Солнечные лучи. Плотность солнечных лучей. Распределение тепла и света на земле
Как изменяется высота Солнца над горизон-том на протяжении года. Чтобы выяснить это, вспомните результаты своих наблюдений за длиной тени, которую отбрасывает гномон (шест длиной 1 м) в полдень. В сентябре тень была одной длины, в октябре она стала длиннее, в ноябре — ещё длиннее, в 20-х числах декабря — самой длинной. С конца декабря тень снова уменьшается. Изменение длины тени гно-мона показывает, что на протяжении года Солнце в полдень бывает на разной высоте над горизонтом (рис. 88). Чем выше Солнце над горизонтом, тем короче тень. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем длиннее тень. Выше всего поднимается Солнце в Северном полушарии 22 июня (в день летнего солнцестояния), а наиболее низкое его положение — 22 декабря (в день зимнего солнцестояния).
В то время как Тропик Козерога расположен в южном полушарии планеты, Тропик Рака является его эквивалентом в северном полушарии или половине земного шара над экватором. В частности, Тропик Рака расположен на приблизительной широте 23, 5 ° или 23, 5 ° северной широты.
Почему страны проходят Тропик Козерога?
Представьте себе Тропик Козерога как круг, который пересекает те районы дальше к югу от Земли, на которых солнечные лучи могут поражать полностью вертикально. Таким образом, воображаемая линия будет проходить через все те территории, расположенные на широте 23, 5 ° южнее.
Почему нагревание поверхности зависит от высоты Солнца. Из рис. 89 видно, что одинаковое количество света и тепла, поступающее от Солнца, при его высоком положении попадает на меньший участок, а при низком — на больший. Ка-кой участок будет нагреваться больше? Разумеется, меньший, поскольку там сосредоточены лучи.
Следовательно, чем выше Солнце над горизонтом, тем прямолинейнее падают его лучи, тем больше нагревается земная поверхность, а от неё и воздух. Тогда наступает лето (рис. 90). Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше угол падения лучей, и тем меньше нагревается поверхность. Наступает зима.
Таким образом, Тропик Козерога пересекает географические точки, расположенные на трех континентах и более чем в десяти разных странах, которые при заказе с запада на восток.
- Америка: Чили, Аргентина, Парагвай и Бразилия.
- Африка: Намибия, Ботсвана, Южная Африка, Мозамбик и Мадагаскар.
- Океания: Австралия и Французская Полинезия.
Чем больше угол падения солнечных лучей на земную поверхность, тем больше она освещается и на-гревается.
Как нагревается поверхность Земли. На по-верхность шарообразной Земли солнечные лучи, падают под разным углом. Наибольший угол паде-ния лучей на экваторе. По направлению к полюсам он уменьшается (рис. 91).
Под наибольшим углом, почти отвесно, солнечные лучи падают на экваторе. Земная поверхность там получает больше всего солнечного тепла, поэто-му у экватора жарко круглый год и смены времён года не бывает.
Какие страны полностью под Тропиком Козерога?
Разумеется, воображаемая линия, протянутая вдоль 23, 5 широты Земли, не только пересекает материк. В своем путешествии Тропик Козерога также проходит через три разных океана: Тихий океан, Атлантический океан и Индийский океан. С другой стороны, есть страны, которые полностью находятся к югу от Тропика Козерога, не касаясь или пересекая эту воображаемую линию без географической точки. В южном полушарии только три государства имеют всю свою территорию ниже 23, 5 ° южной широты, отмеченную Тропиком Козерога.
Чем дальше от экватора на север или на юг, тем угол падения солнечных лучей меньше. Вследствие этого меньше нагреваются поверхность и воздух. Становится прохладнее, чем на экваторе. Появляются времена года: зима, весна, лето, осень.
На полюса и приполярные районы зимой солнечные лучи совсем не попадают. Солнце по несколько ме-сяцев не появляется из-за горизон-та, и день не наступает. Это явление называется полярная ночь . Поверхность и воздух сильно охлаждаются, поэтому зимы там очень суровые. Ле-том же Солнце месяцами не заходит за горизонт и светит круглые сутки (ночь не наступает) — это полярный день . Казалось бы, если так долго продолжается лето, то и поверхность должна нагре-ваться. Но Солнце находится низко над горизонтом, его лучи лишь скользят по поверхности Земли и почти не нагревают её. Поэтому лето вблизи полю-сов холодное.
Интересно, что это очень небольшое число по сравнению с 74 состояниями, которые полностью превышают Тропик Рака, в северном полушарии Земли. Эта разница объясняется очень простой причиной: процент твердых земель в Северном полушарии намного выше, чем в Южном полушарии.
