1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10/10 10,00оценок: 7

Расчет поступления солнечной радиации для Московской области и других регионов

Тема в разделе "Топливная независимость", создана пользователем SergeChe, 03.11.18.

  1. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    День Святого Валентина в Москве (часть 1).
    На примере одного дня, я попытаюсь рассказать, что и как мы считаем, и как полученные цифры нужно интерпретировать. В качестве примера, я почему-то выбрал 14 февраля.
    Все еще зима, в полях Подмосковья лежит свежий чистый снег. Уже не так уныло как в декабре, солнце прошло 30% своего пути от зимнего к летнему солнцестоянию, световой день увеличился с 7 до 9.5 часов, в полдень, вместо 11 декабрьских градусов, солнце поднимается почти до 21. Уже иногда случаются периоды ясного неба, когда солнце прогревает комнату через окно, а снег искрится и слепит взгляд.

    Итак, 14 февраля. Солнце (в среднем) встает в 7:58 местного времени, и садится в 17:30, полдень в 12:44, сдвиг по времени относительно солнечного – 44 минуты.
    Val001.png
    На графике, маркеры расставлены с шагом 30 минут, угол над горизонтом взят с учетом рефракции.
    За предшествующие 28 лет, этот день на станции МГУ складывался очень по-разному, разница в суммах дневной радиации между 1999-м и 2003-м годами составила 7.7 раз. В половине случаев (14 лет) прямая радиация вообще не наблюдалась, только рассеянная, то есть был пасмурный день без малейших просветов в облаках. В отдельные годы (1999), прямая радиация достигала 1.23 кВт*ч на метр горизонтальной поверхности, то есть 80% от теоретической прямой радиации за полностью ясный день.
    Val004.png
    Для ориентира, вместе с историческими данными показаны многолетние значения для средних условий облачности, и для ясного дня. Можно заметить, что фактическое среднее значение за 28 лет ниже, чем взятое из справочника. Как отмечено в самом справочнике, «В сентябре-марте на ст. МГУ в утренние и вечерние часы актинометрические приборы затеняются близлежащими строениями, по этой причине происходят потери солнечной радиации. Максимальные потери в декабре-январе достигают 20%». Видимо, этот эффект и наблюдается.

    Компоненты солнечной радиации 14 февраля
    Все графики будут по солнечному времени, сдвиг относительно местного 44 минуты.
    Val002.png
    Эти графики соответствуют почасовому распределению разных типов радиации в справочнике, несимметрия в них вызвана несимметрией исходных данных.
    Основная часть солнечной радиации 14 февраля, за исключением редких относительно ясных дней, поступает в виде рассеянного излучения. В ясный день, как и положено, величина рассеянного излучения снижается.
    Сама по себе, величина прямой радиации на горизонтальной поверхности, даже в ясный день, не слишком велика, но это потому, что солнце поднимается еще не слишком высоко (в районе 21 градуса в полдень), и день коротковат. Если же сравнить прямую радиацию в ясный день не на горизонтальной поверхности, а на нормали к лучу, 14 февраля и 14 июня (на 4 месяца позже, в районе летних максимумов), то мы увидим, что солнце в районе полудня светит с интенсивностью в районе 90% от летней, и у окна в полдень уже вполне можно погреться. ;)
    Val003.png

    В общем случае, на произвольно ориентированную поверхность приходит рассеянная, отраженная и прямая солнечная радиация.
    Поскольку мы используем самые простые изотропные модели рассеянного излучения и отражения, то:
    - дневная сумма рассеянного излучения на произвольную поверхность зависит только от угла наклона поверхности к горизонту (как квадрат косинуса половинного угла);
    - дневная сумма отраженного излучения на произвольную поверхность зависит только от угла наклона поверхности к горизонту (как квадрат синуса половинного угла) и альбедо подстилающей поверхности;
    То есть, вот эти графики, или почасовое распределение интенсивности суммарного и рассеянного излучения – они нам по сути пока не нужны, нужна только сумма за день, которую мы умножим на соответствующие коэффициенты.
    Единственный случай, когда нам могут потребоваться почасовые или непрерывные распределения – это использование панелей с изменяющимся углом наклона к горизонту, всякие следящие за солнцем трекеры. Ну, и для рисования красивых картинок :)]
    Конечно же, реальная интенсивность рассеянного излучения внутри дня, совсем не такая «гладкая», как на графиках. Можно посмотреть записи с инверторов в пасмурные дни в теме «Публикуем данные по выработке ВИЭ …» https://www.forumhouse.ru/threads/447419/, типа таких
    Val005.jpg
    Подборка пасмурных дней, честно сперта у коллеги @DWW, ;)
    Только после усреднения за много-много лет, они приобретут достаточно пристойный вид. Можно было бы "для псевдо-реалистичности" прибавить к гладким графикам шум и прыжки от генератора случайных чисел, но я не вижу в этом смысла.
    Что касается альбедо: измеренное в заснеженных полях Подмосковья, оно составляет в феврале 74%. В условиях населенного пункта, или конкретных условиях вашего двора, значение может существенно отличаться (поэтому, в калькуляторе есть возможность подменить значение альбедо на какое-то другое).

