Чтобы была максимальной очень важна ориентация и угол наклона коллектора . Что бы поглощать максимальное количество плоскость солнечного коллектора должна быть всегда перпендикулярна солнечным лучам. Однако солнце светит на Земную поверхность в зависимости от времени суток и года всегда под различным углом . Поэтому для монтажа солнечных коллекторов необходимо знать оптимальную ориентацию в пространстве . Для оценки оптимального ориентирования коллекторов учитывается вращение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, а так же изменение расстояния от Солнца. Для определения положения или необходимо учитывать основные угловые параметры :
Широта места установки φ;
Часовой угол ω;
Угол солнечного склонения δ;
Угол наклона к горизонту β;
Азимут α;
Широта места установки (φ)показывает, насколько место находится севернее или южнее от экватора, и составляет угол от 0° до 90°,отсчитываемый от плоскости экватора до одного из полюсов - северного или южного.
Часовой угол (ω) переводит местное солнечное время в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Земля поворачивается на 15° за один час. Утром угол солнца отрицательный, вечером - положительный.
Угол склонения Солнца (δ) зависит от вращения Земли вокруг Солнца, поскольку орбита вращения имеет эллиптическую форму и сама ось вращения тоже наклонена, то угол меняется в течение года от значения 23.45° до -23.45°. Угол склонения становится равным нулю два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия.
Склонение солнца для конкретно выбранного дня определяется по формуле:
Наклон к горизонту (β) образуется между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью. К примеру, при монтаже на наклонной крыше угол наклона коллектора определяется крутизной ската крыши.
Азимут (α) характеризует отклонение поглощающей плоскости коллектора от южного направления, при ориентировании солнечного коллектора точно на юг азимут = 0°.
Угол падения солнечных лучей на произвольно ориентированную поверхность, имеющую определенное значение азимута α и угол наклона β, определяется по формуле:
Если в данной формуле заменить значение угла β на 0, тогда получится выражение для определения угла падения солнечных лучей на горизонтальную поверхность:
Интенсивность потока солнечного излучения для определенного положения поглощающей панели в пространстве вычисляется по формуле:
Где J s и J d интенсивность потоков прямого и рассеянного солнечного излучения падающие на горизонтальную поверхность, соответственно.
Коэффициенты положения солнечного коллектора для прямого и рассеянного солнечного излучения.
Для обеспечения попадания на абсорбер максимального (за расчетный период) количества солнечной энергии коллектор монтируют в наклонном положении с оптимальным углом наклона к горизонту β, который определяется расчетным методом и зависит от периода использования гелиосистемы. При южном ориентировании коллектора для круглогодичных гелиосистем β = φ, для сезонных гелиосистем β = φ–15°. Тогда формула примет вид, для сезонных гелиосистем:
Для круглогодичных:
Солнечные коллекторы, ориентированные в южном направлении и смонтированные под углом от 30° до 65° относительно горизонта, позволяют достичь максимального значения поглощения . Но даже при определенных отклонениях от этих условий может вырабатывать достаточное количество энергии. Установка с небольшим углом наклона более эффективна в случае, если солнечные коллекторы или солнечные батареинельзя ориентировать на юг.
К примеру, если солнечные панели ориентированы на юго-запад, с азимутом 45° и углом наклона 30°, то такая система сможет поглощать до 95% от максимального количества солнечного излучения. Или при ориентировании в восточном или западном направлении можно обеспечить до 85% попадания энергии на коллектор при установке панелей под углом 25-35°. Если угол наклона коллектора больше, то количество энергии, поступающее на поверхность коллектора, будет более равномерным, для поддержки отопления такой вариант установки более эффективен.
Зачастую ориентирование солнечного коллектора зависит от , установка коллектора производится на крыше здания, поэтому очень важно на стадии проектирования учесть возможность оптимально установки коллекторов.
Памятка для решения задач по теме «Земля как планета Солнечной системы»
Для выполнения заданий на определение высоты Солнца над горизонтом в различных пунктах, находящихся на одной паралдлели, необходимо необходимо определить полуденный меридиан, используя данные о времени Гринвичского меридиана. Полуденный меридиан определеяется по формуле:
(12час.- время Гринвичского меридиана)*15º - если меридиан в Восточном полушарии;
(время Гринвичского меридиана - 12 час.)*15º - если меридиан в Западном полушарии.
Чем ближе расположены предложенные в задании меридианы к полуденному меридиану, тем выше в них будет находиться Солнце, чем дальше - тем ниже.
Пример1. .
