光,大气浑浊度和可察觉的含水量8]。在另一方面,全球辐射分解模型通常只使用信息来预测梁和天空组件。这些关系通常表达的的时间积分的射线辐射通量或辐照度。分解模型是基于晴朗指数之间的相关性(它是外星太阳辐射全球的比例)和扩散分数(这是全球太阳辐射扩散的比例),扩散系数(它是外星太阳辐射扩散的比率)或直接透射率(它是外星太阳辐射梁)的比例作为一个例子奥吉尔和荷兰制杜松子酒,erb et al ., Reindle刘等人,和约旦模型(9- - - - - -12)开发的估计直接辐射和散射辐射全球。而不是现在这两个方法实证方法(13- - - - - -15)和人工神经网络方法(这是一个被广泛接受的新方法提供了一个替代方法合成复杂的问题)也可以用于全球的决心和漫射光的太阳辐射16,17]。

7所示。辐射测量技术

驴太阳辐射的可用性在不同的位置,测量全球辐射、散射辐射、电子束辐射,阳光小时,明亮的阳光小时,最大和最小温度、湿度、压力、能见度、风速和风向,阵风速度、水降水,空气质量是非常重要的参数。

测量上述参数我们需要一个大的实验室和群技术人员。尽管这是一个艰巨的任务维护和运行这样一个实验室的质量和可靠性数据的网站然后只能保证。然而有一个广泛的网络的印度气象部门提供各种数据,包括辐射和气象和污染数据。但害怕辐射数据。世界辐射中心还提供了全球的数据,梁和散射辐射世界的城市。

的直接测量太阳辐射及其组件(直接和扩散)是在两种基本的方式完成的。测量值通过使用地面仪器作为日射强度计,或远程卫星。这些方法往往是结合使用来验证另一个(18- - - - - -20.]。一般来说,日射强度计数据充分维护工具提供一个准确的描述相邻地区的太阳辐射值。有人建议,推断日常所代表的值超出了离散点的日射强度计的位置会导致误传的外推。乳儿[21)发现,在田纳西河谷管理局地区地区,允许外推距离每天的太阳辐射值~ 200公里,但是这些距离可能随季节。然而,尤尼斯和Muneer [22声称“…对于一个给定的位置,比50公里的测量站的使用各自的测量站的数据在太阳能应用的评估已经过时了。”在他的太阳辐射变化的研究在圣地亚哥县,加州Aguado [23]建议两个点的相对距离海岸的能力进一步复杂化研究者推断之外的离散点太阳辐射测量。

全球和散射可以测量太阳辐射的帮助下热电日射强度计。基本上日射强度计组成的thin-blackened表面支持在一个相对大规模擦得亮闪闪的情况。当太阳辐射落在这个表面,表面的温度上升,直到它的速度损失的热量通过各种原因等于获得的热量辐射。这个温度上升设置热e.m.f.测量记录毫伏表或录音机。每一日射强度计校准和证书是由制造商提供的。质量数据的太阳辐射日射强度计必须定期校准,需要适当的维护。

仪器用于测量直接太阳辐射的强度,即电子束辐射叫做太阳热量计。埃补偿太阳热量计是一个标准的直接太阳辐射测量仪器,传感器是固定在管的下端提供隔膜,这样当管指向太阳,传感线加入太阳表面正常的接收器,和只有来自太阳的辐射和窄环的天空是由传感器接收。瞄准器的对齐是由称为屈光度。

在太阳热量计的吸收的辐射能的金属条,暴露于太阳的光线,是由测量所需的电流相同屏蔽带热量相同的温度。由于两条安装类似,在相同的温度和带与周围环境的热交换是相同的,生成的速率加热保护地带由于电流等于吸收的辐射能的速度暴露地带。的等价或两条的温度是由两个精细热电偶连接条的后面,用灵敏电流计连接在系列。当前通过屏蔽带确定一个准确的数字毫安计。仪器的优点是平衡电流保护地带不受利率变化的影响的热损失,只要影响两条同样的更改。

等乐器在理论上是绝对仪器所需的所有相关因素可以测量辐射强度的计算:

让=直接太阳辐射强度瓦/厘米² =区域的地带 =吸收的地带 =加热电流安培。然后我们有 ,在哪里仪器是一个常数,取决于电阻、长度、呼吸,吸收率的地带。仪器的常数实际上是由比较与其他标准仪器常数可追溯到标准保持在集团在瑞士世界辐射中心。

的研究在不同地区太阳辐射强度,斯科特•玻璃过滤器OG1 RG2, RG8使用。过滤器下面的传播:OG1传送从0.525μ到2.800μRG2传送从0.630μ到2.800μRG8传送从0.700μ到2.800μ。

8。估计的辐射

人们普遍认为太阳辐射预测模型是必要的,因为在大多数情况下,密度和数量的太阳辐射测量站无法描述必要的变化(24]。然后可以理解的新模型和改进现有建模技术不断提出这打算提高估计太阳辐射值的使用更容易获得气象变量(22,25,26]。

8.1。估计在水平表面太阳辐射

埃(27)首先提出理论模型基于日照时间估算全球太阳能辐射。页面(28]和普雷斯科特[29日重新考虑这一模式,使它可能计算出每月的平均每日全球辐射(MJ /米²天)水平表面上月度日均总日晒外星水平表面上按以下关系: 在哪里每月平均每日外星辐射(MJ / m²天),每月平均每日明亮阳光小时,最大可能是每月平均每日阳光小时或一天的长度,然后呢和是常数。

