Режим солнечной радиации на территории Республики Башкортостан
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ 7
1.1. Солнечная радиация 7
1.2. Приход солнечной радиации к земной поверхности 8
1.3. Прямая солнечная радиация 9
1.3. Рассеянная солнечная радиация 10
1.4. Суммарная солнечная радиация 11
1.5. Отраженная солнечная радиация 12
1.7. Радиационный баланс земной поверхности 13
1.8. Распределение солнечной радиации по земному шару 14
1.9. Закономерности суточного и годового хода солнечной радиации 16
ГЛАВА 2. ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ 19
2.1. Физико-географическое положение республики Башкортостан 19
2.2. Климатические характеристики республики Башкортостан 21
2.3. Характеристика исходных данных 22
2.4. Пространственно - временное распределение продолжительности солнечного сияния 24
2.5. Пространственно - временное распределение прямой радиации 27
2.6. Пространственно - временное распределение рассеянной радиации 40
2.7. Годовой и суточный ход суммарной радиации 47
2.8. Суточный и годовой ход радиационного баланса подстилающей поверхности 50
ГЛАВА 3. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КАДАСТР 53
3.1. Обзор исследований по составлению кадастров солнечной энергии 53
3.2. Годовой и суточный ход облачности 57
3.3. Исследование полученных рядов специализированных показателей гелиоэнергетического
климатического ресурсов 59
ГЛАВА 4.ОЦЕНКА БУДУЩЕГО РЕГИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ 64
4.1. Климатические модели CMIP5 64
4.2. Анализ критериев эффективности модели прогнозирования CMIP5 66
4.3. Прогностическая Динамика изменения радиационного режима на территории Республики
Башкортостан в XXI столетии при реализации модели CanESM2 с учетом загрязняющих концентраций 73
4.4. Прогностическая динамика изменения радиационного режима на территории Республики
Башкортостан в XXI столетии при реализации модели CCSM4 с учетом загрязняющих концентраций 81
4.5. Прогностическая динамика изменения радиационного режима на территории Республики
Башкортостан в XXI столетии при реализации модели MIROC5 с учетом загрязняющих концентраций 89
4.6. Прогностическая Динамика среднегодовых значений солнечной радиации на территории
Республики Башкортостан в XXI столетии 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
Список литературы 105
Приложение 108
ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ 7
1.1. Солнечная радиация 7
1.2. Приход солнечной радиации к земной поверхности 8
1.3. Прямая солнечная радиация 9
1.3. Рассеянная солнечная радиация 10
1.4. Суммарная солнечная радиация 11
1.5. Отраженная солнечная радиация 12
1.7. Радиационный баланс земной поверхности 13
1.8. Распределение солнечной радиации по земному шару 14
1.9. Закономерности суточного и годового хода солнечной радиации 16
ГЛАВА 2. ПРОСТРАНСТВЕННО - ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ 19
2.1. Физико-географическое положение республики Башкортостан 19
2.2. Климатические характеристики республики Башкортостан 21
2.3. Характеристика исходных данных 22
2.4. Пространственно - временное распределение продолжительности солнечного сияния 24
2.5. Пространственно - временное распределение прямой радиации 27
2.6. Пространственно - временное распределение рассеянной радиации 40
2.7. Годовой и суточный ход суммарной радиации 47
2.8. Суточный и годовой ход радиационного баланса подстилающей поверхности 50
ГЛАВА 3. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КАДАСТР 53
3.1. Обзор исследований по составлению кадастров солнечной энергии 53
3.2. Годовой и суточный ход облачности 57
3.3. Исследование полученных рядов специализированных показателей гелиоэнергетического
климатического ресурсов 59
ГЛАВА 4.ОЦЕНКА БУДУЩЕГО РЕГИОНАЛЬНОГО РЕЖИМА СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ 64
4.1. Климатические модели CMIP5 64
4.2. Анализ критериев эффективности модели прогнозирования CMIP5 66
4.3. Прогностическая Динамика изменения радиационного режима на территории Республики
Башкортостан в XXI столетии при реализации модели CanESM2 с учетом загрязняющих концентраций 73
4.4. Прогностическая динамика изменения радиационного режима на территории Республики
Башкортостан в XXI столетии при реализации модели CCSM4 с учетом загрязняющих концентраций 81
4.5. Прогностическая динамика изменения радиационного режима на территории Республики
Башкортостан в XXI столетии при реализации модели MIROC5 с учетом загрязняющих концентраций 89
4.6. Прогностическая Динамика среднегодовых значений солнечной радиации на территории
Республики Башкортостан в XXI столетии 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
Список литературы 105
Приложение 108
Лучистая энергия Солнца - в основном является единственным источником тепла для поверхности Земли и ее атмосферы. Часть солнечной радиации представляет собой видимый свет. Тем самым Солнце является для Земли источником не только тепла, но и света, что очень важно для жизни на нашей планете. Лучистая энергия Солнца превращается в тепло частично в самой атмосфере, но главным образом на земной поверхности. Здесь она идет на нагревание верхних слоев воды и почвы, а от них уже и воздуха.
