TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 80 1 5  ~ 802 1   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.66 96          8015     Re cei v ed  Jun e  18, 2014; Revi sed Septe m ber  16, 201 4; Acce pted  Octob e r 15, 2 014   Emperical Computation of Solar Radiation and  Determination of Regression Coefficients for Khulna  City      Mohammad  Arif Sobha n Bhuiy a n 1 , A bdus Sobha n Bhuiy a n 2 Muhammed Jamshed Alam  Pat w ary 3 * ,  Subrina Ak ter 4 , Mohammad Monjur Ala m 5   Electronic an d Commu nicati on Eng i n eeri n g ,  Sout hern U n i v ersit y  Ba ng la desh, Ch ittago ng 40 00   2 Dept. of Appli ed Ph ysics, El ectronics a nd  Comm. Engi ne erin g, Univers i ty of  Ch ittago ng . Chittagon g.  Ba n g l a de 3,4, 5 Dept. of Computer Scie nc e and En gi neer ing, Internat i o n a l Islamic U n iv ersit y  C h ittag o ng, 154/A C o ll ege  Roa d , Cha w k b azar, Chittag o n g , Bangl ad esh   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l :jap _cse@ iiuc. ac.bd       A b st r a ct   T h is study is  a ccomplis he d to  calcu l ate  glo b a l, di ffuse  an direct so lar ra d i atio n e m p i rica l l y on  hori z o n tal s u rface for the  di vision al  dist rict  “Khuln a  i n  Bang lad e sh (l atitude  22 o47 ΄ N and  lo ngitu d e   89o 34 ΄ E)  as w e ll  as to pr ed ict correl a tions  fo r it by us ing  se veral  meteor ol ogic a l d a ta for  32 ye ars b e tw ee n   198 0 an d 20 1 2 . T he glo bal r adi ation  is fou nd to be  maxi mu m i n  the  month of Apri l a nd  min i mu m in  the   mo nth of D e c e mber  here. T he esti mated  valu es of the  Angstro m s   r e gressi on co nstants a a nd b  are   0.238 8 a nd 0. 5 228 r e spectiv e l y . T he other re gressi on co nstants w e re als o  compute d  a n d  the corre latio n s   prop osed for K hul na ca n b e  u s ed i n  future fo r the esti mati o n  of gl oba l, diffuse a nd d i rect  solar ra di ation  if   the meteoro l o g i cal p a ra meter s  rema in av ail a ble.       Ke y w ords : glo bal ra diati on, di ffuse radiati on,  di rect radi atio n, regressi on c onstant, sol a r         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The e nergy i ndee d play a vital rol e  in  developm ent  and  welfa r e o f  human  bei n g . The r exists a di rect correlation b e twee n the d e velopm e n t of a country an d it s con s u m ption of energy.  Wo rld re se rve of conventi onal  en ergy source s are limited and  w ill be use d  up  once. Therefore ,   the wh ole  wo rld i s  loo k in g  for n on-exh austibl en ergy sou r ce s f o r thei r futu re. Among th e all  non-co nventi onal e n e r gie s , solar en ergy is the  mo st viable  opti on if it can b e  u s ed i n  a  co st  effective ma n ner. M o reove r   sola r e n e r g y  conve r sion  tech nolo g y i s  e n viron m en tally sou nd.  As   the sola r en e r gy intercept ed by the ea rth in on year is  ten times  more than the total fos s il  resou r ces i n cluding  undi scovered  an d u nexplored n o n -r ecovera b le  re serve s  [1],  it is expe cte d   that the prese n t world w id e resea r ch and  developm ent  prog ram o n  solar en ergy will help to solv e   the future en ergy crisi s  of the worl d.   The in stallati on of  sola energy conv ersi on  syste m s ove r  a n y pla c req u ires  cle a informatio n a bout the avail ability of sunl ight for  thei optimal u s e.  Solar  radiatio n is n o t unifo rm   over all  pla c e s  on  the e a rt h whi c h  agai n varie s  from  time to time. Bangla d e s h,  being  situat ed  betwe en 2 0 o 3 4 ΄ a nd 26o3 4 ΄ no rth latitu de, 88o 01 ΄  a nd 92 o41 ΄ ea st longitu de, i s  he avenly gi fted  with abundant sunshi ne for  minimum of  8 months in  a year.  