probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2021-23-5-86-99probener-1986Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGЧисленное моделирование воздействий метеосостояния атмосферы на эффективность функционирования солнечных тепловых и электрических станцийSimulation of the impact of the atmospheric weather state on the efficiency of functioning of solar thermal and power plantsМоскаленкоН. И.MoskalenkoN. I.

Москаленко Николай Иванович – д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Энергетическое машиностроение»

г. Казань

Nikolay I. Moskalenko

Kazan

https://orcid.org/0000-0003-4424-7761АхметшинА. Р.AkhmetshinA. R.

Ахметшин Азат Ринатович – канд. техн. наук, доцент кафедры «Энергетическое машиностроение»; ведущий специалист

г. Казань

г. Москва

Azat R. Akhmetshin

Kazan

Moscow

dr.akhmetshin@ieee.orgСафиуллинаЯ. С.SafiullinaYa. S.

Сафиуллина Яна Салаватовна – канд. техн. наук, заместитель директора МБУ «СШОР «Грация» г.Казани

г. Казань

Yana S. Safiullina

Kazan

ДодовИ. Р.DodovI. R.

Додов Ибрагим Русланович – аспирант кафедры «Энергетическое машиностроение»

г. Казань

Ibragim R. Dodov

Kazan

ХамидуллинаМ. С.KhamidullinaM. S.

Хамидуллина Марьяна Салаватовна – аспирант кафедры «Энергетическое машиностроение»

г. Казань

Maryana S. Khamidullina

Kazan

Казанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian FederationКазанский государственный энергетический университет; Ассоциация «Росэлектромонтаж»РоссияKazan State Power Engineering University; Association «Roselectromontazh»Russian Federation2021090120222358699Copyright © Москаленко Н.И., Ахметшин А.Р., Сафиуллина Я.С., Додов И.Р., Хамидуллина М.С., 20222022Москаленко Н.И., Ахметшин А.Р., Сафиуллина Я.С., Додов И.Р., Хамидуллина М.С.Moskalenko N.I., Akhmetshin A.R., Safiullina Y.S., Dodov I.R., Khamidullina M.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/1986ЦЕЛЬ

ЦЕЛЬ. Определить воздействие метеосостояния атмосферы на эффективность функционирования солнечных тепловых и электрических станций. Моделирование молекулярного поглощения солнечного излучения атмосферой. Моделирование оптических характеристик газовых компонентов атмосферы, атмосферного аэрозоля и облаков.

МЕТОДЫ

МЕТОДЫ. Метод численного моделирования приходящих потоков солнечного излучения в спектральной области их функционирования для определения эффективности солнечных тепловых и электрических станций. Потоки солнечного излучения вычисляются методом сложения слоев в многопотоковом приближении с учетом многоярусного облачного покрова и вероятности перекрытия небосвода облаками. Поглощение излучения газовой фазой атмосферы учитывается методом эквивалентной массы в неоднородной атмосфере. Оптические характеристики дисперсной фазы атмосферы вычисляются с применением теории Ми.

РЕЗУЛЬТАТЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ. Электронная база данных учитывает влияние антропогенного воздействия на потоки падающего на подстилающую поверхность солнечного излучения. Разработанное моделирование учитывает влияние влажности на оптические характеристики атмосферного аэрозоля и его многокомпонентный состав в зависимости от места локализации электрической станции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Обобщена информация необходимая для численного моделирования метеовоздействий на функционирование солнечных тепловых и электрических станций. При вычислении потоков солнечного излучения учитывают прямые засветки световоспринимающей поверхности солнечным излучением, рассеянное излучение атмосферным аэрозолем и облаками.

THE PURPOSE

THE PURPOSE. Determine the impact of the meteorological state of the atmosphere on the efficiency of the functioning of solar thermal and power plants. Modeling the molecular absorption of solar radiation by the atmosphere. Modeling the optical characteristics of the gaseous components of the atmosphere, atmospheric aerosol and clouds.

METHODS

METHODS. A method for numerical modeling of incoming solar radiation fluxes their functioning to determine the efficiency of solar thermal and power plants. The solar fluxes are calculated by stacking layers in a multi-stream approximation, taking into account the multi-tiered cloud cover and the probability of overlapping the sky with clouds. The absorption of radiation by the gaseous phase of the atmosphere is taken into account by the method of equivalent mass in an inhomogeneous atmosphere. The optical characteristics of the dispersed phase of the atmosphere are calculated using the Mie theory.

RESULTS

RESULTS. An electronic database has been created on the optical characteristics of the gaseous components of the atmosphere, the optical characteristics of atmospheric aerosol and clouds. The effect of anthropogenic impact on the flux of solar radiation falling on the underlying surface is taken into account. The developed modeling takes into account the effect of humidity on the optical characteristics of atmospheric aerosol and its multicomponent composition, depending on the location of the power plant.

