ВЛИЯНИЕ ОТРАЖЕННЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ НА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ БАЛАНС НАХЧЫВАНСКОЙ АВТОНОМНОЙ РЕСПУБЛИКИ

 

АННОТАЦИЯ

В статье показаны результаты расчетов, продолжительность и значение энергии солнечных лучей, проходящих на территорию Нахчыванской АР за определенный период времени.

Определено, что коэффициент отражения солнечных лучей зависит от величины преломления данного предмета, от которого они отражаются.

Рассчитаны значения отражения солнечных лучей от стеклянной поверхности плоского солнечного преобразователя.

Показано, что отражение солнечных лучей в солнечных преобразователях плоского типа на физико-географической территории Нахчыванской АР, которая расположена на котловине, может вызвать изменении температуры и климата, а также нарушении экологического баланса в этом регионе.

ABSTRACT

The article shows the results of calculations of the duration and energy value of solar rays passing into the territory of the Nakhchivan Autonomus Republic for a certain period of time.

It has been determined that the reflectance of solar rays depends on the amount of refraction of the given object from which the solar rays are reflected, Calculated values of reflection of solar rays from the glass surface of flat solar converter.

It is shown that the reflection of sunlight in flat-type solar converters on the physical-geographical territory of the Nakhchivan Autonomoys Republic, which is located on a basin, can cause changes in temperature and climate, as well as disruption of the ecological balance in this region. 

 

Ключевые слова: солнечные лучи, отражение лучей, фотоэлектрический элемент, температура воздуха, экологический баланс, коэффициент отражения.

Keywords: sun rays, reflection of rays, photovoltaic cell, air temperature, environmental balance, reflections.

 

1. Введение:

Местные особенности климата Нахчыванской Автономной Республики обусловлены высокими горами подстилающей поверхности, создающие микроклимат. Климат Нахчыванской Автономной Республики является сухим и резко-континентальным [3].

Исследуемая территория расположена в пределах высот 720–3917 метров, поэтому изменчивость радиационного баланса территории зависит от абсолютной высоты над уровнем моря, экспозиции и крутизны склонов. Воспринимающая и отдающая энергию поверхность является источником температурных колебаний прилегающих слоев воздуха.

Одним из важнейших факторов формирования климата данной местности является энергия солнечных лучей. Она обусловливает общий приход тепла к деятельной поверхности земли.

В условиях сложного горного рельефа, каким является территория Нахчыванской Автономной Республики, неравномерное распределение энергии солнечных лучей по склонам гор различной экспозиции и высоты приводит к большим микроклиматическим различиям, нагреванию разных участков рельефа.

На основании данных, полученных от местных метеорологических станций и личных наблюдений, установлено, что Шахбузский, Джульфинский, Ордубадский, Бабекский и Шарурские районы имеют разный микроклимат.

При этом, интенсивность солнечного излучения увеличивается при увеличении высоты над уровнем моря.

В основе образования климата Нахчыванской Автономной Республики лежит количество солнечной радиации, общие циркуляционные процессы и местные процессы трансформации свойств воздуха. Радиационный баланс бывает положительный в дневные часы с марта по ноябрь, с декабря по февраль он имеет отрицательные значения.

Одним из главных достоинств горных районов Нахчыванской Автономной Республики является его целебный курортный климат. Одним из таких преимуществ является обилие солнечных дней, чистый и прозрачный воздух гор возле горных рек. Одним из факторов, делающих регион серьезным лечебным центром, является наличие в нем целебных минеральных источников и лекарственных трав.

С этой точки зрения при размещении установок возобновляемой энергии на территории Нахчыванской котловины, следует учитывать экологический баланс региона, здоровье населения, техногенное загрязнение и климатические условия региона и т.д.

2. Экспериментальный процесс:

В атмосферу и подстилающую поверхность земли солнечные энергия поступает в виде трех потоков: прямая (S_п), диффузная (рассеянная) (S_д) и отраженная (S_отр) от поверхности Земли.

На любой локальной территории при прохождении солнечных лучей через атмосферу водяные частицы и частицы пыли в атмосферном воздухе поглощают их. Поэтому, часть солнечных лучей рассеивается или отражается.

Часть солнечных лучей за определенный отрезок времени приходит на земную поверхность в точке А(₀,₀) в виде направленных потоков.