Th eref ore, the prospect  of utilization  of sola r ene rgy is very bri ght. But sola r radi ation da ta are not av ailable in ma ny location of  Banglad esh  due to a b sence o r  ma lfunction  of  mea s uri n g  instrument s. However,  the  meteorologi cal depa rtmen t  of Banglade sh is  re co rd in g the climatol ogical data such a s   sun s h i ne   hour, temp erature, humi d i t y etc. for most of the  di stri cts. The s e  data ca n be  readily u s ed  in  empiri cal  mo dels to  com p ute the  glob al  sol a r ra diatio n an d its com pone nts  at a n y location.  We,  therefo r e, u s ed the s e  dat a to  comp ute  empi rically  the gl obal, dif f use  and  dire ct solar radia t ion   over Khuln a  as well as to  determi ne the  values  of all the regress i on c oeffic i ents  for it.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8015 – 80 21   8016 2. Estimatio n  of Radia t io Many resea r chers throu g h out the world  have  estimat ed the values of solar radi a t ion and  its com ponents for different areas of  the worl d utilizing different formulas [2-12]. Here,  for  estimation  of  global  sol a r radiation  G, th e form ul a p r o posed  by H.P .  Garg  an d S. N. Ga rg [1 3] i s   use d  given b y  Equation (1 ).    (1)                                                                   )  W 0.0055   -   n/N   0.400   +   (0.414   G G at o   Whe r Go i s  the extraterrestrial  ra diati on,  n/N i s  th e ratio  of su n shi ne h our and d a length and  Wat is the at mosp he ric  water co ntent per unit volu me describe d  in Eq (1d). From  geomet rical  con s id eratio n  extraterre strial daily  gl o bal  sola r ra diation  (Go )  on a  ho ri zonta l   surfa c e fo r ea ch statio n is g i ven by Equation (1a )       (1a )                                                  ) W . sin sin + cos.W cos }(cos 4F)/ 0.01163{(2 = G s s o     Whe r e F i s  a  unit of conve r sion fa ctor gi ven in Equati on (1 b),  φ  is the latitude in  radia n s,  δ  is the  solar de clinatio n g i ven in E quat ion  (1e )  a n d   Ws is the  su nset  angl e gi ven in E quati on  (1c )     (1b)                                                                              /365) d   ×   360   cos   0.033   +   (1   60.0   ×   1.95 =   F     (1c)                                                                                               radians   )  tan  tan (-   cos   =   Ws -1     (1d)                                                     ) T   0.0003   +   T   0.0055   +   T   0.3647   +   (4.7923   H   = W 3 2 rel at     And,    (1e)                                                                                             d/365)   (360 sin    (27/60)]   +   [23   =       Whe r T is th e ambi ent te mperature  in  oC fo r the f r a c tional  su nshi ne du ratio n  n / N, Hrel  is the relative  humidity and  d being the n u mbe r  of days after sprin g  equin o x (21 s t march).      For  estimatio n  of diffuse radiation  (D), t he  form ula  propo sed  by M. Hu ssain [1 4] is u s e d   given by Equation (2 ).   ,        (2)                                                                          }   W 0.0025   +   n/N)  x  (0.165   -   {0.306 G   =   D at o     For e s timatio n  of direct or  beam ra diatio n (I),  the subt ractio n metho d  [15] is used  given   by Equation (3).         (3)                                                                                                                                        D   -   =   I     Hen c e it sho u ld be noted  that all the radiati on data a r e estim a ted in the unit of  Kwh/m 2   – day.        3. Dete rmina t ion of Regr ession Coefficient  Angstrom co rrelation [16]  modi fied by Prescott [17], given in Eq (4), for e s tim a tion of  global  radi ation is  gene rall y employed a ll over the  wo rld. So, firstly the value s  of the Re gre s si on   coeffici ents (a and b) a r determi ned fo r Khulna         (4)                                                                                                                        (n/N)   b   +   a   =   G/G o   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Em perical Co m putation of  Solar Radiati on and … (Mo ham m ad Arif  Sobhan Bh ui yan )   8017 Secon d ly, from Page co rrelation [18], given in  Equ a tion (5 ), for diffuse ra dia t ion, the   values of the  correl ation co efficients  (c  a nd d) for thi s  station are de termine d     (5 )                                                                                                                       ) (G/G   d   +   c   = D/G  o     From An gstrom like  co rrelation [19],  giv en in E q uation  (6),  for predi ctin g diffuse  radiatio n over Khulna the va lue s  of the coefficient s c ΄  and  d ΄  ar e  dete r min ed    (6)                                                                                                                     (n/N)   d   +   c   =   D/G o     Thirdly, from   both Pag e  like and A n g s trom like  corre l ations [2 0], given in Eq u a tion (7   and 8 ) , for e s timation of d i rect  sola r ra diation, t he v a lue s  of the  correl ation  co efficients  e, f, e ΄   and f ΄  are det ermin ed for K hulna     (7)                                                                                                                                ) (G/G   f   +   e   = I/G   o     (8)                                                                                                                                                  (n/N)   f   +   e   =   I/ G o   To estimate  d i ffuse and  direct sol a radi ation di rectly from glob al solar radiatio n [21-22],   the values of  the coeffici en ts co, do, eo  and fo are d e t ermine d     (9)                                                                                                                             (n/N)   d   + c   = D/G  o o     (10)                                                                                                                      (n/N )   f   +   e   = I/G  o o       4. Results a nd Discu ssi ons   The fluctu atio ns of mo nthly averag e Glo bal,  Diffuse a nd  Beam sol a ra diation o f   Khulna   throug hout th e year is  sho w n in Fig u re  1. It is  clear from the figure that the first pe ak in t h e   global  sola r radiation o c cu rs in April/M a y (summe r season). In this peri o d, bot h  sun s hi ne h our  and  tem p e r at ure are  hig h . But  the  seco nd  p e a k   o c cu rs  i n   Aug u st (autumn se ason) whi c h   is no so promin ent , due to short sun shi n ing  period al th o ugh there is  high tempe r a t ure availabl e.  Again, in  Nov e mbe r /De c e m ber (winte sea s o n ), tho u gh the r e i s   e noug sun  sh ining p e ri od but  the temperature is lo w. Th erefo r e, it  results in low gl o bal sol a r radi ation.  The diffuse solar  radiatio depe nd s on  relative humidi ty and atmospheri c   wate r conte n t.  It increa se with the de crease of sun  shini ng ho ur   and in cre a se  of atmosph e r ic  water  cont ent.  Therefore, th e diffuse  ra d i ation is  ma ximum in Ju ne/July  (rai n y sea s on ) a nd minim u m  in   De cemb er/ J a nuary (winte r sea s o n ).   