Три страны, которые полностью ниже Тропика Козерога, с запада на восток. Уругвай, единственная страна на американском континенте, полностью расположенная к югу от упомянутого бренда. Свазиленд и Лесото, две очень маленькие страны, расположенные в южной части Африки. Существует очень интересная дискуссия о включении четвертой страны в список: Новая Зеландия. Это правда, что основная часть его островов полностью ниже Тропика Козерога. Однако есть небольшие архипелаги, зависящие от Королевства Новой Зеландии, которые расположены в координатах выше 23, 5 ° южной широты: Острова Кука, Токелау и Ниуэ.
Освещение и нагревание поверхности зависят от её расположения на Земле: чем ближе к экватору, тем больше угол падения солнечных лучей, тем сильнее нагревается поверхность. По мере удаления от эк-ватора к полюсам угол падения лучей уменьшается, соответственно поверхность нагревается меньше, и становится холоднее. Материал с сайта
Каково происхождение названия Тропика Козерога?
Термин тропик исходит от греческого и означает «назад». В астрономическом поле слово тропик используется для обозначения широт, расположенных на севере и к югу от Земли, на которых Солнце может достигать зенита, то есть его самой высокой высоты в небе.
Это означает, что в определенное время года Солнце полностью падает перпендикулярно поверхности Земли, отмеченной положением Тропика Козерога. Это явление называется солнцестоянием. Когда в классической древности солнцестояние наблюдалось в южном полушарии, Солнце находилось в созвездии Козерога, отсюда и его название.
 |
| Весной растения начинают бурно развиваться |
Значение света и тепла для живой природы. Солнечный свет и тепло необходимы всему живому. Весной и летом, когда света и тепла много, расте-ния находятся в расцвете. С приходом осени, когда Солнце над горизонтом снижается и уменьшается поступление света и тепла, растения сбрасывают листву. С наступлением зимы, когда продолжительность дня небольшая, природа находится в состоянии покоя, некоторые животные (медведи, барсуки) даже впадают в спячку. Когда наступаем весна и Солнце поднимается всё выше, у растений снова начинается активный рост, оживает животный мир. И всё это благодаря Солнцу.
Каково использование Тропика Козерога?
В настоящее время эта звезда не находится в этом созвездии, когда раз в год достигает своего зенита в южном полушарии Земли. Однако традиционное название сохранилось на протяжении веков и по сей день. Тропик Козерога - параллель, связанная с широтой, которая имела большое значение, даже с классической древности. Линия широты вокруг Земли, отмеченная этим тропиком, является фундаментальной для таких дисциплин, как география и астрономия. Почему?
Обе науки используют наземные зоны, ограниченные Тропиком Козерога, в качестве ссылки на серию явлений природы. Что такое эфемериды в этой земной широте? Что связано с Тропиком Козерога с декабрьским солнцестоянием? В южном полушарии, которое является Тропиком Козерога, Солнцестояние происходит один раз в год - обычно с 21 по 23 декабря. Это то, что известно как декабрьское солнцестояние.
Декоративные растения, такие как монстера, фикус, аспарагус, если их постепенно поворачивать к свету, разрастаются равномерно во все стороны. Но цветущие растения плохо переносят такую перестановку. Азалия, камелия, герань, фуксия, бегония почти сразу сбрасывают бутоны и даже листья. Поэтому во время цветения «чув-ствительные» растения лучше не переставлять.
Это означает, что существует важная связь между Тропиком Козерога и феноменом, известным как солнцестояние, которое было кратко обсуждено ранее. И это то, что Тропик Козерога - это параллельная или воображаемая линия, которая объединяет земные области, расположенные больше к югу от Земли, поверхность которых может достигать один раз в год солнечными лучами полностью вертикальной формы. Момент, в котором это происходит, известен как декабрьское солнцестояние.
В течение этого солнцестояния Солнце достигает своей наивысшей видимой высоты в небе, а лучи солнца падают вертикально над областями южного полушария, которые находятся на широте, отмеченной Тропиком Козерога. Это конкретное положение Земли по отношению к солнцу можно визуализировать, используя аналогию с лампочкой, которая висит точно над нами, поражая ее светом вертикально на нашей голове.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском
На этой странице материал по темам:
- кратко распределение света и тепла на земном шаре
Освещенность поверхности Земли зависит от:
Атмосферных явлений, таких как поглощение и рассеяние
- локальных изменений в составе атмосферы, как, например, наличие водяного пара, облаков или загрязнений
- широты места
- времени года и дня
Таким образом, Тропик Козерога - это предельная широта, где Солнце может достигнуть зенита. Помимо этих линий Солнце никогда не будет иметь такого положения относительно поверхности Земли. Хотя солнцестояние может показаться очень сложным явлением, его наблюдение очень просто, даже не имея высоких технологий. На самом деле с палкой, камнями и наблюдением за небом, Солнцем и проецируемыми тенями достаточно.