    В общем, умножив исторические данные на коэффициенты, определяемые наклоном поверхности к горизонту и (в случае отраженной радиации) на альбедо – мы получили значения двух из трех компонент суммарного излучения на произвольной поверхности.
    Осталось самое интересное – расчет прямого излучения.
     
  2. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    День Святого Валентина в Москве (часть 2)
    Вернемся немного назад, к рассеянной и отраженной радиации. Для наглядности, я сделал такую диаграмму зависимости рассеянной и отраженной радиации от угла наклона к горизонту:
    val013.png
    Если мы обозначим рассеянную радиацию D, прямую S, суммарную I=D+S, а альбедо a, то:
    - рассеянная радиация уменьшается от D до D/2, при изменении угла от 0 до 90 градусов;
    - отраженная радиация увеличивается от 0 до I*a/2 при изменении угла от 0 до 90 градусов.
    Отраженную радиацию, в свою очередь, можно разделить на две части – отраженная рассеянная (D*a/2 при наклоне 90 градусов) и отраженная прямая (S*a/2 при наклоне 90 градусов). На данной диаграмме, взято альбедо 74%. Летом, когда характерные значения альбедо составляют 20-25%, два внешних слоя будут заметно тоньше.

    Перейдем к прямой радиации. Для примера, я возьму три вертикальные панели, смотрящие на восток, юг и запад, площадью 1 м2 каждая. Например, это могут быть окна дома, ориентированного по оси север-юг.
    Модельная прямая радиация в день 14 февраля (при ясном небе и средних условиях, на нормали, горизонтали и трех вертикальных панелях) выглядит следующим образом:
    val014.png
    Обратите внимание, что вертикальный масштаб на второй диаграмме отличается примерно в 3 раза. Прямая радиация при средних условиях примерно в 3.66 раза меньше, чем при ясном небе (смотрим на площади под кривой), и несколько несимметрична, с перекосом во вторую половину дня.
    Для наглядности, я отмасштабировал кривую для средних условий в 3.66 раза, чтобы площадь под кривыми совпадала.
    val015.png
    Видно, что и форма у кривой для средних условий другая – с более «весомой» центральной частью. Например, в интервале с 10:00 до 15:00 она дает 72% дневной радиации (вместо 65% для того же интервала при ясном небе), а с 11:00 до 14:00 – 46% вместо 40%.
    Рассмотрим пример: в 13:15 на горизонтальной поверхности наблюдается энергетическая освещенность 200 Вт/м2. Что будет происходить в этот момент на трех наших панелях?
    val017.png
    На восточную панель в этот момент прямая радиация не попадает. На южной панели будет наблюдаться освещенность 532 Вт/м2, а на западной – 187 Вт/м2. Эти соотношения 532/200 и 187/200 определяются исключительно положением солнца в 13:15 и ориентацией панелей. Будет освещенность в 2 раза меньше – она будет в 2 раза меньше на всех поверхностях. На графиках – коэффициенты преобразования освещенности горизонтальной поверхности в освещенность трех выбранных панелей.
    val016.png
    Если весь день освещенность на горизонтальной поверхности соответствовала графику «для ясного неба», то суммарный дневной коэффициент преобразования будет равен отношению площадей под соответствующими кривыми и составит 0.84 для восточной и западной ориентации, и 2.94 для южной. То есть, если весь день наблюдалось ясное небо, и освещенность соответствовала модельному графику, то южная вертикальная панель получит в 2.94 раза больше прямой радиации, чем горизонтальная поверхность.
    Если освещенность соответствовала графику «для средних условий», коэффициенты будут немного другими: восток 0.68, юг 2.87, запад 0.78. Почему это произошло, ведь в каждый момент времени коэффициенты преобразования те же самые? Распределение радиации внутри дня стало несимметричным, с перевесом второй половины дня – при той же дневной сумме прямой радиации, стало больше попадать на западное окно, чем на восточное. Увеличилась относительная доля радиации в середине дня (см примеры на интервалах 10-15 и 11-14 часов) – увеличился вклад дневных часов, когда коэффициенты преобразования ниже, чем утром и вечером – уменьшился суммарный дневной коэффициент для южного окна.
    Я сделал для себя три простых модельки:
    1) Ясный день, с набежавшими на время тучами во второй половине дня;
    2) Переменная облачность, с небольшими просветами в первой и второй половине дня, сопоставимыми по сумме радиации;
    3) Переменная облачность, с совсем небольшими просветами в первой половине дня и заметно большими – во второй.
    val011.png
    Соответственно, для каждой из них, я тоже посчитал дневные коэффициенты преобразования радиации на горизонтальной поверхности в радиацию на каждой из панелей. Для удобства, я сведу эти коэффициенты в таблицу.
    val018.png
    То есть, в зависимости от ситуации конкретного дня, соотношение суммы прямой радиации на горизонтальной поверхности, и на панели выбранной нами ориентации может изменяться в очень широких пределах.