Вопросу использования солнечной энергии давно уделяется значительное внимание как, в нашей стране, так и за рубежом. Особое значение данная проблема приобрела в настоящее время, когда с развитием и повышением эффективности использования традиционных топливно-энергетических ресурсов появилась необходимость в привлечении новых источников энергии, таких, например, как солнце. Солнечная энергия характеризуется, прежде всего, постоянной возобновляемостью, и ее использование не сопровождается вредным воздействием на окружающую среду. Вместе с тем широкое применение солнечной энергии наталкивается на существенные трудности, которые связаны с малой плотностью потока этой энергии и рассеянием по большой территории. Для их преодоления изыскиваются различные способы концентрации энергии на небольшой поверхности и аккумуляции ее в целях превращения в другие виды энергии (тепловую, механическую, электрическую).[2]
Целью работы является изучение пространственно-временного распределения характеристик солнечной радиации и получение ряда специальных показателей гелиоэнергетических климатических ресурсов на территории республики Башкортостан.
Для достижения поставленных целей решались такие задачи:
1. Изучение теоретического материала и литературы по солнечному режиму
2. Исследование пространственного распределения прямой и рассеянной радиации по территории Республики Башкортостан
3. Построение графиков и исследование среднесуточного и годового хода прямой, рассеянной и суммарной радиации
4. Построение графиков и исследование среднесуточного и годового хода радиационного баланса деятельной поверхности
5. Вычисление статистических характеристик продолжительности солнечного сияния таких, как среднемесячное значение и стандартное отклонение.
6. Построение графиков и исследование среднесуточного, среднемесячного и годового хода облачности.
7. Оценка будущего режима солнечной радиации на территории Республики Башкортостан.
Вопросу использования солнечной энергии давно уделяется значительное внимание как, в нашей стране, так и за рубежом. Особое значение данная проблема приобрела в настоящее время, когда с развитием и повышением эффективности использования традиционных топливно-энергетических ресурсов появилась необходимость в привлечении новых источников энергии, таких, например, как солнце. Солнечная энергия характеризуется, прежде всего, постоянной возобновляемостью, и ее использование не сопровождается вредным воздействием на окружающую среду. Вместе с тем широкое применение солнечной энергии наталкивается на существенные трудности, которые связаны с малой плотностью потока этой энергии и рассеянием по большой территории. Для их преодоления изыскиваются различные способы концентрации энергии на небольшой поверхности и аккумуляции ее в целях превращения в другие виды энергии (тепловую, механическую, электрическую).[2]
Целью работы является изучение пространственно-временного распределения характеристик солнечной радиации и получение ряда специальных показателей гелиоэнергетических климатических ресурсов на территории республики Башкортостан.
Для достижения поставленных целей решались такие задачи:
1. Изучение теоретического материала и литературы по солнечному режиму
2. Исследование пространственного распределения прямой и рассеянной радиации по территории Республики Башкортостан
3. Построение графиков и исследование среднесуточного и годового хода прямой, рассеянной и суммарной радиации
4. Построение графиков и исследование среднесуточного и годового хода радиационного баланса деятельной поверхности
5. Вычисление статистических характеристик продолжительности солнечного сияния таких, как среднемесячное значение и стандартное отклонение.
6. Построение графиков и исследование среднесуточного, среднемесячного и годового хода облачности.
7. Оценка будущего режима солнечной радиации на территории Республики Башкортостан.
1. Наибольшая продолжительность солнечного сияния наблюдается в тёплый период, с апреля по август. Максимум часов солнечного сияния наблюдается в летние месяцы и составляет 295 - 303 часов. В холодный период года (ноябрь-январь), характеризующийся малой продолжительностью дня и наибольшей в году облачностью, число часов солнечного сияния не превышает 45 в месяц. В декабре в условиях самого короткого дня наблюдаются минимальные значения продолжительности солнечного сияния, которые составляют всего 25 - 40 часов.