Суммарный поток солнечной энергии (S_с) на поверхность земли в каждый момент времени будет:

S_с (t) = S_п (t) + S_д (t) + S_отр (t)

Максимальную высоту солнца в день летнего солнцестояния для территории Нахчыванской Автономной Республики в точке А(⁰ = 39⁰;⁰ = 45⁰) вычисляем по формуле:

H_max = 90⁰ – ₀ + 23,5⁰ = 90⁰ – 39⁰ + 23,5⁰  = 74,5⁰

Минимальную высоту солнца в день зимнего солнцестояния для территории Нахчыванской Автономной Республики вычисляем по формуле:

H_min = 90⁰ –⁰ – 23,5⁰ = 90⁰ – 39⁰ – 23,5⁰ = 27,5⁰

Интенсивность солнечных лучей за определенный отрезок времени измеряется в Ваттах на 1м², а ее энергия за определенное время – в киловатт-часах, кВт. час/м².

В результате Международных исследований значение «солнечной постоянной» в мире было принято: S = 1367 Вт/м².

На единицу горизонтальной поверхности попадает часть этой энергии, которая вычисляется по формуле:

S_п = S sin h

где: h – уголь падения солнечных лучей.

Вычисляем значение прямых солнечных лучей (S_пл), попадающих на территорию Нахчыванск Автономной Республики во время летнего солнцестояния:

S_пл = S sin h = 1370  sin74,50 = 1370  0,964 = 1320,2 Вт/м²

Вычислим S_пз соответственно для зимнего солнцестояния:

S_пз = S sin h = 1370  sin 27,50 = 1370  0,462 = 632,6 Вт/м²

Коэффициент прозрачности атмосферы (р) на территории Нахчыванской Автономной Республики в зимнее время равен 0,75, а в летнее время – 0,85. Энергию солнечных лучей, непосредственно падающих на любой локальный участок, находим по формуле:

S = S_п  р

Для летнего солнцестояния:

S_пл = 1320,2  0,85 = 1122,17 Вт/м²

Для зимнего солнцестояния:

S_пз = 632,6  0,75= 474,45 Вт/м²

Для территории Нахчыванской Автономной Республики значения рассеянных (диффузионных) солнечных лучей (S_д) равно 2030 MДжоул/м² или 56,4 Вт/м². Тогда для летнего солнцестояния (S_дл) будет равно:

S_дл = 56,4  0,85 = 47,94 Вт/м²

Для зимнего солнцестояния:

S_дз = 56,4  0,75 = 42,3 Вт/м²

Тогда значения солнечных лучей (S_с), попадающих на территорию Нахчыванской Автономной Республики времени летнего солнце состояния:

S_с (t) = S_п (t) + S_д (t)

тогда для летнего солнцестояния (S_сл) будет равно:  

S_сл (t) = 1122,17 + 47,94  = 1170,11 Вт/м²

для зимнего солнцестояния:

S_сз (t) = 474,45 + 42,3 = 516,75 Вт/м²   

Как видно в Нахчыванской Автономной Республике имеется достаточно высокий потенциал солнечной энергии. К настоящему времени основной способ использования солнечной энергии на практике – это осуществление путем преобразования ее в тепловую и электрическую энергию.

Максимальная суточная солнечная энергия Э(кВт час/м²сутки) на территории Нахчыванской Автономной Республике показана в таблице 3:   

Таблица 3.

Максимальная суточная солнечная энергия

Месяц	0   град	Tс  час	Rmax Вт/м2	Э (кВт час/м2     сутки)
I	-20,92	9,6	294,36	1,800
II	-12,95	10,57	459,36	3,092
III	-2,42	11,74	682,44	5,103
IV	9,41	13,02	900,24	7,466
V	18,79	14,13	1050,72	9,457
VI	23,09	14,69	1111,4	10,400
VII	21,18	14,44	1089,0	10,016
VIII	13,45	13,48	976,8	8,387
IX	2,22	11,76	778,8	5,834
X	-9,6	10,95	543,84	3,793
XI	-18,91	9,8	337,92	2,109
XII	-23,05	9,3	242,88	1,438

 

На земной поверхности взаимодействуют два потока излучения: земное (E_з) и поглощенная часть встречного излучения атмосферы (E_а). Разность этих потоков составляет потерю тепла деятельной поверхностью в виде лучистой энергии и называется эффективным излучением (E_эф):

E_эф = E_з – Eа

Эффективное излучение определяется ее температурой и влажностью воздуха деятельной поверхности. С повышением температуры эффективное излучение деятельной поверхности увеличивается. На эффективное излучение большое влияние оказывает облачность. Чем больше количество облаков, тем меньше эффективное излучение.

На высокогорных районах Нахчыванской котловины эффективное излучение составляет около 0,09 кВт/м². С высотой атмосферное давление падает, эффективное излучение возрастает, температура, удельная влажность уменьшается.

Если будет существовать баланс между приходом солнечных лучей на территорию Нахчыванской котловины и ее преобразованием энергии, климат в данной местности останется неизменным. Если этот баланс нарушится, тогда в данном регионе будут происходить изменения климата.