    Усредняя внутридневные данные за много-много лет, мы постепенно приблизимся к тому, что поведение освещенности на горизонтальной поверхности внутри дня будет похоже на кривую «для средних условий», а средняя освещенность произвольной панели, в свою очередь, тоже приблизится к соответствующей кривой. Соотношение между суммами для горизонтальной поверхности и для панели, будет стремиться к выведенному нами дневному коэффициенту «для средних условий».
    Зайдем с другой стороны. Можем рассмотреть поступление радиации, как случайную величину. Плотность распределения вероятности описывается кривой «на горизонтальной поверхности для средних условий», значения – коэффициентом преобразования с горизонтальной поверхности на панель.
    Умножив дневную сумму прямой радиации на ранее посчитанный коэффициент «для средних условий», мы получим математическое ожидание величины прямой радиации на выбранной панели в нужный день.

    Считая по историческим данным, мы находим матожидание суммы прямой радиации на выбранной панели, для заданной дневной суммы прямой радиации. Рассчитывая абстрактный день, мы берем среднее историческое значение прямой радиации, и считаем просто матожидание суммы прямой радиации для заданного дня и панели. Конечно же, и в том, и в другом случае, значения для конкретного дня и конкретной ориентации панели могут варьироваться в достаточно широких пределах, но математическое ожидание будет именно такое.

    В принципе, можно было бы попробовать перейти к вероятностным оценкам, в духе «с вероятностью 95% значение радиации лежит в диапазоне (89-113%)*ХХХ», но вряд ли замена чисел на доверительные интервалы будет удобной и понятной для широкого круга участников Форума.
     
  3. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Кстати, пришла в голову следующая мысль: тут возникал вопрос, как определить истинную ориентацию панели по азимуту. Координаты сейчас доступны с высокой точностью, во всяких Яндекс-картах. Точное время тоже легко получить.
    Все, что нужно - засечь момент, когда солнце стоит прямо напротив панели. Потом, в каком-нибудь калькуляторе, посчитать положение солнца в это время, задав широту, долготу, дату, часовой пояс и время. Например, такой калькулятор https://planetcalc.ru/320/ есть расчет по городам, а внизу страницы - по координатам. Я выборочно проверил несколько цифр - разница с моими данными на уровне 1/10 градуса.
    Если тщательно засечь момент, то можно получить значение азимута с точностью выше 1 градуса.
     
  4. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Возвращаясь к номограммам https://www.forumhouse.ru/posts/23848700/
    При помощи такой картинки, можно быстро прикинуть поступление радиации на поверхность сложной формы, как показано на этой схеме:
    azimut-1.jpg
    Круглая номограмма немного нагляднее, но гораздо труднее в изготовлении. По факту, мне пришлось прорисовывать все кривые, пользуясь заготовкой из Excel. Прямоугольная чуть менее наглядна, но делается гораздо проще. Кроме того, между основными линиями 95-85-. .. -45 на ней можно различить цветные двухпроцентные полосы. То есть, при желании, определить нужное значение с точностью 1-2%. Прорисовывать порядка 60 2-процентных кривых для круглой номограммы я не готов.

    Так вот, в комплект с этой номограммой (Москва, радиация за год, в % от максимума)
    Nomo03.png
    я сделал еще две.
    1) Москва, условно теплое время года (апрель – сентябрь), в % от максимума.
    Nomo05.png
    Она еще сильнее «перекошена», чем годовая. Если для года максимум расположен примерно в точке 174-36 (азимут-угол к горизонтали), то для теплого полугодия – в точке 168-27.
    2) Москва, условно холодное время года (октябрь – март), в % от максимума.
    Nomo06.png
    Она практически симметрична, максимум в точке 180-66
    Для перевода в цифры:
    максимум за год 1129.2 кВт*ч/м2,
    максимум за теплое полугодие 856.2 кВт*ч/м2,
    максимум за холодное полугодие 304.85 кВт*ч/м2
     
  5. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Попалась интересная задача – сравнение радиации на фиксированном и поворотном коллекторе (вращающемся по азимуту, вслед за положением солнца). https://www.forumhouse.ru/posts/24016839/
    Углы наклона, в обоих случаях, брались одинаковыми.
    1 мая, углы наклона фиксированного и поворотного плоских коллекторов к горизонтали - 30 градусов.
    ak004.png ak005.png
    Как мы видим по графику косинусов, утром и вечером солнце вообще не попадает на фиксированный коллектор, поворотный же «работает» «от рассвета до заката».
    Утром, угол между первыми рассветными лучами и нормалью к поворотному коллектору 60 градусов (косинус 0,5). Соответственно, у нас появляется довольно существенная добавка к сумме прямой радиации, 30,9%.
    Изменим углы наклона до 45 градусов. Поворотный коллектор начинает утром с угла 45 градусов к рассветным лучам (косинус 0,707), и в целом значения косинуса выше, чем при наклоне 30.
    ak001.png ak002.png
    Соответственно, разница между поворотным и фиксированных коллектором стала еще больше, достигнув 44,1%.
    Пока речь шла о прямой радиации. Добавим рассеянную, она одинакова для обоих коллекторов. Разница в суммарной радиации поменьше, 24,7%, но все равно существенна.
    ak003.png