尽管大量的相关性包括多个参数,由不同的工人12,30.- - - - - -32),发现了一个非常方便,适用于大量的位置和使用最广泛的相关性,15,33- - - - - -37]。

太阳辐射通过大气中吸收或反射部分由其成分(气溶胶粒子引起散射辐射),实际上降低了梁组件和影响能源系统的性能。因此,知识的扩散辐射水平表面上各种能源利用系统的设计也很重要。许多研究人员提出了经验相关性估计每日散射辐射。两个最广泛使用的相关性是刘和约旦(12)和页面(28)辐照数据拟合给出 在哪里每日平均散射辐射和吗晴朗指数。

伊克巴尔提出的第三种方法是(38找到之间的相关性和阳光灿烂的比率(长度()天)作为 在哪里和是常数。

Gopinathan [30.利用上述模型,估计的辐射,并暗示的适用性这个词的相关性在各个部分的位置进行测试。因此,一个广泛的工作要做在这个区域(25,39- - - - - -41]。最近其他一些研究人员(13,14,42- - - - - -51)也报道新发展太阳能。

奥吉尔和荷兰(9),erb et al。10],和Collars-Pareira Rabl [31日)所有相关的全球辐射的散射分数指数大气清晰每小时的基础上。Elminir [47奥吉尔)检查的相关性和荷兰制杜松子酒9)和erb et al。10)和推荐之后计算每小时扩散分数。艾哈迈德和女子52]介绍了ASHRAE这样的修改版本7新德里火车站)模型。Katiyar [53],Gueymard [54),Jacovides et al。55],Katiyar et al . 2010 [36,37陈,et al。56)也报道新发展太阳能,可用于估计长期全球,直接和散射辐射。

8.2。估计在倾斜表面太阳辐射

大部分的太阳能系统收集的兴趣重新设计与倾斜表面。因此,有必要了解太阳辐射在倾斜表面的可用性。

辐射的总量事件在一个斜面由梁,sky-diffuse,和地面反射组件: 每日光束倾斜表面的辐射收到可以表示为 各向同性条件下,全球辐射对斜面可以写成 在哪里是地面反照率,是水平的地面坡度(学位),然后呢和每月平均每天总和散射辐射水平表面,分别。

太阳辐射在倾斜表面的估计是由不同的作者。最近,Mefti et al。57)给倾斜表面的每小时的太阳辐射模型使用日照时间数据。一个在这方面做了大量的工作13,14,58- - - - - -63年]。

9。目前的趋势在相关

Angstrom-Prescott相关性作为基本方法来估计全球辐射长时间。Angstrom-Prescott方程的简单控制了它的一些缺点。是网站依赖系数Angstrom-Prescott方程。Yeboah-Amankwah和阿杰曼64年)认为,“”和““与时间有关,因此建立了一个微分埃模型的系数随时间。领域和森65年)提出了一个动态估计系数的方法。这些作品不包括辐射阻尼过程当太阳光通过大气层。一些研究人员(66年,67年)采用阻尼结构计算全球晴空太阳辐射。他们的模型详细考虑物理过程,所以纬度的影响,海拔高度,自动和其他因素考虑在内。然而阻尼光谱非常不规则,因此数值积分是必不可少的。克服所有这些困难杨et al。68年)提出了一个“混合模型”,认为简单的物理过程,但仍保持埃方程。日本作者检测了他们的混合模型与数据,发现它需要更大的浊度,当应用于城市地区由于空气污染;否则,全球辐射可能估计。此外,估计完全多云的天空下仍然是困难的。混合模型假定全球辐射的线性关系与有效的波束辐射和散射辐射以及部分阳光。杨和小池百合子69年)也提出了一个模型来计算太阳辐射从高空湿度。这可能是用来预测数值天气预报(NWP)。

Lingamgunta和Veziroglu70年)提出了一个通用的关系估计晴空日晒。这个关系预测年平均每日晴空日晒,仅是纬度和高度的函数。作者声称关系(作者称之为Lingamgunta-Veziroglu关系)预测辐射相当准确的常规方法。

Suehrcke [71年)提出了一个全新的关系相对日照时间和全球辐射。这个关系,不太可能Angstrom-Prescott方程,是非线性的,它不需要任何经验常数。当地的大气条件被认为是通过平均每日明确指数的值。进一步分级阳光可以从Suehrcke关系,计算和Suehrcke阳光辐射关系已经验证了Driesse和Thevenard72年使用一个全局数据表)。

最近有重点(73年- - - - - -76年在使用卫星图像经验相关。大多数估计每日全球辐射值从卫星图像需要使用模型允许我们计算这些值每天少量的图片(通常是三个)。不同的方法已经开发出来。

大气污染物和气溶胶吸收和散射太阳短波辐射。有合成的交互影响大气辐射能量传递和平衡。如果污染增加,那么全球太阳辐射扩散组件也将增加。全球太阳辐射光谱和散射辐射的研究已经获得了重要性体现在最近的文献[77年- - - - - -79年]。有另一个领域的建模获得太阳辐射的估算潜在重要性使用人工神经网络(16,60,80年- - - - - -82年]。

10。结论

本文简要的一般介绍,原理、实验技术,测量太阳辐射数据,并回顾文献的太阳辐射模型,描述了目前太阳能建模的趋势主要感兴趣的太阳能工程师,建筑师,设计建筑,和热设备优化和这种非传统能源资源的有效利用。

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