CONCLUSION

CONCLUSION. The information necessary for numerical modeling of meteorological effects on the functioning of solar thermal and power plants is generalized. When calculating solar radiation fluxes, direct illumination of the light-receiving surface by solar radiation, scattered radiation by atmospheric aerosol and clouds are taken into account.

численное моделированиесолнечные тепловые станциисолнечные электрические станциисолнечное излучениеоптическая характеристика атмосферного аэрозоля и облаковnumerical modelingsolar thermal power plantssolar power plantssolar radiationmodeling of optical characteristicsspectral transmission functionoptical characteristics of atmospheric aerosol and cloudsReferencesOwusu P.A., Asumadu-Sarkodie S. A review of renewable energy sources, sustainability issues and climate change mitigation // Cogent Engineering. 2016. V. 3, Iss. 1. art. no. 1167990.Owusu PA, Asumadu-Sarkodie S. A review of renewable energy sources, sustainability issues and climate change mitigation. Cogent Engineering. 2016; 3(1): 1167990. doi: 10.1080/23311916.2016.1167990.Creutzig F., Agoston P., Goldschmidt J.C., et al. The underestimated potential of solar energy to mitigate climate change // Nature Energy. 2017. V. 2. art. no. 17140.Creutzig F, Agoston P, Goldschmidt JC, et al. The underestimated potential of solar energy to mitigate climate change. Nature Energy. 2017;2: 17140. doi: 10.1038/nenergy.2017.140.Eissa Y., Naseema Beegum S., Gherboudj I., et al. Prediction of the day-ahead clear-sky downwelling surface solar irradiances using the REST2 model and WRF-CHIMERE simulations over the Arabian Peninsula // Solar Energy. 2018. V. 162. pp. 36-44.Eissa Y, Naseema Beegum S, Gherboudj I, et al. Prediction of the day-ahead clear-sky downwelling surface solar irradiances using the REST2 model and WRF-CHIMERE simulations over the Arabian Peninsula. Solar Energy. 2018;162:36-44. doi: 10.1016/j.solener.2018.01.003.Москаленко Н.И., Хамидуллина М.С., Сафиуллина Я.С. Влияние антропогенных воздействий на работу солнечных электрических и тепловых станций // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2016. № 3-4. С. 29-39.Moskalenko NI, Khamidullina MS, Safiullina YaS. Influence of anthropogenic influences on the operation of solar electric and thermal power plants. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2016;3-4:29-39. doi: 10.30724/1998-9903-2016-0-3-4-29-39.Фейгельсон Е.М., Краснокутская Л.Д. Потоки солнечного излучения и облака. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1978. 157 с.Feigelson EM, Krasnokutskaya LD. Streams of solar radiation and clouds. Leningrad. Hydrometeoizdat. 1978;157.Casado-Rubio J.L., Revuelta M.A., Postigo M., et al. A postprocessing methodology for direct normal irradiance forecasting using cloud information and aerossol load forecasts // Journal of Applied Meteorology and Climatology. 2017. V.56. Iss. 6. pp. 1595-1602.Casado-Rubio JL, Revuelta MA, Postigo M, et al. A postprocessing methodology for direct normal irradiance forecasting using cloud information and aerossol load forecasts. Journal of Applied Meteorology and Climatology. 2017;56(6):1595-1602. doi: 10.1175/JAMC-D-16-0297.1.Thomas J.A. Optimisation Method for the clear sky PV forecast using power records from arbitrarily oriented panels // 7th International IEEE Conference on Renewable Energy Research and Applications. 2018. pp. 117-123. art. no. 8566993.Thomas JA. Optimisation Method for the clear sky PV forecast using power records from arbitrarily oriented panels. 7th International IEEE Conference on Renewable Energy Research and Applications. 2018;117-123. doi: 10.1109/ICRERA.2018.8566993.Melzi F.N., Touati T., Same A., et al. Hourly solar irradiance forecasting based on machine learning models // 15th IEEE International Conference on Machine Learning and Applications. 2016. pp. 441-446. art. no. 7838182.Melzi FN, Touati T, Same A, et al. Hourly solar irradiance forecasting based on machine learning models. 15th IEEE International Conference on Machine Learning and Applications. 2016;441-446. doi: 10.1109/ICMLA.2016.186Москаленко Н.И., Родионов Л.В., Хамидуллина М.С. и др. Численное моделирование радиационного теплообмена // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2015. № 1-2. С. 33-43.Moskalenko NI, Rodionov LV, Khamidullina MS, et al. Numerical modeling of radiation heat transfer. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2015;1-2:33-43. doi: 10.30724/1998-9903-2015-0-1-2-33-43.Кондратьев К.Я., Донченко В.К. Экодинамика и геополитика. Т.1. Глобальные проблемы. СПб. 1992. 