    Перейдем от плоских коллекторов к трубчатым. Трубка интереснее плоскости, у нее почти всегда есть неплохо освещенная сторона. Для примера, бралась система из 30 трубок диаметром 58 мм, расположенных с шагом 80 мм в ориентации Юг-45.
    Здесь играют роль 2 фактора: взаимное затенение трубок при определенных углах освещения:
    ak007.png
    И угол между солнечным лучом и плоскостью, проходящей через ось трубки и наиболее выгодно повернутой к солнцу.
    ak006.png
    Почему в модели потребовалось количество трубок? Из-за того, что при разном количестве трубок может быть разная доля незатененной поверхности. Одна трубка освещена всегда, две могут быть освещены на 50% (ближайшая к солнцу трубка полностью затеняет соседнюю), система из 30 трубок может быть освещена на 1/30 своей поверхности (крайняя трубка затеняет все остальные).

    Перемножив косинус угла, долю освещенной поверхности, и интенсивность радиации на нормали к лучу при средних условиях, мы получили такой график:
    ak008.png
    Напомню, речь шла о прямой радиации на фиксированный трубчатый коллектор. С рассеянным и отраженным освещением, с учетом взаимного затенения – есть проблемы, я пока это трогать не буду.
     
    Последнее редактирование: 15.05.19
  6. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    В зависимости от рассматриваемого дня, изменяется траектория движения солнца, косинусы углов освещенности, и кривая затенения трубок. Сравним, например, 1 мая и 21 июня:
    ak009.png ak010.png
    Еще пара интересных примеров взаимодействия косинуса и затенения:
    1. Горизонтальный коллектор из трубок, ориентированных с севера на юг:
    ak011.png ak012.png
    2. Вертикальный коллектор, ориентированный "лицом" на юг:
    ak013.png ak014.png
     
  7. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Эксперимент
    Случайно заметил, что на форум стало можно загружать большие файлы. Хотя, никаких объявлений я не встречал, и FAQ не обновлялся https://www.forumhouse.ru/threads/345576/
    Попробую выложить последний московский калькулятор, вместо Яндекс-диска.
    Вроде, получилось. Кто знает, какие нынче ограничения?
     

    Вложения:

    Последнее редактирование: 21.05.19
  8. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Маленькая историческая симуляция, на примере коллеги @MikhailH,
    Входные данные:
    - Московская область;
    - солнечная панель, номинальной мощностью 300 Вт;
    - аккумулятор на 100 А*ч;
    - дневное потребление 300 Вт*ч (несколько маломощных лампочек и телевизор, все работает от 12 вольт).
    - период эксплуатации 1 апреля – 20 октября, по выходным, летом может быть и непрерывно.
    Входные данные очень хорошие: достаточно мощная (для его потребностей) панель, аккумулятор (теоретически) на 4 дня потребления. На примере исторических данных, посмотрим, как эта конфигурация выдержит реальную неравномерность поступления солнечной радиации. Принятые допущения:
    - ориентация панели 170-30, в районе оптимума для периода апрель-сентябрь (более 99% от максимально возможной суммы радиации);
    - все системы работают «идеально»: панель всегда работает с максимальным КПД и не перегревается; никаких потерь на преобразования нет; аккумулятор легко заряжается до 100 А*ч и легко разряжается до 0, без потерь на хранение;
    - зарядка и разрядка аккумулятора разделены – днем он заряжается от СП, а вечером и ранним утром расходует 25 А*ч на лампочки и телевизор.

    Для симуляции, я использовал "калькулятор" МК-002 (выкладывал раньше в этой теме), с небольшой добавкой, считающей зарядку-разрядку аккумулятора.