The di re ct solar  radi ation  is directly rela ted to  su nshi ne d u rati on an d is, t herefo r e,  maximum in March/April (summ e season)  an d mini mum in July (rainy se ason ).        Figure 1.  Monthly variation of Global, d i ffuse  and b e a m sola r ra di ation on a ho rizontal  surfa c for Khulna   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8015 – 80 21   8018 The yea r  to  year sea s on al fluctuatio n s  of  Go bal  solar  radi ation  and the va ri ation of  annu ally averaged gl obal  sola r radiatio n is sho w n in  Figure 2 an d 3 re sp ectiv e ly. There i s   up  and  down of  global  sol a r radiation  in th e graph  but  no cycli c   patt e rn or  symm etric va riatio n  of  radiatio n is f ound. F r om   Figure 2 it is cl ear  th at the monthly  averag e Gl obal radiatio n is  maximum in the month of  April.        Figure 2. Year to year se asonal variati o n  of Global sol a r ra diation fo r Khulna         Figure 3. Vari ation of annu ally averag e d  global solar  radiation for K hulna       Usi ng the  est i mated data i n  the empi ri cal formul a gi ven in Equati on (1 to  3),  several  correl ation s  are devel ope d Equation (4 to 10)  and  the corresp ondin g  reg r e ssi on co effici ents  (given i n  T abl e 2 )  a r dete r mined fo r th e  station   Khul n a . The  graphi cal  rep r e s e n tations of the s e   correl ation s  a r e de scrib ed i n  the followin g  figure s  (Fig ure 4 to 10 ):         Figure 4. Correlation b e tween n/N  a nd  G/Go for coef ficient a and    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Em perical Co m putation of  Solar Radiati on and … (Mo ham m ad Arif  Sobhan Bh ui yan )   8019       Figure 5. Correlation b e tween G/Go a n d  D/G  for coeffi cient  c and d   Figure 6. Correlation b e tween  n/N an d D/Go  for coeffi cient  c' and d'             Figure 7. Correlation b e tween  G/Go an d I/G  for coeffi cient  e and f  Figure 8. Correlation b e tween n/N a nd I/Go for  coeffici ent e'  and f'             Figure 9. Correlation b e tween  n/N an d D/G  for coeffi cient  co and d o   Figure 10. Co rrel a tion bet ween  n/N an d I/G  for coeffi cient  eo and fo         Here, Figu re  4 repre s e n ts the correlati on betwe e n n / N and G/Go  (Equatio n  4) and the  values of the  regre s sion  coefficient s a and b ar e d e t ermine d for the station Khulna. Simila rly  Figure 5 to Figure 10 re pre s ent the  correl ation s  given in Eq uation (5) to  Equation (1 0)  respe c tively and th e valu es  of the  co efficients c,   d, c ΄ , d ΄ , e, f ,  e ΄ , f ΄ , c o , do,  eo and  fo  are   determi ned  from the s e  fig u re s. Th e va lues of th e  re g r ess i o n   c o e ffic i e n ts ar e r e p r es en te d in   Table 2 an d Table 3.     Table 2. The  comp uted val ues of r egression  coeffici e n ts for Khuln a   a b  c ΄  d ΄  e  e ΄  f ΄   0.2388   0.5228   1.5288  -1.9024  0.3830  -0.2192   -0.4200  1.7102  -0.1440  0.7444   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  8015 – 80 21   8020 The valu e of  the sum of th e re gression   con s tant (a +  b )  whi c h re pre s ent  th e maximum  clea rne s s ind e x (whe n n/N = 1) is fou nd  to be 0.7616.   Usi ng the val ues  of the co efficients  a a nd b for Kh ul na, a linea r e quation  re co mmend ed  for the e s tima tion of monthl y average  glo bal sola r ra di ation over Kh ulna i s  given  by the Equati on  (11 )     (11)                                                                                                 (n/N)   0.5228   +   0.2388   =   G/Go   Whi c h impli e s that ab out 2 3 .88%  of extraterrest rial ra diat ion ove r   Khulna p enet rates the   atmosp he re o n  a fully cloud y day (n=0 ) a nd  abo ut 76.1 6 % on a clea r sky day re sp ectively.  