Годовое число солнечного сияния изменяется по территории Республики Башкортостан от 1772 до 1968. В целом за год наибольшее число часов солнечного сияния на территории Республики Башкортостан характерно для Уфы и составляет 1968, наименьшее число часов характерно для северной части республики и составляет 1772 - 1781.
2. В целом в годовом ходе прямой радиации, поступающей на горизонтальную поверхность при ясном небе, наблюдается рост прямой радиации от зимних месяцев к летним, т.е. максимум наблюдается в июне, а минимум - в декабре. Наибольшее количество прямой радиации поступает в южные районы (Кумертау - 8,15 кВт/м2).
Суточный ход прямой радиации идентичен на всей территории республики Башкортостан. Максимальное количество прямой радиации в суточном ходе на протяжении всего года наблюдается в 9 часов по Гринвичу. Минимум определяется временем года (заходом Солнца).
3. Сопоставляя годовой ход прямой и рассеянной радиации в Кушнаренково при ясном небе, можно отметить, что в 06:30, начиная с апреля по сентябрь, и в 18:30 - с мая по август, месячные суммы рассеянной радиации превышают соответствующие значения прямой радиации. В целом, прямая радиация за все месяцы превышает рассеянную радиацию. При этом в наибольшей мере превышение прямой радиации над рассеянной (0,07 - 0,28 кВт/м2) отмечается в июне.
4. В годовом ходе суммарной радиации, рассматриваемой за сроки 06:30 и 18:30, как при ясном небе, так и при средних условиях облачности, наблюдается аналогичная ситуация, с максимумом в июне. В целом, в данные сроки годовой ход суммарной радиации весьма невелик. Суммарная радиация за срок 12:30 имеет хорошо выраженный годовой ход с максимумом в летние месяцы и минимумом в декабре. Суммарная радиация при ясном небе за год на 40 % больше, чем при средних условиях облачности.
5. Максимальная сумма радиационного баланса наблюдается в июне, как при ясном небе (0,19 кВт/м2, 0,58 кВт/м2и 0,05 кВт/м2), так и при средних условиях облачности (0,13 кВт/м2, 0,41 кВт/м2и 0,04 кВт/м2). Однако и в соседние месяцы, радиационный баланс имеет значения близкие к максимальным. К осени в связи со снижением прихода солнечной радиации, уменьшается и радиационный баланс.
6. Годовой ход количества как общей, так и нижней облачности на территории Республики Башкортостан характеризуется минимальными значениями летом. Максимальные значения общей и нижней облачности наблюдаются поздней осенью (ноябрь). В суточном ходе как общей, так и нижней облачности максимум приходится в дневное время, в промежутке между 15 и 18 часами. На дневные часы приходится около 40% от всей облачности. Амплитуда среднесуточного хода общей и нижней облачности не превышает 2 баллов.
7. При сопоставлении с критериями, указанными в таблице 3, было выявлено следующее: Годовая сумма суммарной радиации на территории Республики Башкортостан составила 3964 МДж/м2. Данная годовая сумма суммарной радиации входит в градацию специализированных показателей климатических ресурсов для работы гелиоэнергетических станций (от 2659 до 5019 МДж/м2).
8. Г одовая сумма прямой радиации, поступающая на горизонтальную поверхность по республике составила 1918 МДж/м2. Данные по Кушнаренково находятся в предельно - допустимом интервале, который равен от 768 МДж/м2 до 2859 МДж/м2.
9. В целом, годовая продолжительность солнечного сияния на рассматриваемых пунктах варьируется от 1772 до 1968 часов. Такое количество часов говорит о том, что данные продолжительности солнечного сияния за год по территории Республике Башкортостан входят в рекомендуемый интервал (1040 - 2397 ч) по данным «Энциклопедии климатических ресурсов Российской Федерации» [23].
10. В среднем с апреля по март суточная сумма суммарной радиации составила 16,96 МДж/м2. Данная средняя суточная сумма суммарной радиации за радиационно-теплый период входит в предельно допустимый интервал специализированных показателей климатических ресурсов для работы гелиоэнергетических станций (от 13,9 до 17,8 МДж/м2).
