Расчет поступления солнечной радиации для Московской области и других регионов

Уважаемые коллеги!
По совету модератора @wind1wind, я решил оформить этот пост отдельной темой.

Небольшой калькулятор для тех, кто хочет оценить поступление солнечной радиации на коллектор, установленный в Московской области, расчет для 289 направлений. Применим и для солнечных батарей, окон и теплиц.
В приложенных файлах:
- файл для расчетов "СолнечнаяРадиация_Москва-МО"
- пояснения к файлу
- матрицы пересчета по 16 направлениям и 18 углам наклона (плюс горизонтальная поверхность), т. е. с шагом 22.5 градуса по азимуту и 5 градусов по углу с горизонтальной плоскостью.
Положить все матрицы в один файл не получилось, были превышены ограничения Форума, пришлось делить на две части - западные и восточные направления.
Если Вы, например, хотите посчитать поступление солнечной радиации на 1 м2 коллектора (солнечной панели, окна), ориентированного на ЮЮЗ и наклоненного под 50 градусов к горизонтальной плоскости (40 градусов от вертикали):
- ищете в файле западных направлений лист ЮЮЗ;
- копируете матрицу для 50 градусов в расчетный файл;
- вносите в расчетный файл угол 50 градусов;
- осмысливаете полученный результат (в конце листа).

В дальнейших планах:
- сводные данные, в виде круговых диаграмм по месяцам и углам наклона панелей;
- сравнение данных калькулятора с расчетом по СП 23-101-2004, с объяснением, за счет чего возникает разница;
- расчет оптимальной ориентации панели, для декабря, зимы, отопительного сезона и всего года.

Что касается "других регионов": нашедшему региональный справочник климатических данных, и забившему его в Excel - БОНУС, матрицы пересчета по 289 направлениям, для выбранной им широты!

 

Только сегодня смог добраться до ваших фалов в силу высокой занятости. Спасибо вам за столь огромную проделанную работу! Вы мастер своего дела!
Что касается моего мнения на счет этого файла- он очень сложный. Там очень много информации в которой я неоднократно запутался пока считал, но возможно это только у меня такие проблемы)
Еще раз спасибо !

 

Ну, не знаю. Мне казалось что проще уже не сделать. Подобрал ближайшую имеющуюся матрицу для своего коллектора, подставил в начале страницы, в конце страницы посмотрел результаты в кВт*ч/м2.
Что непонятно - написали бы, я бы помог. В предыдущей версии (которая у Вас, несколько углов наклона на Юг) - даже матрицу подставлять не надо, все уже есть. 6 человек скачали, никто ничего не спросил.
А что Вы самостоятельно пытались посчитать? Опять же, написали бы, я бы добавил в расчет.
У меня такое чувство, что цифры - это не Ваше

Что касается Вашей идеи по поводу коллектора на подаче воздуха в наружный блок кондиционера. Я так понимаю, Вы пытаетесь приспособить коллектор к уже имеющемуся набору оборудования. Только, через наружный блок получается крайне неэффективно. Например, на коллектор поступает 3.55 кВт*ч радиации, а Ваша экономия за счет СОР составляет 81 Вт*ч, т. е. эффективность использования большого коллектора, требующего немалых инвестиций, на уровне 2.3%!
Я бы направил подогретый воздух в вентиляцию, если она есть. А если нет - не делал бы коллектор.

 

@SergeChe, правильно ли я поняла, что восточная и южная сторона при установке СП вертикально даёт максимум энергии в декабре, январе, феврале? Т е при прочих равных, при планировании отопления с использованием СП и СК, более предпочтительная установка их на восточный и южный фасады?

Сейчас в квартире с восточными окнами наблюдаю очень много солнца весь октябрь. Т е утром солнце бывает чаще, чем днём и на закате, тогда уже тучками закрыто. Ваши графики подтверждают даже для Москвы, а для нас тем более. Посчитав мощность излучения, можно будет рассчитать количество СП или СК и емкость ТА для моего домика с планируемыми теплопотерями 5 квтч. Особенно интересно, если запитывать СП напрямую на тэны в ТА без аккумуляторов. Очень Ваши данные ценные!