Поскольку климат в котловине наиболее чувствителен при производстве энергии из солнечных лучей, любое необдуманное вмешательство в данную климатическую среду может привести к серьёзным последствиям.

Отношение количества солнечной радиации, отраженной поверхностью земли на локальной местности, к приходящей суммарной радиации называется отражательной способностью или альбедо [4; 5]:

где: R – значения энергии отраженных солнечных лучей;

S – значения солнечных лучей попадающих на территорию.

Значение альбедо земли составляет 26 %, А = 0,26.   

Отражения солнечных лучей в Нахчыванском котловине равно 30 % или 351 Вт/м². Тогда отражательная способность или альбедо, находим по формуле:

Таким образом, как видно, отражение солнечных лучей в определенный период времени плоскими преобразователями на территории Нахчыванской котловины может вызвать изменение альбедо рассматриваемой в статье территории.

Прохождение солнечных лучей за определенный отрезок времени в атмосфере любой локальной территории зависит от поглощения и отражения солнечных лучей химическими аэрозолями, частицами пыли и т. д.

Радиационный баланс (R_б) солнечных лучей, приходящийся на локальном участке земной поверхности площадью 1 м² в Нахчыванской котловине для определенного периода времени находим по формуле:

R_б = (S_п+ S_д)( 1 – A) – E_эф 

где: А – албедо локальной участке земной поверхности;

S_п – прямые солнечные лучи;

S_д – рассеянные (диффузионные) солнечные лучи;

E_эф – эффективное излучение деятельной поверхности.

Из формулы видно, что радиационный баланс (R_б) солнечных лучей в атмосфере любого локального участка земли, зависит от поглощения и отражения этих солнечных лучей.

Если радиационный баланс на локальной территории Нахчыванской котловины останется постоянным, то и температурный баланс и климат этой территории останется постоянным. При нарушении баланса в данной локальной территории могут происходить изменения климата и температуры, а это будет приводит к нарушению экологического баланса, изменению климата и т.д. [2].

Исследуемая территория (Джульфинский район) расположена в пределах высот 1500 –2500 м.  По мере нарастания высоты значения солнечной радиации увеличивался, а температура воздуха снижался, (таблица 4):

Таблица 4.

Значения солнечной радиации (Джульфинский район)

Высота, м.	Месяц
	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
750	5	52	137	226	317	381	403	367	243	136	54	-2
1000	-11	34	129	211	299	351	383	326	253	125	21	-22
1500	-24	17	101	198	283	319	343	311	217	123	9	-34
2000	-45	-2	89	185	261	287	321	293	207	115	-2	-37
2500	-52	-14	71	168	229	259	294	273	201	104	-7	-57

 

Когда солнечные лучи падают на поверхности плоского предмета, в точке падения они меняют свое направление, угол падения и угол отражения солнечных лучей становятся равными (∠ α=∠ β), что называется отражением солнечных лучей.

Значения отражения солнечных лучей зависит от типа предмета, от которого отражаются лучи. В преобразователях энергии солнечных лучей плоского типа используется стекло. В зависимости от толщины и типа стекла значения коэффициента отражения колеблются в пределах 1,4-2,0.

Коэффициент отражения солнечных лучей зависит от значения преломления (R) солнечных лучей предметом, от которого отражаются лучи:

где: n_с – показатель преломления стекла.

Например, если примем n_с = 1,5, то значение (R) будет:

Как видно, значения преломления (R) солнечных лучей любым предметом, зависит от значений коэффициента отражения солнечных лучей. Температура воздуха будет меняться в зависимости от значения преломления (R) лучей предметом.

Для преобразования энергии солнечных лучей в электрическую энергию применяются солнечные фотоэлектрические батареи в виде плоских прямоугольных поверхностей.

По международным стандартам в этих преобразователях:

– КПД составляет 17–18 %.

– максимальная энергия солнечных лучей, попадающих на 1м² площади   рассчитан 800 Вт/м²;

– рабочая температура 25⁰С;

– максимальная температура воздуха 40–45 ⁰С.

При температуре 40–45⁰С эти солнечные преобразователи теряют свою мощность 17–19 % и испарение токсичных ядов распространятся в окружающую среду.

Теоретически в зависимости от типов фотоэлементов номинальная мощность солнечного преобразователя на каждом 1м² площади рассчитана на 200–300 Вт энергии.

На территории Нахчыванской котловины установлены солнечные преобразователи плоского типа производства Китайской Народной Республики. КПД этих элементов составляет 11–12 %.