Table 3 sho w s the values  of the correla t ion  coefficie n ts co, do, e o  and fo Equation (9 - 10) for Khul n a .       Table 3. The  values of ne w correlatio n coefficient s for Khulna   Station c o  d o  e o  f o   Khulna 1.0829   -1.0095   -0.0751   1.0032       Usi ng the  val ues of the  co efficients in E quat ion  (5 ) –   Equation  (10 ) , the linea r e q uation s   recomme nde d for the e s timation of m onthly avera ge diffuse  a nd direct sol a r ra diation  over  Khulna a r e:     (12)                                                                                                  (G/Go)   1.9024   -   1.5288    = D/G      (13)                                                                                                   (n/N)   0.2192   -   0.3834   =   D/Go     (14)                                                                                                      (n/N)   1.0095   -   1.0829    = D/G      (15 )                                                                                                 (G/Go)   1.7102   +   0.4200   -   = I/G      (16)                                                                                                 (n/N)   0.7444   +   0.1440   -   = I/Go     (17)                                                                                                    (n/N)   1.0032   +   0.0751   -   = I/G         5. Conclusio n   Investment s on sola r ene rgy systems i n  any pl ace require inform ation of the availability  of sola r en ergy for its opti m um u s e. Bu t the  measured ra diation  data for a l o n g  peri od a r not  available all o v er Bangla d e s h. The  co rrelations p r o p o s ed for Khul na  in this study  can b e  u s ed i n   future for es timation of s o lar radiations  if t he data of  some  comm o n  meteorologi cal pa ram e te rs  are  availabl e. From the   stu d y it is cl ea r t hat K hul na cit y   is end owed with sufficie n sol a radiatio throug hout  th e yea r . The r e f ore,  sola r e n e rgy  system s ca n b e   one   of the  best  o p tions of e n e r gy  supply in thi s  city if it can be used in  a co st effe ctive mann er.  The  co rrel a tions propo se d for  Banglad esh i n  this  study  ca n be  u s ed in futu re  for e s timati on of  sola radiatio ns if  the   meteorologi cal data are  co llected.       Referen ces   [1]  Palz W o lfg ang . Solar e l ectric it y :  An Ec ono mic Approc h t o  Sol a r Ener g y , il lustrate d e d itio n, Uni p u b .   197 7.  [2]  BVH Liu, RC Jordan.  T he int e rrelati ons hip  and ch aracter i z a ti on d i stributi on of direct, dif f use and tota l   solar ra diati on.   Solar en erg y . 196 0; 4(3): 11- 19.   [3]  DG Erbs, SA Klein,  JA Duffie.   Estimatio n  of  the  diffuser adi a t ion fracti on  for  ho urly, d a i l y a nd  monthly- avera ge gl ob al  radiati on.  Sol a r Energ y . 198 2 ;  28(4): 292-3 0 2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Em perical Co m putation of  Solar Radiat i on and … (Mo ham m ad Arif  Sobhan Bh ui yan )   8021 [4] M  Hussain.  C o rrelati on of b e a m  irrad i ati o n w i th sunshi ne dur ation a nd the li nk turbidity factor.   Procee din g s of  Energe x- 8 8 T he Globa l En ergy F o ru m.  19 88; 25-3 0 [5]  AKM Sadrul Islam.  An ov ervi ew  of renew a b l e e ner gy tech nol ogi es.  Proc eed ings  of the   w o rksh op  o n   rene w a b l e e n e r g y  i n  Ban g l a d e sh. 200 2; 1–1 5.   [6]  J Almorox ,  M  Benito,  C Hont oria.  Esti matio n  of  month l y A ngströ m -Presc ott equ atio n c o efficients fro m   me asur ed d a ily  data in T o le do , Spain.  Ren e w abl e Ener g y . 