    Наиболее «сомнительным» является период 1 сентября – 20 октября, когда может быть достаточно много пасмурных дней, на этот период мы и посмотрим. Начнем с ближайшего имеющегося года – 2017-го, и с режима постоянного проживания. На утро 1 сентября, аккумулятор заряжен на 50%.
    Bar001.png
    Что у нас на первом рисунке:
    - сверху – исторические данные по солнечной радиации, в процентах к средним значениям за длинный период. Синие столбики – отклонения вниз от среднего, красные – отклонения вверх.
    - дата начала симуляции – 1 сентября 2017 года, оранжевый «ползунок» на исторических данных стоит в конце 2017 года.
    - исторические данные – прямая и рассеянная радиация для метеостанции МГУ на горизонтальной поверхности.
    - два ряда из красных и синих кружков – подсчет дней определенных типов. В данном случае, красные кружки обозначают «Дни без солнца», т. е. дни, когда прямая радиация составляла менее 2% от таковой в ясный день. Таких дней за квартал было 49, максимум 9 подряд. Синие кружки – это дни, когда поступление радиации обеспечивает менее 300 Вт*ч в день, т. е. выработка электроэнергии не покрывает дневной расход. Таких дней за квартал было 54, в том числе 18 дней подряд в ноябре. Нужно понимать, что вместо СП площадью 1.63 м2 с КПД 18.4% (или панели с немного другой площадью и другим КПД), я беру «энергетически эквивалентную» поверхность площадью 0.3 м2 с КПД 100%.
    - последняя диаграмма – дневная выработка панели с ориентацией 170-30 в 2017 году, при идеальных условиях. Оранжевая горизонтальная линия – уровень 300 Вт*ч за день.
    На следующем рисунке – остаток заряда в аккумуляторе, к началу следующего цикла подзарядки. Если аккумулятор предварительно был полностью заряжен, то к началу следующего цикла остаток будет 75 А*ч. Интересующий нас период 1 сентября – 20 октября, выделен желтым цветом.
    Bar002.png
    Что мы видим: система в 2017 году обеспечила бы наши потребности при постоянном проживании до 20 октября, хотя иногда остаток заряда падал бы до менее, чем 20% емкости. В реальных условиях, со всеми перегревами, потерями на преобразования, ограничения по разряду аккумулятора - у нас, наверное, случались бы небольшие перебои. А уже в ноябре, мы бы больше половины месяца сидели на «голодном пайке», когда полученного за день не хватало бы на то, чтобы закрыть наши скромные потребности.
    Возьмем вместо «первого попавшегося», какой-нибудь год похуже. Далеко ходить не надо, это 2016-й.
    Bar003.png
    Здесь, мы переходим на «голодный паек» уже в конце первой декады октября.
    Bar004.png

    Посмотрим теперь на режим проживания по выходным. Здесь все гораздо проще: 5 дней в неделю мы только накапливаем энергию, а отдаем ее всего лишь за 2 выходных дня. Чтобы оказаться без электричества, нужно почти невероятное (в октябре) стечение обстоятельств, чтобы солнце отсутствовало недели 3.
    Даже в ноябре, накопленной за неделю энергии хватает на выходные.
    Bar005.png
    Еще один момент – влияние емкости аккумулятора на поведение системы в режиме «выходные». Например, с аккумулятором на 40 А*ч (т.е. меньше двухдневного потребления), уже могут возникать проблемы.
    Bar006.png
     
    Последнее редактирование: 04.06.19
  9. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Год тусклого солнца
    Сделав вчера маленькую историческую симуляцию, я задумался вот над каким вопросом: ну хорошо, у коллеги @MikhailH, большой аккумулятор, на 4 дня потребления, и достаточно высокая «энергообеспеченность», на каждый Вт*ч дневного потребления приходится один Вт номинальной мощности СП.
    А сколько вообще нужно СП и аккумуляторов, чтобы обеспечить себе в каком-то периоде определенный минимальный уровень потребления, даже при плохих погодных условиях? Понятно, что должен быть некоторый баланс: при малой мощности СП не поможет никакой аккумулятор – просто нечего будет в нем накапливать; при малой емкости аккумулятора, пасмурная погода 2-3 дня подряд приводит к нехватке электроэнергии.
    Вот я и попробовал построить зависимость количества дней отсутствия электричества от сочетания емкости аккумулятора и энергообеспеченности, при достаточно плохой погоде. Расчеты для Москвы (МГУ)

    Начал я с того, что сформировал тестовый «год тусклого солнца» из наиболее плохих календарных месяцев. Например, январь я взял из 2004-го, февраль – из 2002-го, март – из 2008-го и т. д. Ориентацию панели я взял «ни нашим, ни вашим», 180-45. В холодном полугодии, она дает примерно 96% от максимально возможного поступления солнечной радиации, и в теплом – тоже порядка 96%. Понятно, что ориентации, дающие летний и зимний максимум, заметно различаются, а выбранная 180-45 – что-то среднее между ними.
    Модель потребления та же: днем мы накапливаем энергию, вечером, ночью и ранним утром – тратим. Если, например, к концу цикла зарядки в аккумуляторе накопилось 70% требуемого дневного потребления, я считаю, что мы остались без электричества на 0.3 дня. Затем, дни без электричества я просуммировал по календарным месяцам.
    Единицы измерения: емкость аккумуляторов – в количестве дневных потреблений, энергообеспеченность – в ваттах номинальной мощности, приходящихся на 1 Вт*ч дневного потребления. Емкость аккумуляторов меньше 1 не имеет смысла, нам нужно где-то накопить энергию в объеме суточного потребления, чтобы вечером ее потратить.