Определите, в каком из пунктов, обозначенных буквами на карте Австралии, 21 марта солнце будет находиться выше всего над горизонтом в 5 часов утра по солнечному времени Гринвичского меридиана. Запишите обоснование Вашего ответа.
Ответ. В точке А,
Точка А ближе других точек к полуденному меридиану (12 - 5)*15º =120º в.д.
Пример2. Определите, в каком из обозначенных буквами на карте Северной Америки пунктов Солнце будет находиться ниже всего над горизонтом в 18 ч. по времени Гринвичского меридиана. Ход ваших рассуждений запишите.
Ответ. В точке А (18-12)*15
º
=90
º
2. Для выполнения заданий на определение высоты Солнца над горизонтом в различных пунктах, не находящихся на одной параллели, и когда есть указание на день зимнего (22 декабря) или летнего(22 июня) солнцестояния, нужно
помнить, что Земля движется против часовой стрелки и чем чем восточнее находится пункт, тем раньше Солнце встанет над горизонтом.;
провести анализ положения указанных в задании пунктов относительно полярных кругов и тропиков. Например, если в вопросе есть указание на день - 20 декабря, это значит день, близкий ко дню зимнего солнцестояния, когда на территории севернее полярного круга наблюдается полярная ночь. Значит, чем севернее расположен пункт, тем позже Солнце встанет над горизонтом, чем южнее, тем раньше.
Определите, в каком из пунктов, обозначенных буквами на карте Северной Америки, 20 декабря Солнце раньше всего по времени Гринвичского меридиана поднимется над горизонтом. Ход ваших рассуждений запишите.
Ответ. В точке С.
Точка А находится восточнее точки С, а точка С севернее (20 декабря продолжительность дня тем короче, чем ближе к северному полюсу).
Чтобы выполнить задания по определению продолжительности дня (ночи) в связи с изменением угла наклона земной оси к плоскости орбиты, нужно помнить - градусная мера угла наклона земной оси к плоскости орбиты Земли определяет параллель, на которой будет находиться Полярный круг. Затем проводится анализ предложенной в задании ситуации. Например, если территория находится в условиях большой продолжительности дня (в июне в северном полушарии), то чем ближе территория находится к Полярному кругу, тем день длиннее, чем дальше - тем короче.
Определите, на какой из параллелей: 20° с.ш., 10° с.ш., на экваторе, 10° ю.ш., или 20° ю.ш. – будет наблюдаться максимальная продолжительность дня в день, когда Земля находится на орбите в положении, показанном на рисунке цифрой 3? Свой ответ обоснуйте.
Ответ. Максимальная продолжительность будет на широте 20 ю.ш.
В точке 3 Земля находится в день зимнего солнцестояния - 22 декабря, в условиях большей продолжительности дня - Южное полушарие. Точка А занимает самое южное положение.
На какой из параллелей, обозначенных на рисунке буквами, 22 декабря продолжительность светового дня наименьшая?
4. Для определения географической широты местности учитывается зависимость угла падения солнечных лучей отот широты местности. В дни равноденствия (21марта и 23 сентября), когда лучи Солнца падают отвесно на экватор, для определения географической широты используется формула:
90 º - угол падения солнечных лучей = широта местности (северная или южная определяется по тени отбрасываемых объектами).
В дни солнцестояний (22 июня и 22 декабря) необходимо учитывать, что лучи Солнца падают отвесно (под углом 90º ) на тропик (23,5º с.ш. и 23,5º ю.ш.). Поэтому для определения широты местности в освещенном полушарии(например, 22 июня в Северном полушарии) используется формула:
90º- (угол падения солнечных лучей - 23,5º) = широта местности
Для определения широты местности в неосвещенном полушарии (например, 22 декабря в Северном полушарии) используется формула:
90º - (угол падения солнечных лучей + 23,5º) = широта местности
Пример1.
Определите географические координаты пункта, если известно, что в дни равноденствия полуденное Солнце стоит там над горизонтом на высоте 40 º (тень от предмета падает на север), а местное время опережает время Гринвичского меридиана на 3 часа. Запишите свои расчеты и рассуждения
Ответ. 50 º с.ш., 60 º в.д.
90 º - 40 º = 50 º ( с.ш. , т. к. тень от предметов падает на север в северном полушарии)
(12-9)х15 = 60º ( в.д. , т. к. местное время опрежает Гринвичское, значит пункт находится восточнее)
Пример2.
Определите географические координаты пункта, расположенного в США, если известно, что 21 марта в 17 часов по солнечному времени Гринвичского меридиана в этом пункте полдень и Солнце находится на высоте 50° над горизонтом. Ход ваших рассуждений запишите.