2 005; 30: 9 31-9 36.   [7]  HO Menges, C Ertekin, MH  S o n m ete, Eva l u a tion  of gl oba solar r adi atio mo de ls for Ko nya, T u rkey.   Energ y  C onv. Mana g. 200 6; 47: 314 9-3 173.   [8] Ying ni  J i an gm.  Estimation  of  Monthly  Mea n  Ho urly  Diffu se Sol a r R a d i ation.  Pr ocee d i ngs  of W o rl d   Non-Grid- C o n n e cted W i nd Po w e r an d Ener g y  Co nfere n ce. W N W E C. 2009 : 1-4, 24-26.   [9]  AQ Jakhrani,  AK Othm an, A RH R i git, S R   Samo.  A s i mpl e   meth od  for t he  esti matio n   of gl ob al s o l a r   radi ation fro m  sunshi ne h o u rs and  othe r mete orol ogi cal par a m eter s.  Proceedi ng s of IEEE   Internatio na l C onfere n ce o n  Sustain abl e En e r g y  T e chno log i es ICSET .  2010; 1-6.    [10]  Yipi ng Ya o, Gaoli  Su, F a n g p i ng D e n g , W e i hon g L uo.  Esti mati on  of Sola r Radi atio n for  Greenh ous e   Producti on i n  Chin a.  Proc eed ings  of Asia-Pacific P o w e an d En er g y  E n g i ne erin g Conf erenc e,   APPEEC. 2011; 1-4   [11]  Sh Gorji an, T   T a vakkoli Has h jin, B Gh ob ad ian.  Esti mati on  of Mean M ont hly a nd H our ly  Globa l Sol a r   Radi atio n on  Surfaces T r ac king  T he Su n  Case Study:  T ehran.  Proc eed ings of Se cond Iran ia Confer ence  on  Rene w a b l e En erg y   an d Dis tri buted Ge nerati on. 201 2; 172- 177.    [12]  Ismail  B a klo u ti Z i ed Driss, Moham ed Sal ah  A b i d Esti mation   of  S o lar  Radi atio n on  Hori z o n t al   a n d   Inclin ed S u rfa c es in  Sfax, T UNISIA.  Proce edi ngs  of F i rst Internati o n a Confer ence  o n  Ren e w a bl e   Energ i es a nd  Vehic u lar T e chnol og y. 20 12: 131- 140.   [13]  HP Garg, SN Garg. Energ y   Conv ers. Mgmt. 1983; 23( 2): 113.   [14] M  Hussa in.  Est i matio n  of g l ob al a nd  diffuse  i rradiati on  fro m   sunsh i ne  dur ation  an d at mos pher ic w a ter   vapo ur conte n t.  Solar ener g y 198 4; 33(2): 21 7.  [15]  Mohamm ad Ar if Sobh an  Bhu i ya n a nd G o la m Moktader  N a yeem.  Esti ma tion of S o lar  R adi ation  an d   Deter m in atio of Regress i o n  Coeffici ents for Sylhet.  Proce edi ngs of Metr opo litan  Univ er sit y  R e searc h   Confer ence  20 12- MURC 2 0 1 2 , S y l het, Bang lad e sh. 20 12.   [16] A  Angström.  Solar a nd terrest rial rad i ati on.  Quart. Jour. Ro y. Meteor. Soc.,  192 4; 50: 121- 125.   [17] JA  Prescott.  Evapor ation fro m  a w a ter surface in relati o n  to solar radi ation.  T r ans.  Roy .  Soc. So.   Aust., 1940; 64: 114- 125.   [18] JK  Pag e Th e s ti ma ti on  o f   m o n t h l m e an   va l u e s  o f  d a i l y  to ta l  sh o r t wave  rad i a t io n o n  ve rti c al  and  incli n e d  surfac es from suns hi ne recor d s for latitud e  40o N – 40oS.  Proc. U.N. Conf. on ne w  so urce of   ener g y . 1 9 6 1 ; 4(59 8): 378.    [19] M  Huss ain.  S o lar  rad i ati o n  over  Ba ngl a desh.  Pr oce e d in gs of  the   regi ona w o rk shop  o n  rur a l   electrific ation t h rou gh So lar P V  and rura l en erg y   pl ann in g w i t h  ren e w a bl e s . 1996; 86.   [20] Mohamm ad  Ar if  Sobha n Bhu i ya n.  Studies  o n  solar ra diati o n, Optical char acteri z a ti on of CuInSe 2 thin   film s and a Grid connected pv  system MS thesis, Univ ersit y  of Chittago ng, Bang lad e sh. 2 009.   [21]  Mohamm ad Arif Sobha n Bhu i y an, MAS Bhui ya n. Solar Energ y   in Ba ng l ades h, Lambe rt Academ i c   Publ ishi ng. 20 11.   [22] Mohamm ad Ar if  Sobh an B hui ya n.  Esti matio n  of Sol a r R adi ation: An  E m pi rical Mo de l for  Bang lad e s h .   IIUM Engine eri ng Jour nal.  2 0 13; 14(1): 1 03- 117.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.