11. Среднее годовое количество общей и нижней облачности входит в ряды специализированных показателей климатических ресурсов для работы гелиоэнергетических установок. В «Энциклопедии климатических ресурсов Российской Федерации» [23] приведен промежуток 5,3 - 7,4 баллов для общей облачности и 2,3 - 5.5 баллов для нижней соответственно. Среднее годовое количество общей облачности (прил.12) на рассматриваемой территории равно 6.6 - 6,9 баллов, в зависимости от широты. Среднее годовое количество нижней облачности составило 4 - 4,2 баллов. Данные цифры, включены в предельно допустимые значения.
12. Число дней без Солнца на территории Республики Башкортостан равно 88 дням. Данное количество дней входит в диапазон данных специализированных показателей климатических ресурсов (от 37 до 137 дня).
13. Отношение суммы суммарной радиации за радиационно-теплый период года к годовой сумме также входит в ряды специализированных показателей климатических ресурсов для работы гелиоэнергетических станций. В РБ годовая сумма суммарной радиации за радиационно-теплый период равна 3108 МДж/м2 и это составляет 78% от годовой суммы. По данным «Энциклопедии климатических ресурсов Российской Федерации» [23] предельно допустимым интервалом считается 65 - 94%. Рассчитанная доля по республики Башкортостан располагается в данном промежутке.
14. В результате исследований разработана и апробирована методика оценки будущего режима солнечной радиации на территории Республики Башкортостан и получены следующие результаты:
• Выбраны наиболее подходящие климатические модели: CanESM2, CCSM4 и MIROC5, которые имеют наименьшие расхождения с климатическими нормами солнечной радиации по данным наблюдениям за совместный период 1979 - 2005 гг.
• На основании этих моделей и наиболее реалистичного климатического сценария RCP 4,5 получено, что наибольшей прирост среднегодовых значений солнечной радиации составил порядка 2 Вт/м2. Для более агрессивного сценария антропогенного сценария RCP8,5 характерна понижение значений на 1 Вт/м2. Что касается наиболее благоприятного сценария RCP2,6 - в целом модели показали повышение солнечной радиации.
15. Рассмотрев ряд специализированных показателей гелиоэнергетических климатических ресурсов, применительно к территории Республики Башкортостан, можно сказать, что на данной территории есть предпосылки для использования гелиоэнергетических установок.
Годовое число солнечного сияния изменяется по территории Республики Башкортостан от 1772 до 1968. В целом за год наибольшее число часов солнечного сияния на территории Республики Башкортостан характерно для Уфы и составляет 1968, наименьшее число часов характерно для северной части республики и составляет 1772 - 1781.
2. В целом в годовом ходе прямой радиации, поступающей на горизонтальную поверхность при ясном небе, наблюдается рост прямой радиации от зимних месяцев к летним, т.е. максимум наблюдается в июне, а минимум - в декабре. Наибольшее количество прямой радиации поступает в южные районы (Кумертау - 8,15 кВт/м2).
Суточный ход прямой радиации идентичен на всей территории республики Башкортостан. Максимальное количество прямой радиации в суточном ходе на протяжении всего года наблюдается в 9 часов по Гринвичу. Минимум определяется временем года (заходом Солнца).
3. Сопоставляя годовой ход прямой и рассеянной радиации в Кушнаренково при ясном небе, можно отметить, что в 06:30, начиная с апреля по сентябрь, и в 18:30 - с мая по август, месячные суммы рассеянной радиации превышают соответствующие значения прямой радиации. В целом, прямая радиация за все месяцы превышает рассеянную радиацию. При этом в наибольшей мере превышение прямой радиации над рассеянной (0,07 - 0,28 кВт/м2) отмечается в июне.
4. В годовом ходе суммарной радиации, рассматриваемой за сроки 06:30 и 18:30, как при ясном небе, так и при средних условиях облачности, наблюдается аналогичная ситуация, с максимумом в июне. В целом, в данные сроки годовой ход суммарной радиации весьма невелик. Суммарная радиация за срок 12:30 имеет хорошо выраженный годовой ход с максимумом в летние месяцы и минимумом в декабре. Суммарная радиация при ясном небе за год на 40 % больше, чем при средних условиях облачности.
5. Максимальная сумма радиационного баланса наблюдается в июне, как при ясном небе (0,19 кВт/м2, 0,58 кВт/м2и 0,05 кВт/м2), так и при средних условиях облачности (0,13 кВт/м2, 0,41 кВт/м2и 0,04 кВт/м2). Однако и в соседние месяцы, радиационный баланс имеет значения близкие к максимальным. К осени в связи со снижением прихода солнечной радиации, уменьшается и радиационный баланс.