Ответ. 40 º с.ш., 75 º з.д.
90 º -50 º =40 º ( с.ш. -т.к. США находятся в северном полушарии)
(17ч. -12ч.)*15 = 75 º (з .д., т.к.находится от Гринвичскогоь меридиана к западу на 3 часовых пояса )
Пример3.
Определите географическую широту места, если известно, что 22 июня полуденное Солнце стоит там над горизонтом на высоте 35 º с.ш. Запишите расчеты.
Ответ. 78,5 º с.ш.
90 º -(35 º -23,5 º ) = 78,5 с.ш.
5. Для определения меридиана (географической долготы местности), на котором расположен пункт, пло времени Гринвичского меридиана и местному солнечному времени, необходимо определить разницу во времени между ними. Например, если на Гринвичском меридиане полдень (12 часов), а местное солнечное время в указанном пункте 8 часов, разница(12-8) составляет 4 часа. Протяженность одного часового пояса 15º. Для определения искомого меридианапроводится вычисление 4 х 15º = 60º. Чтобы определить полушарие, в котором находится данный меридиан, нужноьпомнить, что Земля вращается с запада на восток (против часовой стрелки). Значит, если время Гринвичского меридиана больше, чем в заданном пункте, пункт находится в Западном полушарии(как в предложенном примере). Если время Гринвичского меридиана меньше, чем в заданном пункте, пункт находится в Восточном полушарии.
Пример.
На каком меридиане расположен пункт, если изхвестно, что в полдень по времени Гринвичского меридиана местное солнечное время в нем 16 часов? Ход ваших рассуждений запишите.
Ответ. Пункт находится на меридиане 60 º в.д.
16ч. -12ч. = 4ч.(разница во времени)
4х15 º = 60 º
Восточная долгота, т. к. в пункте 16.00, когда на Гринвиче еще 12.00(т.е. пункт находится восточнее)
Положение Солнца на небосводе постоянно меняется. Летом Солнце выше на небе, чем зимой; зимой оно поднимается к югу от направления строго на восток, а летом - к северу от этого направления Графически это можно представить наброском пути Солнца по небосводу в течение года; цифры в кружках указывают время дня. Чтобы предусмотреть наиболее эффективное условие затенения, необходимо определить положение Солнца. Например, чтобы определить размеры затеняющего устройства, препятствующего попаданию прямых солнечных лучей в окно между 10 и 14 ч, требуется знать угол поступления солнечного света (угол падения). Другая ситуация, нуждающаяся в такой информации, описывается в разделе «Солнечная радиация».
Положение Солнца на небе определяется двумя угловыми измерениями: высотой и азимутом Солнца. Высота Солнца а измеряется от горизонтали; солнечный азимут |3 измеряется от направления прямо на юг (рис. 6.23). Эти углы можно вычислить или взять из заранее составленных таблиц или номограмм.
Расчет зависит от трех переменных: широты L, склонения 6 и часового угла Я. Широту можно узнать из любой хорошей карты. Склонение или мера того, насколько на север или на юг от экватора переместилось Солнце, меняется месяц от месяца (рис. 6.24). Часовой угол зависит от местного солнечного времени: Я = 0,25 (количество минут от местного солнечного полдня). Солнечное время (время, показываемое непосредственно солнечными часами) отсчитывается от солнечного полдня, когда Солнце находится в наивысшей точке небосвода. Из-за изменения скорости движения Земли по орбите в разное время года долгота суток (измеряемая от полдня до следующего солнечного полдня) несколько отличается от долготы суток по среднему солнечному времени (измеряемому обычными часами). При вычислении местного солнечного времени эта разница принимается во внимание наряду с поправкой на долготу, если наблюдатель не стоит на меридиане поясного времени своего часового пояса.
Для корректировки местного поясного времени (воспользуйтесь точными часами) по местному солнечному времени необходимо выполнить несколько операций:
1) если действует декретное время, то вычтите 1 ч;
2) определите меридиан данного пункта. Определите меридиан поясного времени для этого пункта (75° для восточного поясного времени, 90° для центрального поясного времени, 150° для поясного времени Аляска - Гавайи). Умножьте разности между меридианами на 4 мин/град. Если данный пункт находится к востоку от поясного меридиана, то добавьте поправочные минуты к поясному времени; если он находится к западу, то вычтите их;
3) добавьте уравнение времени (рис 6.25) для интересующей
Рис 6 23 Положение Солнца на небосводе }