    Теперь посмотрим, что получилось. Летняя и зимняя ситуации очень сильно различаются, и я использовал два масштаба: один для лета, другой для зимы. «Переходные» месяцы даны в обоих масштабах.
    Январь
    bad001.png bad101.png
    Февраль
    bad002.png bad102.png
    Март
    bad103.png
    Апрель
    bad104.png
    Май
    bad105.png
    Июнь
    bad106.png
     
    Последнее редактирование: 05.06.19
  10. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Год тусклого солнца (окончание)
    Июль
    bad107.png
    Август
    bad108.png
    Сентябрь
    bad009.png bad109.png
    Октябрь
    bad010.png bad110.png
    Ноябрь
    bad011.png
    Декабрь
    bad012.png
     
  11. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Сегодня, мы попробуем воспользоваться полученными диаграммами, для решения тестовых задач.

    Пусть у нас есть панель номинальной мощностью 300 Вт и аккумулятор на 100 А*ч, 12 В. Пусть, при разнородной нагрузке, с разными коэффициентами мощности устройств, мы рассчитываем получить от аккумулятора 1050 Вт*ч. И нужно нам в день хотя бы 300 Вт*ч, с мая по сентябрь.
    Окинув взглядом диаграммы по месяцам, https://www.forumhouse.ru/attachments/6567873/ https://www.forumhouse.ru/attachments/6568090/ мы видим, что наиболее проблемный месяц в этом периоде – сентябрь. Можем мы получить 300 Вт*ч в сентябре – сможем и в остальные нужные месяцы. Вот сентябрем мы и займемся.
    Наша система 300 Вт мощности – 1050 Вт*ч аккумулятора описывается на диаграмме прямой линией 1:3.5 (=1050/300), это белая пунктирная линия на рисунке. Например, при потреблении 300 Вт*ч, энергообеспеченность (ЭО) будет 1, а емкость в днях 3.5, при потреблении 600 Вт*ч – 0.5 и 1.75, и т. п.
    bad201.png
    Что мы видим:
    - мы можем уверенно рассчитывать в сентябре на 300 Вт*ч (верхняя круглая белая точка). Темно-зеленая зона – это суммарное отсутствие электричества не более 1 дня в самый плохой месяц за 28 лет. Я буду предполагать, что попадания расчетной точки в эту зону достаточно, чтобы при «обычной» погоде мы пользовались электричеством без перебоев.
    - от имеющейся системы можно безбоязненно брать и чуть больше, чем 300 Вт. Например, возьмем на прямой точку с ЭО 0.85, она тоже попадает в темно-зеленую зону (белая звездочка). Дневное потребление, соответственно, будет 300/0.85, около 353 Вт*ч.
    - если мы попытаемся брать от системы в два раза больше (600 Вт*ч, нижняя круглая белая точка 0.5-1.75), то в плохом месяце суммарное число дней без электричества около 9. На практике, это будет означать, что проблемы будут почти каждый день – где-то на день не хватит 10%, где-то 30%, а где-то и 90%.
    - если мы отмасштабируем систему в несколько раз, например возьмем вторую такую же панель и второй аккумулятор, то мы окажемся на той же характеристической прямой, в той же самой точке, только возможное дневное потребление кратно увеличится.
    - если мы оставим единственный аккумулятор, но добавим вторую 300-ваттную панель, мы перейдем на более низкую кривую (желтый пунктир). Желтая точка соответствует потреблению 600 Вт*ч и длительность перебоев будет около 3-х дней. Сместившись по прямой вправо, к ЭО примерно 1.2, мы получим, что от системы с двумя панелями можно безбоязненно брать около 500 Вт*ч в день.
    - если мы удвоим емкость аккумуляторов, то перейдем на другую (более высокую) прямую, показанную голубым пунктиром. Голубая точка показывает, что будет при попытке брать от системы 600 Вт*ч, добавив второй аккумулятор. Суммарная продолжительность перебоев будет около 5 дней, что не очень хорошо.
    Придется заглянуть на диаграмму, выполненную в другом масштабе. Безопасную точку мы найдем при ЭО примерно 0.66, то есть при потреблении 450 Вт*ч.
    bad202.png
    Соберем округленные результаты системы с 1-2 панелями по 300 Вт, и с 1-2 аккумуляторами 100 А*ч, в таблицу.
    bad200.png
    Каким путем выгоднее пойти, если требуется нарастить дневное потребление – Вам решать.

