印度南面较潮湿的亚热带气候地区的太阳辐射和最佳倾斜角度的估计外文翻译资料

 2022-12-09 10:12

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印度南面较潮湿的亚热带气候地区的太阳辐射和最佳倾斜角度的估计

摘要：在目前的工作中，估计印度潮湿亚热带气候地区南面平坦面的太阳辐射可用性。位于湿润亚热带气候区的Aligarh（27.89°N，78.08°E）全球弥散太阳辐射进行了三年的测量，并估计月度，季节和年度最佳倾角。对Aligarh和New Delhi（印度首都28.61°，77.20°E）之间的总太阳辐射总量比较，Aligarh和New Delhi的年度最佳倾斜角分别为27.62°和27.95°（接近相应位置的纬度）。与水平面相比，年平均太阳辐射（根据月度，季节和年度最佳倾斜角度）的年均增长分别为12.92％，11.61％和6.51％（Aligarh）和13.13％，11.80％和7.58％（新增德里）。对于每月最佳倾斜角度，与季节和年度最佳倾斜角度相比，对表面的损耗分别为1.16％和5.68％（Aligarh）和1.18％和4.91％（New Delhi）。在研究的基础上，建议倾斜表面必须倾斜每月或季节最佳倾斜角度，以更好地利用太阳能。

关键字：太阳辐射 估计 朝南表面 建模 印度 最佳倾角

1.介绍

由于国内和国外工业能源需求的增加，使得能源消耗增加，容易释放大量影响环境的污染物。太阳能被认为是世界上对常规燃料依赖最完美的解决方案。太阳辐射在地球表面绝对没有任何成本，使其成为能源危机的完美竞争者。

在印度的夏季，全国90％以上的太阳能辐射量大幅度接近3.0-6.5 kWh / ㎡日（10.8-23.4 MJ / ㎡日）（如图1所示）。然而，在夏季5月份，该国北部地区的这一值可达到最大值7.5 kWh / ㎡日（27 MJ / ㎡日）。这种太阳辐射可以用于海水淡化，太阳能热收集器，建筑物加热和采光以及光伏（PV）电池等）。因此，研究人员关注如何使通过进入的太阳辐射可以提取的有用能量达到最大化。 相信这些装置的正确安装可以使观察到的性能发生明显变化。 特定地理区域的主要气候学，纬度，方向，倾斜角，方位角和使用情况都会影响上述设备的性能[3]。

表面的倾斜eth;bTHORN;是影响水平面太阳辐射的重要因素之一。太阳能设备的性能优化需要太阳能跟踪设备的选择，这些设备遵循太阳运动以增强入射辐射的轨迹[4,5]。但是，这些选项并不总是可产生经济效益的。根据Vermaak [6]的估计，倾斜的跟踪系统需要6.94公顷（550％以上），而2轴跟踪系统需要4.81公顷（几乎350％），与装有静态光伏板的工厂相比（需要一个面积1.07公顷）。此外，跟踪器需要定期维护和校准，需要输入能量来进行操作，这种能量在产生的能量的5-10％的范围内[7]。此外，跟踪器由复杂的机械部件组成，增加了太阳能光伏板产生的绝对功率的资本成本和成本增加[8]。研究人员容易提出的其他方法是优化平坦表面在最佳倾斜倾斜度（bopt）的方向[3]。 Vieira等[9]进行了一项实验研究，表明太阳跟踪面板相对于固定面板产生的功率平均增益较低。在Sinha＆Chandel [8]进行的另一项研究中，据报道，横轴每周调整和垂直轴连续调整跟踪系统每年比现有的固定倾斜光伏系统产生的能量更少。可以每天，每月或每年调整最佳倾斜倾斜度，以最大限度地提高使用中的设备的性能[10]。

很明显，对于北半球的一个地区，表面取向应设在南方，即c = 0，其中c是表面方位角。 很明显，最佳倾斜倾角的关系，即bopt纯粹是纬度和方位角[11,12]。在无法获得倾斜优化信息的情况下，通常采用各种经验法则[13]。据此，通过使方位角的变化在10-20°的范围内实现最大的太阳辐射，并使该区域的倾斜角与纬度相等[3]。然而，这样的规则是不可靠的，因为估计值远不及实际值。不同的作者在文献中提出了广泛的最佳倾角相关性。