Мощность этих плоских солнечных преобразователей находим по формуле:

W = _ф F_фS_с

где: _фэ – КПД фотоэлектрических преобразователей – _ф = 0,11

F_ф – площадь фотоэлектрического преобразователя, м².

Находим мощность преобразователя с площадью 1м² для летнего времени:

W_фл = _ф F_фS_сл = 0,1211170 = 140,4   Вт/м²

для зимнего времени:

W_фз = _фF_фS_сз= 0,121516,75 = 62,01  Вт/м²

Таким образом, находим, что мощность преобразователя существенно меньше от расчетного показателя [3].

3. Результаты:

В имеющемся сложном горном рельефе Нахчыванской котловины в зависимости от количества отраженных лучей резко изменяется температура приземной атмосферы. Летом температура воздуха поднимается до 47–48⁰C в тени, при относительной влажности 20 %.

Тепловой баланс приземной атмосферы в Нахчыванской котловине должен остаться постоянным и равным нулю:

R_б + T + T_з.отр + T_в.п  K_в = 0

где: R_б – радиационный баланс;

Т – теплообмен за счет поглощения и передачи тепла воздухом;

Т_з.отр– теплообмен тепла воздуха поверхности земли и тепла отраженных лучей;

T_в.п ; K_в – потери тепла при испарении или превращении пара в воду;

T_в.п – удельная теплоемкость водяного пара;

K_в – масса испарившейся воды или превращенный в воду пар.

Увеличение температуры (Т) сухого теплого воздуха на локальной территории находим по следующей формуле:

Где: ΔQ – поступивший воздух дополнительное тепло;

T – начальная температура воздуха;   

ΔT– повышение температуры воздуха;

с – переход воздуха из одного состояния в другое в атмосфере;  

–увеличение давления воздуха;       

R – удельная газовая постоянная. Зависит от состава воздуха.

Если температура воздуха (T) подстилающей поверхности на локальной территории Нахчыванской котловины оказывается теплее окружающего воздуха (T > T₀), то вертикальное движение тёплого воздуха, ускоряясь, поднимется вверх. Величина данного ускорения равна 3,7 см/сек².

Изменение температуры воздуха приземной атмосферы на локальном участке Нахчыванской котловины находим по формуле:

где: A_л – годовая албедо атмосферы на локальном территории;

Т_л– теплообмен воздуха поверхности земли и тепла отраженных лучей;

Δ Т – изменение температуры воздуха на локальной территории;

Δ А_л – изменение годовой албедо атмосферы на локальной территории;

– энергия отраженных солнечных лцчей в течении года;

Приведенная выше формула применима к сухому воздуху, каким является воздух Нахчыванской котловины.

Таким образом, необдуманное изменение температуры приземной атмосферы на локальной территории Нахчыванской котловины может привести к изменению климата и экологической катастрофе местности [2].

Следует отметить, что на локальном участке изменения климата и температуры может происходить в зависимости от количества частиц пыли в атмосфере местности и количества отражающих солнечных лучей устройств.

4. Выводы:

1. В Нахчыванской Автономной Республике имеется достаточно высокий потенциал солнечной энергии для удовлетворения энергией потребителей. Основным способом использования солнечной энергии является путь преобразования ее в электрическую энергию.

2. Установлено, что климат в Нахчыванской котловине сухой, резко-континентальный и чувствительный. Любое необдуманное вмешательство в него может нарушить баланс и тогда произойдет изменение климата.

3. Установлено, что на климат локальной территории Нахчыванской котловины может влиять температура горячего воздуха, поднимающегося от земной поверхности. Когда температура воздуха окажется теплее окружающего воздуха, то вертикальное движение тёплого воздуха, ускоряясь, поднимется вверх.

4. Резкое изменение температуры на локальном участке Нахчыванской котловины может привести к изменению климата и экологической катастрофе местности.

 

Список литературы:

1. Виссарионов В.И., Дерюгина Г.В., Кузнецова В.А, Малинин Н.К, Расчет ресурсов солнечной энергетики. – М.: Изд-во МЭИ, 1999. – 61 с.
2. Клименко В.В., Клименко А.В., Андрейченко Т.Н. Энергия, природа и климат. – М.: Изд-во МЭИ, 2007. – 247 с.
3. Переведенцев Ю.П. Климат, энергия и экология: учеб. пособие. – Казань: Изд-во Казанского университета, 2004. – 320 с.
4. Умаров Г.Я, Ершов А.А., Солнечная энергетика. – М.: Знание, 2004. – 96 с.
5. Хабутдинов Ю.Г., Шанталинский К.М., Николаев А.А. Учение об атмосфере. – Казань: Изд–во Казанского университета, 2010. – 215 с.