    А мы еще попробуем теоретически найти оптимальную по цене конфигурацию, которая обеспечивает в сентябре требуемое потребление электроэнергии.
    Шаг 1. Аппроксимируем границу выпуклой «безопасной области» ломаной, координаты вершин указаны на рисунке.
    bad203.png
    Для панели заданной мощности, линии границы соответствует своя кривая, в координатах «Дневное потребление – емкость аккумуляторов». Выше кривой - "безопасно", ниже - есть риск перебоев в энергоснабжении.
    bad204.png
    На каждой кривой – две точки перелома, соответствующих углам «безопасной области».
    Шаг 2. Сделаем смелое предположение, что стоимость системы линейно зависит от мощности панели и емкости аккумулятора, т. е. прибавление 1 Вт мощности панели, или 1 Вт*ч емкости аккумулятора стоит фиксированную сумму. На самом деле, это, конечно, не так: при наращивании мощности или емкости возникают проблемы дискретности модельного ряда, по мере увеличения размеров системы, нужно менять сетевые инвертеры и прочее вспомогательное оборудование. То есть, на каких-то уровнях ценя изменяется скачкообразно. Но, между этими уровнями, есть довольно большие промежутки, где изменение цены можно считать линейным. В качестве первого приближения, такое предположение можно опробовать.
    Как известно из линейного программирования, оптимальное значение линейной функции достигается в одной из вершин области допустимых решений (выпуклого многоугольника или n-мерного многогранника). В какой из вершин, (0.80;2.93) или (1.17;1.92) будет достигаться минимум, зависит от соотношения цены прироста мощности и цены прироста емкости.
    Если мы для панели конкретной мощности построим кривую «Дневное потребление – стоимость системы на основе этой панели», то кривая тоже будет иметь две точки перелома.
    Посмотрим, например, на кривые стоимости системы, при цене прироста мощности 40 руб/Вт, и емкости 7 руб/Вт*ч, для нескольких мощностей панели:
    bad205.png
    Минимальная стоимость достигается в правой точке перелома одной из кривых. Изменим соотношение цен, возьмем, вместо 40 и 7 рублей, 30 и 15.
    bad206.png
    Теперь, минимальная стоимость достигается в левой точке перелома одной из кривых.

    То есть, в предположении линейной (окололинейной) зависимости цены от мощности и емкости, алгоритм у нас будет простой.
    1. Определяем требуемое дневное потребление, например, 500 Вт*ч в день.
    2. Считаем стоимость двух конфигураций системы (точнее, ближайших к ним доступных):
    2.1 Мощность СП = 500*0.8 = 400 Вт, емкость аккумуляторов = 2.93*500 = 1465 Вт*ч
    2.2 Мощность СП = 500*1.17 = 585 Вт, емкость аккумуляторов = 1.92*500 = 960 Вт*ч
    3. Выбираем, какой из вариантов дешевле. :victory:

    При желании, можно построить немного более точную границу «безопасной области», например, заменить вершину (1.17;1.92) на две (ориентировочно, (1.12;2.05) и (1.3;1.8), но принцип останется неизменным.

    Еще, нужно попробовать сделать диаграммы в других координатах - я поделил емкость и мощность на дневное потребление, а можно было емкость и дневное потребление поделить на мощность СП. Нужно посмотреть, вдруг с ними работать будет нагляднее.
     
    Последнее редактирование: 07.06.19
  12. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Применение знаний в хозяйственных целях. :aga:

    В продолжение вот этого: https://www.forumhouse.ru/posts/23972154/. Собрался в следующие выходные ставить антенну для цифрового ТВ. Подготовился:
    - нашел список передатчиков;
    - сориентировался по карте, какой нужен азимут установки антенны;
    - посчитал на калькуляторе, для своих координат, в какой момент времени засекать ориентацию на Солнце;
    - для наглядности, сделал себе картинку
    tv001.png
    Надеюсь, все получится. :)
     
  13. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Ликвидация мелких недоделок.

    Год подходит к концу, самое время закрыть известные недоделки, и уйти на отдых со спокойной совестью. Итак, напомню, что у нас было в этой теме из калькуляторов:
    1. Самые первые калькуляторы солнечной радиации для Москвы и МО. Сначала для одной панели, потом для четырех вертикальных (для окон). На мой взгляд, неудобные в использовании, ограниченные по ориентациям панели и дающие мало информации, но их до сих пор загружают. Видимо, людям лень читать всю тему, и они берут первое, что попалось на глаза. :(
    Надо бы добавить в первом сообщении комментарий и ссылки на более продвинутый калькулятор для Москвы, но жалко модератора. Сейчас соответствующие полномочия имеет один человек, на несколько десятков больших разделов.
    2. Калькулятор солнечной радиации БК-001, для большого региона на юге европейской части России. Регион расположен южнее Москвы, захватывает также восток Украины. Более подробно, тут:
    https://www.forumhouse.ru/posts/23445529/
    Калькулятор содержит данные для 31 метеостанции, и, для заданного местоположения, интерполирует данные с ближайших соседних метеостанций, с поправками на продолжительность дня и высоту Солнца над горизонтом. При желании, можно «руками» выбрать произвольную комбинацию данных с 4-х метеостанций.
    Для прибрежных и горных районов, такой подход достаточно сомнителен, но на равнине должен давать относительно пристойный результат. С другой стороны, если у Вас нет метеостанции в соседней деревне, выбора особенного и нет. Этим способом, можно получить хотя бы примерную оценку своей ситуации, ориентируясь только на широту и долготу.
    3. Калькулятор солнечной радиации для Москвы и Московской области. Содержит подробную модель радиации, дает достаточно много наглядной информации. На базе имеющейся модели, можно будет когда-нибудь дописать раздел для поворотных панелей и трубчатых коллекторов (пока, мне кажется, это потребности единичных пользователей).
    Калькулятор существует в двух версиях:
    - первоначальная МК-001, с графиками и расчетами для выбранного периода внутри года и внутри выбранного дня: https://www.forumhouse.ru/posts/23777304/
    - расширенная МК-002, с добавлением исторических данных за 27 лет, и возможностью просмотра и элементарного анализа исторических данных за произвольные 3 месяца: https://www.forumhouse.ru/posts/23893189/