 

Ну что, матрицы все перемножены, можно начать размещать картинки.
У нас 16 направлений по азимуту, на картинке солнечная радиация, кВт*ч в день на м2, для вертикальных поверхностей (стена, окно, вертикальный коллектор):
Бросается в глаза, явная "кособокость" диаграмм. Почему так происходит?
Матрицы для направлений, симметричных относительно вертикальной оси С-Ю, тоже симметричны, относительно линии 12 часов. Но вот исторические метеоданные несимметричны!
Если просуммировать левые и правые половины матриц из климатического справочника (до полудня и после), то мы увидим, что даже в данных для ясного неба, есть некоторая несимметрия. Разница может достигать 5-7.5% в ноябре и декабре. Видимо, во второй половине дня немного падает прозрачность атмосферы.
С данными для средних условий облачности, все еще хуже. За вторую половину дня, солнечная радиация может быть на 17-21% меньше, чем за первую, период наибольших различий примерно май-август. То есть, в среднем облака и тучи летом закрывают солнце чаще во второй половине дня.

Для зимнего отопления, больше всего энергии (из вертикальных) даст южное направление (дальше будет график).Несимметрии в московских климатических данных в ноябре-январе вообще нет, в феврале есть небольшой перекос, где-то на 8%..
Я попозже буду искать оптимальные ориентации для разных периодов (весь год, 7 холодных месяцев, 3 зимних месяца, декабрь). Я думаю, что для зимы будет оптимален Юг, может быть (из-за несимметрии данных) с поворотом на несколько градусов в сторону ЮЮВ.

Следующая серия картинок: круговые диаграммы по месяцам и по группам месяцев: весь год; 7 холодных месяцев (в Москве почти совпадают с отопительным периодом), три зимних и три самых "темных". Данные в кВт*ч за месяц или за период. Обратите внимание - все месяцы в одном масштабе, а все периоды - в разных!

Вместе с рассчитанными мной данными, я дал данные, рассчитанные по правилам СП 23-101-2004, для м/с "Подмосковная", с коэффициентами для 56 сш. Поскольку в СП коэффициенты даны только для 8-ми вертикальных ориентаций, половину моих данных пришлось выбросить.

 

Откуда возникает разница в расчетах солнечной радиации, посчитанной разными методами по одним и тем же данным? Рассеянная и отраженная радиация считается полностью идентично, разница возникает только для прямой. В СП умножают суммарные данные за месяц на один коэффициент, я умножаю строку почасовых данных на строку из своей матрицы.
Если присмотреться, в этих картинках 4 характерных момента:
- данные по году, посчитанные двумя методами, почти совпадают;
- в холодные месяцы, СП завышает коэффициенты пересчета (относительно моих);
- в летние месяцы, СП, наоборот, занижает коэффициенты;
- в летние месяцы, наблюдается существенная разница между двумя методами, для направления Север.
Причина последнего эффекта мне известна, это неверные данные для северного направления в СП.

На самом же деле, Солнце заглядывает на северную стену, по утрам и вечерам, только с апреля по август (и чуть-чуть в сентябре). Возможно, произошла ошибка при верстке текста. и коэффициенты должны были начинаться не с декабря, а с апреля.
Причина второго и третьего эффектов - более сложная. Я размышлял о том, какие же коэффициенты могли поставить авторы СП для всей 56-й широты, что для резко континентального климата, что для океанского побережья. Так вот, это коэффициенты пересчета для ясного неба, которые определяются в основном широтой, с небольшими отличиями, связанными с прозрачностью атмосферы. Проверка показала, что это так: при обратном расчете по данным для Москвы, полученные коэффициенты очень хорошо коррелировали с цифрами из СП.
Проблема в том, что эти коэффициенты не учитывают местных условий, характерного распределения вероятности ясного неба внутри дня, и характерного распределения радиации по часовым интервалам. Я попробую придумать, как это все можно наглядно проиллюстрировать. Пока примем как данность, что коэффициенты СП нежелательно использовать для расчетов, зимой они завышают прямую солнечную радиацию, а летом занижают. Опять же, 8-ми направлений (для которых в СП есть коэффициенты) явно недостаточно для расчетов в реальных условиях.