对欧洲国家，如土耳其的Bakirci [14]和Ertekin [15]等各个地方已经对倾斜角进行了优化。 Stanciu等人[16]罗马尼亚; Hartner等人[17]奥地利和德国; 意大利的Calabrograve;[18] Mehleri等[19]。对于中东国家Kazem等人[20]阿曼; Jafari＆Javaran [21]，Jafarkazemi [22]和Moghadam等人[23]伊朗; 阿拉伯联合酋长国阿布扎比的Jafarkazemi＆Saadabadi [24] Tamimi＆Sowayan [25]沙特阿拉伯利雅得; Benghanem [26]Madinah，沙特阿拉伯; Elminir等人 [27]埃及; Altarawneh [28]和Shariah 29]约旦; Kamal Skeiker [30]叙利亚。对于亚洲国家，Khahro [31]克里希纳（Krishna）[32]曼谷 Handoyo [33]印度尼西亚; 李琳[34]为香港; 唐和吴[35]中国; 由Akachukwu Ben Eke尼日利亚[36]，和加拿大的Siraki＆Pillay [37]。

对于印度，艾哈迈德＆Tiwari [10,12]使用Liu amp; Jordan模型估计最佳倾角，并建议年度最佳倾角约等于纬度。对于冬天，最佳倾斜角被提出为 19°，对于夏天 - 16°。 Shukla等人[38]将测量的太阳辐射数据与六种不同的各向同性和各向异性模型进行比较，以估计印度博帕尔（23°170 N，77°360°E）的倾斜表面上的太阳辐射。他们得出结论：Badescu模型给出了倾斜表面上太阳辐射的最佳估计，最小的统计误差。Pandey和Katiyar [39,40]使用印度勒克瑙（26.75°N，80.50°E）的不同模型对倾斜表面进行漫射太阳辐射的比较研究，并与位置的测量进行比较。根据统计分析，他们得出结论，Klucher的模型给出了最佳的估计。从文献中可以看出，Liu＆Jordan各向同性模型是用于估计倾斜表面上太阳辐射的最广泛使用的方法。

目前的工作旨在探索印度潮湿亚热带气候地区南面倾斜平坦表面（非浓缩）的太阳辐射。 对Aligarh市进行了水平太阳辐射测量。 估计程序是基于Liu＆Jordan（各向同性）模型。 New Delhi（印度首都）的倾斜角度和太阳辐射可用性的最佳值也已被报道，并与对Aligarh市估算进行了比较。 对于这两个位置，都建议季节和年度的最佳倾斜角。已经说明了与水平面相比，以月度，季节和年度最佳倾斜角度获得太阳辐射的可用性。报道了与每月最佳倾斜角度的表面相比，在季节和年度最佳倾斜角度的太阳能损失也是如此。

1.1 正在研究的位置

Aligarh（27.89°N，78.08°E，高于msl 178m）位于印度北部，距离印度首都New Delhi（28.61°，77.20°E，216 m以上msl）140公里，。 这个地区属于潮湿亚热带气候区，干冬季（根据柯本 - 盖格气候分类系统划分为“CWa”）[41]，全年都有大量的太阳辐射。 虽然该地区太阳能利用的潜力很大，但是在水平和倾斜表面上的太阳辐射的精确信息很少可用。

2方法论

2.1 太阳辐射数据

在Aligarh穆斯林大学机械工程系的热转移和太阳能实验室观察到了本研究中使用的太阳辐射数据（总辐射和漫反射辐射）。 使用高质量的气象设备（两个Kipp＆Zonen CMP-11秒标准太阳辐射计，阴影环CMP121-B和Logbox-SD数据采集器）记录数据，如图1所示。

图（1） 印度全球平均日照量

利用太阳辐射计测量太阳辐射评估。 此外，使用阴影环装置测量仪测量扩散太阳辐射，操作比较简单，由于扩散分量值的直接估计和跟踪系统的优点，从而降低了安装和操作成本 [42]。

太阳辐射测量进行并分析了三年（2013年至今），目的是为Aligarh建立太阳辐射数据库。 来自数据记录仪的观测值可作为水平表面的一分钟瞬时太阳辐射值（以W / ㎡计算），

