Теоретический расчет и исследование естественной освещенности комбинированных гелиоустановок с прозрачным пленочным покрытием

В работе изучены процессы переноса и преобразования энергии при радиационном теплообмене в ограждениях солнечных установок, с учетом поглощения и рассеяния лучистой энергии в полупрозрачных средах и спектральности оптических характеристик.

Как известно, на ограждающих прозрачных поверхностях низкопотенциальных гелиоустановок (теплицы, сушилки, опреснители-овощехранилище) образуется капельная конденсация, которая оказывает значительное влияние на радиационные характеристики прозрачного ограждения. Для выявления количественного и качественного влияния капельной конденсации на радиационный баланс на поверхностях ограждения необходимо иметь спектральные и интегральные оптические характеристики прозрачного ограждения, покрытого капельным конденсатом. В известной нам литературе отсутствуют данные о влиянии капельной конденсации на оптические свойства прозрачных ограждений гелиотеплиц [1, 2, 3].

В работе приводятся результаты многолетных измерений падающей суммарной солнечной радиации в условиях г. Карши, для расчета входящих солнечной радиации в гелиотеплицы с полуцилиндрическим прозрачным покрытием и методика определения естественной освещенности важной светотехнической характеристики гелиотеплицы. Зависимости падающей и входящей солнечной радиации в гелиотеплицы от угла падения а также освещенность последней дается в виде графиков рис. 1 и таблиц 1, 2.

С целью составления теплового баланса гелиоустановок и расчета количества тепла, вносимого за счет солнечной радиации, необходимо данные о количестве падающей на гелиоприемник суммарной солнечной радиации, которое определяется из выражения

где S_Н, S_D — плотности направленной солнечной и диффузной радиации.

Известно [1, 2], что для любой широты, времени для периода года и ориентации поверхности высоты стояния солнца определятся по формуле

 (1)

где - географическая широта местности, град. - угол солнечного склонения, град.  — часовой угол, отсчитываемый от истенного полудня.

Величина угла склонения может иметь предельные значения . Наибольшая высота стояния солнца для каждой местности определяется по формуле

,                                                                             (2)

где 23,5- широта тропика (параллельная экватору), град.

Количество тепла, поступающего от солнечной радиации на плоскую поверхность, гелиоустановок составляющую с горизонтом угола  равна

; т.е

                                                                (3)

Следовательно, величина падающей солнечной радиации равна величине солнечной радиации для данной географической широты, так как в этом случае плоская поверхность гелиоприемника перпендикулярна направлению солнечного луча. Для поверхностей составляющих с горизонтом углы  и , солнечная радиация будет соответственно уменьшатся.

Вследствие наклона гелиоприемника диффузная радиация, отраженная от неба, попадает на приемник не от всей небесной полусферы, а лишь от некоторой ее части т. е.

.                                                                    (4)

Суммарная солнечная радиация составляет

,                                                (5)

где - угол между направлением солнечных лучей и нормалью к плоскости приемника определяемого по выражению

.                                (6)

Здесь E_H, E_D — плотности направленной и диффузной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность соответственно.

Приход солнечной радиации на перпендикулярную солнечным лучам поверхность, замеряли на гелиоплощадке Каршинского госуниверситета актинометром АТ-50 в комплексе со стрелочным гальванометром ГСА-1.Замеры приходов суммарной радиации на горизонтальную поверхность диффузной солнечной радиации производились пиранометром и альбедометром АГ 3х3.

Для пункта Карши  вычислены результаты измерений [5], по определению количества ежегодно падающей суммарной радиации на горизонтальную поверхность и представлены в виде графиков рис.1. Жирной сплошной линией на этом рис.1. показано среднее значение подающей солнечной радиации за последные 10 лет.

Как видно из рисунка, отклонение максимума и минимума от средней величины не превышает более 10–12 %, что свидетельствует о более стабильном характере прихода солнечной радиации в условиях г.Карши.

Рис. 1. Количество ежегодно падающей средней суммарной солнечной энергии на горизонтальную поверхность (1998–2008г.г.).

В последнее время во многих южных районах республики строятся теплицы и парники, имеющие в основном форму полуцилиндра, покрываемые прозрачной пленкой как в госуниверситете.

Для исследования естественной освещенности и радиационного режима в 2012–2013 годах при Каршинском госуниверситете построена и испытана гелиотеплица с полуцилиндрическим прозрачным покрытием с полезной площадью 100 м² с ориентацией юг-север.

Известно, что естественная освещенность является одной из важных характеристик, широко используемых как в исследовательской, так и в практической деятельности при проектировании и эксплуатации гелиотеплиц. Нами при исследовании гелиотеплиц систематически производились актинометрические расчеты и измерения. (S-прямая, D-рассеянной, Q-суммарной солнечной радиации) [4, 5].

Следовательно, целесообразно определение освещенности гелиотеплиц производить путем расчета по актинометрическим данным, полученных расчетным путем и путем прямых измерений.

На основании результатов измерений и вычислений приводим расчет входящей солнечной радиации в гелиотеплиц полуцилиндрическим прозрачным пленочным покрытием таблицы 1 и 2.