    Так вот, никто не жаловался, но я то знаю (обнаружил при одном из расчетов), что в районе 1 апреля 2013 года в исторических данных есть сбой, вызывающий рассинхронизацию на 1 день данных по суммарной и рассеянной радиации (внутри 2013 года).
    Я решил исправить эту погрешность, ликвидировать известную мне недоделку, и выложить более правильный файл, под именем МК-002-02.
    В приложенных файлах:
    - исправленная версия калькулятора для Москвы;
    - (на всякий случай) исходная версия калькулятора для южного региона, и инструкция к ней.

    Вообще, в теме (на мой взгляд) много интересных графиков и диаграмм. Кому любопытно – читайте, смотрите, считайте, задавайте вопросы.
    Всем успехов в 2020 году, и доброго Солнца! :hndshk:
     

    Вложения:

    Последнее редактирование: 25.12.19
  14. mfcn
    Регистрация:
    15.04.11
    Сообщения:
    12.679
    Благодарности:
    8.708

    mfcn

    Живу здесь

    mfcn

    Живу здесь

    Регистрация:
    15.04.11
    Сообщения:
    12.679
    Благодарности:
    8.708
    Адрес:
    Москва
    Дык в чем проблема? Есть приведенное R окна, среднемесячная температура на улице, расчетная внутри...
    Считать R окна исходя из таблиц можно. Но там не только пакет, а еще профильная система, неизбежный мостик холода по фальцу стеклопакета. Лезть в эту глубокую кухню можно, но можно и пользоваться данными окон от поставщиков или результатами испытаний, в том числе сделанными у нас.
     
  15. SergeChe
    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238

    SergeChe

    Живу здесь

    SergeChe

    Живу здесь

    Регистрация:
    25.12.14
    Сообщения:
    2.568
    Благодарности:
    4.238
    Адрес:
    Москва
    Собственно, проблему я описывал вот здесь https://www.forumhouse.ru/posts/25359242/
    Давайте, расскажу еще раз. Пусть, Вы участник из Крыма, и Вы хотите сравнить 2-3 варианта выбора остекления (рам и стеклопакетов) для своего нового дома. Насколько они будут экономичны и комфортны для проживания. Какая разница в расходах на отопление зимой, и какая разница в теплопоступлениях летом.
    Что сейчас нужно для этого сделать:
    1. Пойти в калькулятор светопрозрачных конструкций и посчитать в нем все варианты остекления.
    2. Выписать для каждого окна и каждого варианта площадь оконного проема, площадь светопрозрачной части и значение сопротивления теплопередаче.
    3. Перейти в калькулятор ограждающих конструкций, выписать оттуда среднемесячные температуры для своего региона.
    4. Исходя из площади проема и значения сопротивления, посчитать (приближенно, значащих цифр мало) помесячные теплопотери через окна, результаты сгруппировать по вариантам и просуммировать.
    5. Найти где-то в интернете значения SF для нескольких типов стеклопакетов.
    6. Загрузить калькулятор типа БК, задать в нем ориентации стен и суммы площадей светопрозрачных частей окон для каждой стены, получить помесячные поступления солнечной радиации.
    7. Умножить поступление радиации на SF и сложить с теплопотерями.
    В итоге, получим раскладку по месяцам (теплопотери, поступление от радиации, итого) для наших 2-3 вариантов, и примем обоснованное решение.
    Не каждый участник наберется сил дойти до середины этого списка, а более простых путей я не знаю :(

    Вопрос к Сэйлору был про то, нельзя ли выдавать в калькуляторе СПК помесячную раскладку теплопотерь. Это убрало бы из списка пункты 3 и 4 (даже просто показать в калькуляторе СПК среднемесячные температуры - убрало бы пункт 3).
    И нельзя ли вместе со стеклопакетом, для информации, показывать значение SF. Это убрало бы пункт 5. Обычно, данные по сопротивлению и SF пакета идут вместе, нужно только занести в базу дополнительное число.

    Вот в этом и проблема, как минимальными средствами сократить процесс до приемлемого количества шагов. Как облегчить сведение вместе данных из двух (сейчас даже трех) калькуляторов.
     
    Последнее редактирование: 14.01.20