1032 с.Kondratyev KYa, Donchenko VK. Ecodynamics and Geopolitics. V. 1. Global problems. SPb. 1992;1032.Tampieri F., Fomasi C. Size distrifution models of fog and cloud droplets in terms of the modified gamma funetion // Tellus. 1976. V. 28. pp. 1584-1593.Tampieri F, Fomasi C. Size distrifution models of fog and cloud droplets in terms of the modified gamma funetion. Tellus. 1976;28:1584-1593.Voyant C., Notton G. Solar irradiation now casting by stochastic persistence: A new parsimonious, simple and efficient forecasting tool // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. V. 92. pp. 343-352.Voyant C, Notton G. Solar irradiation now casting by stochastic persistence: A new parsimonious, simple and efficient forecasting tool. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018;92:343-352. doi: 10.1016/j.rser.2018.04.116.Москаленко Н.И., Паржин С.Н., Хамидуллина М.С. Спектрометрия газовых сред с применением двухлучевой установки на базе спектрофотометра ИКС-24 // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2016. № 5-6. С. 99-109.Moskalenko NI, Parzhin SN, Khamidullina MS. Spectrometry of gaseous media using a two-beam setup based on the IKS-24 spectrophotometer. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2016;5-6:99-109. doi: 10.30724/1998-9903-2016-0-5-6-99-109.Deirmendjian D. Far-infrared and sub-millimeter wave attenuation by clouds and rain // Journal of Applied Meteorology and Climatology. 1975. V. 14. pp. 1584-1593.Deirmendjian D. Far-infrared and sub-millimeter wave attenuation by clouds and rain. Journal of Applied Meteorology and Climatology. 1975;14:1584-1593.Hale G.M., Querry M.R. Optical constrants of water in the 200 nm to 200 mm wavelength region // Applied Optics. 1973. V. 12. № 3. pp. 555-563.Hale GM, Querry MR. Optical constrants of water in the 200 nm to 200 mm wavelength region. Applied Optics. 1973;12(3):555-563.Fan J., Wang Y., Rosenfeld D., et al. Review of aerosol-cloud interactions. Mechanisms, significance and challenges // Journal of the Atmospheric Sciences. 2016. V. 73. Iss. 11. pp. 4221-4252.Fan J, Wang Y, Rosenfeld D, et al. Review of aerosol-cloud interactions. Mechanisms, significance and challenges. Journal of the Atmospheric Sciences. 2016;73(11):4221-4252. doi: 10.1175/JAS-D-16-0037.1Kosmopoulos P.G.,Kazadzis S., Taylor M., et al. Dust impact on surface solar irradiance assessed with model simulations, satellite observations and ground-based measurements // Atmospheric Measurement Techniques. 2017. V. 10. Iss. 7. pp. 2435-2453.Kosmopoulos PG, Kazadzis S, Taylor M, et al. Dust impact on surface solar irradiance assessed with model simulations, satellite observations and ground-based measurements. Atmospheric Measurement Techniques. 2017;10(7):2435-2453. doi: 10.5194/amt-10-2435-2017.Москаленко Н.И., Додов И.Р., Каюмова Г.В., и др. Моделирование радиационных характеристик газовой фазы продуктов сгорания на базе высокотемпературных атласов параметров спектральных линий // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2018. №11-12. С. 65-80.Moskalenko NI, Dodov IR, Kayumova GV, et al. Modeling of radiation characteristics of the gas phase of combustion products based on high-temperature atlases of spectral line parameters. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2018;11-12:65-80. doi: 10.30724/1998-9903-2018-20-11-12-65-80.Fountoulakis I., Kosmopoulos P., Papachristopoulou K., et al. Effects of aerosols and clouds on the levels of surface solar radiation and solar energy in Cyprus // Remote Sensing. 2021. V. 13. Iss. 12. art. no. 2319.Fountoulakis I, Kosmopoulos P, Papachristopoulou K, et al. Effects of aerosols and clouds on the levels of surface solar radiation and solar energy in Cyprus. Remote Sensing. 2021;13(12):2319. doi: 10.3390/rs13122319.Perez R., Lorenz E., Pelland S., et al. Comparison of numerical weather prediction solar irradiance forecasts in the US, Canada and Europe // Solar Energy. 2013. V. 94. pp. 305-326.Perez R, Lorenz E, Pelland S, et al. Comparison of numerical weather prediction solar irradiance forecasts in the US, Canada and Europe. Solar Energy. 2013;94:305-326. doi: 10.1016/j.solener.2013.05.005.Shahsavari A., Akbari M. Potential of solar energy in developing countries for reducing energy-related emissions // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. V. 90. pp. 275-291.Shahsavari A, Akbari M. Potential of solar energy in developing countries for reducing energy-related emissions. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018;90:275-291. doi: 10.1016/j.rser.2018.03.065.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.