图（2） 用于测量全球和漫反射太阳辐射的太阳辐射计

从中计算出总辐射和漫反射太阳辐射（MJ /㎡-day）的月平均值。从总辐射和漫射太阳辐射的差异中发现光束辐射。

Aligarh城市连续三年测量的月平均太阳辐射数据如图1所示。下标1,2和3分别代表测量年份。据了解，该地区夏季季节第四年（4月）（8.18千瓦时/平方米）收到了5月份观测到的全球太阳辐射最大值（8.27千瓦小时/平方米每天），第二年测量，再次在四月（7.63千瓦时/平方米 - 天）测量第三年。第一年和第二年的一月份期间分别获得最少的太阳辐射量，值分别为4.2 kWhr /㎡和3.9 kWhr / ㎡。然而，第三年观测到最低的是7月份，其全球太阳辐射值为2.73千瓦时/平方米每天。观察到的光束太阳辐射的最大值和最小值是第一年的5.87千瓦时/平方米（4月）和2.27千瓦时/平方米（1月）; 5.84千瓦时/平方米（4月）和11月份为2.27千瓦时/平方米，第二年;第三年为5.38千瓦时/平方米（4月），7月为1.22千瓦时/平方米。然而，弥漫性太阳辐射在7月份的第一年测量中的最大值为3.65千瓦时/平方米，6月份第二年的是2.54千瓦时/平方米日，测量的第三年的8月份为2.44千瓦时/平方米。这是由于印度北部在6月至8月季风季节大雨对辐射的可用性造成不利影响。散射太阳辐射的最小值分别为：第一年，第二年和第三年的九月份，分别为1.50 kWhr /㎡日（12月），1.61 kWhr / 平方米（1月）和1.34 kWhr / 平方米。

Aligarh的全球总辐射和漫射太阳辐射的月平均日平均值如图3所示。

图（3） Aligarh三年测量的月平均太阳辐射数据

图（4） （a）Aligarh和（b）New Delhi月平均太阳辐射数据

而New Delhi的长期太阳辐射数据可从各种公开的文献资源中获得[10,43,44]，如图1所示。从观测数据计算的年平均总辐射和漫反射太阳辐射量分别为22.12 MJ / ㎡·日，14.20 MJ / ㎡·日和7.92 MJ / ㎡·日（或6.14 kWhr / ㎡·日，3.94 kWhr / ㎡-天，2.20千瓦时/㎡ - 天），分别为18.72兆焦耳/平方米 - 天，10.90兆焦耳/平方米 - 天和7.82兆焦耳/平方米 - 天（或5.20千瓦时/平方米 - 天，3.03千瓦时/平方米）日，2.17千瓦时/平方米 - 日）。与其邻近的首都New Delhi相比，Aligarh市的太阳辐射可用性的测量被发现更好。与New Delhi地铁首都城市相比，阿利加尔市的气候条件相当好，年平均清晰度指数（kt）为0.69，较低值为0.60。这是因为New Delhi的污染水平严重得多。

2.2建模

通常参与倾斜表面上太阳辐射估计的参数是赤纬角（d），纬度，入射角（h），表面方位角（c），小时角（x），），全球光束，漫反射和太阳辐射，赤道朝向，倾斜角（b），天空清晰度（kt）和云指数（kd）。 下面描述了在前面研究中遵循的规律。

赤纬角（d）范围从12月21日至22日的最大值 23.45度至12月20日至21日的最小值-23.45度。在今年3月22日和9月22日为零。 根据库珀[45]，使用以下关系计算偏角：

（1）

其中n是一年中的日序数。

在任何方向上取向的表面的入射角可以用数学表示为以下关系式[13]

（2）

对于北半球面向南的表面（即c = 0°），方程 （2）可简化为：

（3）

对于水平面（b = 0°），入射角（h）等于天顶角（hz）。 将该值代入式 （3），天顶角可写为：

（4）

在倾斜表面上接收的总太阳能是直接入射在表面上的光束和漫射辐射的总和，并且反射辐射（由周围环境反射）。 因此，倾斜表面的月平均太阳辐射总量（MJ /㎡日）表示为：

（5）

在数学上，最优倾角（bopt）是通过公式（5）相对于倾斜角（b）并等于零，即

（6）

因此，估计最佳倾斜角（bopt）的值。

在等式 （5）中，落在倾斜表面上的光束辐射为[46]：

（7）

各种研究人员提出了许多分类为各向同性的模型（Liu＆Jordan [47]，Tian [48]，Koronakis [49]和Badescu [50]）和各向异性（Hay [51]，Reindl等[52] ，Hay和Davies，Klucher和Reindl模型[53]，Skartveit和Olseth [54]以及Steven＆Unsworth [55]）来估计斜面上的太阳辐射。 然而，根据唐和吴[35]，测量的漫射太阳辐射数据给出了更好的最佳倾角估计。 在本研究中，已经利用全局和漫反射太阳辐射的测量数据来计算最佳倾角。 Liu＆Jordan（各向同性）模型已被用于估计南面倾斜平面上的太阳总辐射。

根据Liu＆Jordan [47]，光束转换因子eth;Rmacr;bTHORN;给出为：

（8）

倾斜角度和日落时间角关系为：

（9）

反射的辐射落在倾斜的表面上给出

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