 

В диаграммах ваша линия для вертикальной поверхности, а другая при размещении под углом в 56 гр - для 56 с ш ? А какая линия для вертикали? Они почти одинаковы. Т е что вертикально, что с наклоном, соответствующем широте для Москвы - почти одинаково?
Увидела - красненькая - для вертикальных. Или и синяя тоже для вертикальных?

 

На каждой круговой диаграмме две линии:
1. Красная, посчитана мной через мои же матрицы преобразований.
2. Голубая, посчитана по коэффициентам из СП. Поскольку в СП нет коэффициентов для широты Москвы (55.756), а даны коэффициенты с шагом 2 градуса по широте - я взял ближайшие, для 56 сш. Разница меньше четверти градуса по широте - не так существенна.
И там, и там - 8 вертикальных поверхностей (стены, окна), ориентированные по 8-ми сторонам света, с шагом 45 градусов по азимуту.
В следующем посте, я покажу, как зависит радиация от угла наклона к горизонтали (вот только 3456 циферок пересортирую по-другому )

 

Это здорово, что будут разные поверхности - южных стен не хватает. Надо будет и крышу загрузить.

 

@SergeChe, есть ещё такая тема https://www.forumhouse.ru/posts/21914581/. Было бы здорово соотнести Вашу расчетную матрицу с реальными данными от пользователей массивов. Тогда можно узнать реальный КПД панелей, и по производителям тоже. Правда, это очень трудоемко.

 

Еще пара картинок: поступление энергии в январе за день (кВт*ч/м2), в зависимости от ориентации панели по азимуту и углу наклона. Угол 0 (горизонтальная плоскость) - черный пунктир. Угол 90 (вертикальная поверхность - сплошная черная линия.

Видно, что вертикальная южная поверхность - это не максимум. Максимум (из имеющихся точек) - 80 градусов к горизонтали (10 к вертикали), юг.
Следующая картинка - поступление энергии за зимний период (декабрь-февраль). Максимум (из имеющихся точек) тоже юг, но наклон уже 75 градусов (15 от вертикали).

Когда-нибудь, я посчитаю окрестности южного направления и углов наклона 75-80 градусов, с шагом 1 градус по азимуту и углу наклона. Будет примерно понятна оптимальная ориентация панели, используемой в холодное время года.

Увы, вряд ли получится.
1. Потребуются не данные "Сегодня до 16 получилось столько-то", а длинные ряды, лучше несколько лет.
2. Климатические данные - это усредненные лет за 20 наблюдения. Поступления за конкретный октябрь могут оказаться процентов на 20 выше или ниже, чем в среднем за 20 лет. А с какой-то вероятностью - поставить климатический рекорд, и быть теплее или холоднее всего, что измерили лет за 250.
3. Единственные реальные рамки для климата конкретного месяца или конкретного дня - поступление радиации не должно сильно превышать того, что дают данные для "ясного неба".
То есть, что можно сделать - найти измеренные максимумы для каких-то месяцев, сопоставить с теоретическим притоком солнечной радиации для "ясного неба" в это же время дня, и оценить КПД конструкции. Причем, опять же неточно - прозрачность атмосферы может варьироваться на единицы процентов, соответственно влияя на радиацию.

 

Еще две картинки, из той же серии: суммарное поступление солнечной радиации за 7 месяцев (примерно соответствуют отопительному периоду в Москве) и за весь год.

Оптимальная ориентация для 7 холодных месяцев – ориентация Юг, угол наклона 55-60 градусов (30-35 к вертикали).

Для года оптимальный наклон еще ниже, где-то 35-40 градусов, Юг, с небольшим отклонением в сторону ЮЮВ (вот и проявилась несимметричность климатических данных).