Мощность прямой солнечной радиации, падающей на элементарную полосу полуцилиндра параллельной его оси равна

                                                               (7)

где S — прямая солнечная радиация,  — длина и радиус полуцилиндра,  — угол между горизонтом и нормалью к элементарной полосе полуцилиндра,  — угол падения солнечных лучей на элементарную площадку.

Мощность прямой солнечной радиации, входящей в гелиотеплицы через элементарную полосу равна

,                                                                        (8)

где К_вх –коэффициент вхождения лучистой энергии, падающей под углом i.

Интегрируя (8) от нуля до , находим

,                                                       (9)

где - угол между горизонтальной линией, перпендикулярной теплицы и парнику и перпендикуляром, восстановленным на поверхности полуцилиндра в точке касания солнечного луча.

Поскольку К_вх является сложной функцией и зависит от многих оптических и метеорологических параметров, решение подынтегральное выражение усложняется. Поэтому интеграл (9) заменяем суммой

                                           (10)

Принимаем угол ,

Зависимость  определяем опытным путем для 1-слойного и 2-слойного пленочного покрытия теплицы таблицы 1, 2 при помощью актинометра по формуле

,

где S_i — прошедшая через пленку солнечная радиация при угле падения i.

Таким образом, зная величину , по формуле (10) находим мощность прямой солнечной радиации, входящей в гелиотеплицы полуцилиндрического типа в различное время суток. Суммируя, определяем

                                                                          (11)

Общая энергия, входящая в гелиотеплицу, равна

.                                                                       (12)

Осредненные значения световых эквивалентов (клк, кал.см^-2.мин^-1)

Таблица 1

Результаты измерений и расчетов вхождения суммарной радиации и освещенности в гелиотеплице и парнике для характерных дней.

Таблица 2

22 / ХII		23/II		23 /III		17/ IV
квтч		квтч		квтч		квтч
Через однослойное плёночное покрытие	00	121	587,7	144	682,5	146	692,2	153	725,4
	150	122	578,4	135	640	132	625,8	147	696,9
	300	90,2	427,6	100	474,1	121	573,7	129	611,6
	450	60	284,5	85	403	89	421,9	95	450,4
	600	27	128	41	194,4	54	256	70	331,8
	750	-	-	20	94,8	26	123,3	28	132,7
	850	-	-	-	-	5,5	26	14	66,3
	900	-	-	-	-	-	-	3,5	16,5
	Всего	845 (825,4)	4006,4	1030 (975,6)	4883,6	1147 (1154)	5438,3	1279 (1229,2)	6064,2
Через двухслойное плёночное покрытие	00	90	426,7	110	521,5	112	531	116,5	552,4
	150	86	407,7	100	474,1	107	507,3	105	497,8
	300	62	293,9	81	384	93	440,9	90	426,7
	450	47	222,8	52	246,5	55	260,7	57	270,2
	600	12	50,8	19	80	28	132,7	30	142,2
	750	-	-	5	23,7	8,5	40,3	12	56,8
	850	-	-	3	14,2	7	33,2	8	37,9
	900	-	-	-	-	-	-	5	23,7
	Всего	600 (586,2)	2844,8	740 (700)	3508,6	821 (838,2)	3892,6	847 (906)	4015,9

Значение в скобках — расчётные данные.

Следует отметить, что предлагаемую методику расчета входящей солнечной энергии через прозрачную полуцилиндрическую поверхность можно применить и для других гелиоустановок с полуцилиндрическими поверхностями.

Для расчета освещенности, необходимо полученные актинометрические значения ,  или  для поверхности любой ориентации за данный срок умножить на соответствующий световой эквивалент, взятый из [2].

Средняя погрешность полученного значения Е_Q, Е_S или Е_Dпри этом обычно не превышает 10 %.Для приближенных расчетов освещенности при высотах солнца более 10⁰ можно пользоваться одним световым эквивалентом, равным для прямой радиации 65, суммарной -70 и рассеянной — 75 клк на 1 кал х см^-2 мин^-1.

Литература:

1.                       К. Я. Кондратьев. Лучистая энергия солнца. Л. Гидрометиздат. 1954г. стр. 324–327.

2.                       Н. П. Русин. Прикладная актинометрия. Л. Гидрометиздат. 1979 г.

3.                       Вардияшвили А. Б., Теймурханов А. Т., Ким В. Д. Экспериментальное исследование тепловых процессов в буферной прозрачной изоляции гелиотеплицы. //Гелиотехника. Ташкент «ФАН» АН РУз.-1981 г. № 6. –С. 32–35.

4.                       Вардияшвили А. Б., Муродов М. О., Ким В. Д. Солнечная теплица полуцилиндрического типа с пленочным покрытием. //Гелиотехника. Ташкент «ФАН» АН РУз.-1982 г. № 1. –С. 50–52.

5.                       Вардияшвили Аф.А., Мухаммадиева Х. Температурно-влажностный и световой режимы солнечной теплицы с использованием нетрадиционных источников энергии. матер.респуб.научно-прак. конфер. 24–25 декабрь 2008 г. КарГУ, г. Карши, -с. 50–53