6. Годовой ход количества как общей, так и нижней облачности на территории Республики Башкортостан характеризуется минимальными значениями летом. Максимальные значения общей и нижней облачности наблюдаются поздней осенью (ноябрь). В суточном ходе как общей, так и нижней облачности максимум приходится в дневное время, в промежутке между 15 и 18 часами. На дневные часы приходится около 40% от всей облачности. Амплитуда среднесуточного хода общей и нижней облачности не превышает 2 баллов.
7. При сопоставлении с критериями, указанными в таблице 3, было выявлено следующее: Годовая сумма суммарной радиации на территории Республики Башкортостан составила 3964 МДж/м2. Данная годовая сумма суммарной радиации входит в градацию специализированных показателей климатических ресурсов для работы гелиоэнергетических станций (от 2659 до 5019 МДж/м2).
8. Г одовая сумма прямой радиации, поступающая на горизонтальную поверхность по республике составила 1918 МДж/м2. Данные по Кушнаренково находятся в предельно - допустимом интервале, который равен от 768 МДж/м2 до 2859 МДж/м2.
9. В целом, годовая продолжительность солнечного сияния на рассматриваемых пунктах варьируется от 1772 до 1968 часов. Такое количество часов говорит о том, что данные продолжительности солнечного сияния за год по территории Республике Башкортостан входят в рекомендуемый интервал (1040 - 2397 ч) по данным «Энциклопедии климатических ресурсов Российской Федерации» [23].
10. В среднем с апреля по март суточная сумма суммарной радиации составила 16,96 МДж/м2. Данная средняя суточная сумма суммарной радиации за радиационно-теплый период входит в предельно допустимый интервал специализированных показателей климатических ресурсов для работы гелиоэнергетических станций (от 13,9 до 17,8 МДж/м2).
11. Среднее годовое количество общей и нижней облачности входит в ряды специализированных показателей климатических ресурсов для работы гелиоэнергетических установок. В «Энциклопедии климатических ресурсов Российской Федерации» [23] приведен промежуток 5,3 - 7,4 баллов для общей облачности и 2,3 - 5.5 баллов для нижней соответственно. Среднее годовое количество общей облачности (прил.12) на рассматриваемой территории равно 6.6 - 6,9 баллов, в зависимости от широты. Среднее годовое количество нижней облачности составило 4 - 4,2 баллов. Данные цифры, включены в предельно допустимые значения.
12. Число дней без Солнца на территории Республики Башкортостан равно 88 дням. Данное количество дней входит в диапазон данных специализированных показателей климатических ресурсов (от 37 до 137 дня).
13. Отношение суммы суммарной радиации за радиационно-теплый период года к годовой сумме также входит в ряды специализированных показателей климатических ресурсов для работы гелиоэнергетических станций. В РБ годовая сумма суммарной радиации за радиационно-теплый период равна 3108 МДж/м2 и это составляет 78% от годовой суммы. По данным «Энциклопедии климатических ресурсов Российской Федерации» [23] предельно допустимым интервалом считается 65 - 94%. Рассчитанная доля по республики Башкортостан располагается в данном промежутке.
14. В результате исследований разработана и апробирована методика оценки будущего режима солнечной радиации на территории Республики Башкортостан и получены следующие результаты:
• Выбраны наиболее подходящие климатические модели: CanESM2, CCSM4 и MIROC5, которые имеют наименьшие расхождения с климатическими нормами солнечной радиации по данным наблюдениям за совместный период 1979 - 2005 гг.
• На основании этих моделей и наиболее реалистичного климатического сценария RCP 4,5 получено, что наибольшей прирост среднегодовых значений солнечной радиации составил порядка 2 Вт/м2. Для более агрессивного сценария антропогенного сценария RCP8,5 характерна понижение значений на 1 Вт/м2. Что касается наиболее благоприятного сценария RCP2,6 - в целом модели показали повышение солнечной радиации.
15. Рассмотрев ряд специализированных показателей гелиоэнергетических климатических ресурсов, применительно к территории Республики Башкортостан, можно сказать, что на данной территории есть предпосылки для использования гелиоэнергетических установок.
Подобные работы
- Сравнительная характеристика
Дипломные работы, ВКР, экология и природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 4360 р. Год сдачи: 2017