Есть еще какие-то периоды, которые могут быть интересны?

 

Пока, вернемся к вопросу, почему нельзя данные для ясного неба и средней облачности пересчитывать при помощи одного и того же месячного коэффициента. Нужно учитывать, что при пересчете данных с горизонтальной поверхности (или с нормали) на вертикальные поверхности, зачастую, используются только кусочки дня. Например, при пересчете на Восток, используются только данные первой половины дня (в остальное время Солнце на Восток не заглядывает. На Северо-Восток - только несколько утренних часов, на Северо-Запад - только несколько вечерних.
Вкратце, идея такая: если бы соотношение радиации при ясном небе и средней облачности (почасовые данные) было примерно постоянно, то применять одинаковые коэффициенты было бы можно. Если же соотношение изменяется в достаточно широком диапазоне – то так делать нельзя.
Посмотрим на это на примерах:
Для начала, посмотрим на данные января и направление Юг: прямая радиация на поверхность, нормальную к лучу, при ясном небе и средней облачности (верхняя диаграмма):

Соотношение часовых поступлений варьируется в широком диапазоне (правая шкала) – от 0,08 утром и вечером до 0,23 в середине дня.
На нижней диаграмме, поступления на горизонтальную поверхность и вертикальную панель, ориентированную на Юг, при ясном небе и средней облачности.
Соотношения данных для южной вертикальной поверхности и горизонтали, показаны пунктирными линиями (правая шкала). Коэффициент пересчета с одной поверхности на другую (если брать из СП 23-101-2004 данные для 56 сш) должен быть 5.15, по фактическим данным он должен составить 5.06 для ясного неба, и 4.17 для средней облачности. Применение к данным по средней облачности коэффициента из СП, ведет к завышению прямой радиации в январе почти на 20%.

Вторая группа данных – июль и Восток.

На первой диаграмме, соотношение данных гораздо ближе к постоянному, чем январе, но отклонения все же достаточно велики. График больше похож на наклонную линию. Кстати, здесь мы видим несимметричность данных (во второй половине дня радиация ниже, чем в первой), характерную для летних месяцев в Москве.
При пересчете с горизонтали на восточную вертикаль, используется только утренняя половина данных. Соотношения восточной вертикальной поверхности к горизонтали довольно сильно отличаются друг от друга.
Коэффициент из СП для востока и июля 0,53, посчитанный по фактическим данным для ясного неба 0,535, а для средней облачности 0.63. То есть, разница прямой радиации, посчитанная по одному и по другому коэффициенту – 17%.

То есть:
1. Мы видим хорошее совпадение цифр из СП, с коэффициентами пересчета для ясного неба.
2. Из-за того, что данные для средней облачности не пропорциональны данным для ясного неба (имеют несколько другое распределение по часовым интервалам), применять цифры из СП 23-101-2004 для расчетов по средней облачности не рекомендуется, ошибка может составлять порядка 20%.

 

Круговые диаграммы и прочие трехмерные поверхности, это симпатично, но нефункционально.
Из типовых вариантов оформления в Excel, наиболее функциональным мне кажется такой:

Здесь, по крайней мере, можно прикинуть приблизительное поступление радиации для выбранной ориентации.

Что дальше:
- найти время, и посчитать матрицы с шагом 7.5 градусов по азимуту. Сейчас, шаг по азимуту (22.5 гр) великоват. Будет сетка 7.5х5 градусов, 865 матриц. Файлы придется сжимать перед размещением.
- может быть, поискать оптимальные углы для разных периодов. Практического смысла особенного нет – вряд ли кто-то будет выставлять панель с точностью до градуса, чтобы получить 2 дополнительных кВт*ч в год. Просто побаловаться

А так, буду ждать вопросов, или климатических справочников для других регионов.

 

@SergeChe, смотрела на КПД солнечных панелей. Встречала цифру чуть больше 17%. Это правда у них такая низкая эффективность? Может, знаете?