Поэтому эксперты говорят, что это феномен, у которого были древние цивилизации. На самом деле есть авторитетные голоса, которые предполагают, что даже наши предки каменного века уже имели такие знания. Каковы последствия декабрьского солнцестояния? Видимые последствия такого естественного поведения меняются в каждом полушарии. То есть во время солнцестояния, которое происходит в определенное время между 21 и 23 декабря каждого года.
Вышеперечисленные факторы влияют на общий поток энергии излучения, его спектральный состав, а также угол, под которым свет падает на поверхность. Главным следствием наличия атмосферы является то, что солнечное излучение на поверхности Земли значительно изменяется в зависимости от местоположения. Эти изменения обусловленны как локальными эффектами (облака, сезонные изменения), так и другими эффектами, такими как продолжительность светового дня на определенной широте. В пустынной местности солнечное излучение более постоянно вследствие отсутствия облаков, в экваториальных регионах — из-за меньших сезонных изменений положения относительно Солнца.
В южном полушарии Солнце достигает максимальной высоты, которая будет видна в небе в течение года. Это будет самый длинный день в году и тот, который уступает место лету, но только в южной половине планеты. Звезда даже влияет вертикально на широту, отмеченную Тропиком Козерога. . Поэтому солнцестояние, которое проходит в декабре, известно как летнее солнцестояние в южном полушарии.
Если солнце достигает максимальной высоты над южным полушарием, северное полушарие земли расположено так, что солнце находится на самой низкой видимой высоте в небе относительно него. По этой причине это солнцестояние известно как зимнее солнцестояние в северной половине планеты, так как оно знаменует собой прибытие этого сезона и самую длинную ночь года для северного полушария.
Солнечное излучение на поверхности Земли отличается от солнечного излучения, падающего на земную атмосферу. Это обусловлено наличием облачного покрова, загрязнителей воздуха, широтой местоположения и временем года.
Влияние атмосферыНаличие атмосферы приводит к значительному изменению солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. Для фотоэлектричества основное значение имеют:
То же самое относится к Тропику Рака, ранее идентифицированному как северный аналог Тропика Козерога. Тропик Рака пересекает широты, расположенные дальше на север, на которых Солнце может иметь побочный эффект. Это происходит один раз в год. Это явление называется летним солнцестоянием в северном полушарии и зимним солнцестоянием в южном полушарии.
Ответ заключается в том, что ось вращения Земли, которая пересекает ее от Северного полюса до Южного полюса, наклонена относительно плоскости, в которой Земля вращается вокруг Солнца. Вдали от того, что многие люди думают, времена года не даются большей или меньшей дистанцией нашей планеты относительно этой звезды, но в результате этой склонности.
Уменьшение плотности потока солнечного излучения в следствие поглащения, рассеяния и отражения в атмосфере
- изменение спектрального состава солнечного излучения в следствие различного поглащения и рассеяния различных длинн волн
- появление диффузной или не прямой составляющей в солнечном излучении
- локальные изменения атмосферы (такие как концентрация водяного пара, облака, загрязнения), которые оказывают дополнительное влияние на мощность, спектр и напраление падающего излучения.
Таким образом, полушарие Земли, которое получает солнечные лучи более непосредственно, потому что оно более склонно к нему, изменится, поскольку земля выполняет движение трансляции в течение года. Линия широты, которую Тропик Козерога рисует вокруг земного шара, также используется в качестве мнимой ссылки, чтобы указать нижний предел тропической климатической зоны, теплой области планеты.
Таким образом, ассоциативно, тропики называются теми областями Земли, которые включены между Тропиком Козерога и Тропиком Рака. Однако важно иметь в виду, что климатические границы, представленные обоими тропиками, являются лишь ориентировочным пределом. Тропик Козерога, а также Рак, предполагают жесткую ссылку относительно широты. Однако на климат влияют и другие факторы, которые могли бы оправдать наличие районов в тропиках, не имеющих климатических характеристик, которые обычно связаны с этим регионом.
При прохождении через атмосферу фотоны поглощаются газами, частицами пыли и аэрозолями. Некоторые газы, такие как озон (О3), углекислый газ (СО2) и пары воды (Н2О) хорошо поглощают фотоны с энергиями близкими к энергиям химических связей этих газов. В результате этого поглощения на кривой спектра излучения появляются впадины, соответствующие этим энергиям. Например, значительная часть дальнего инфракрасного излучения, порядка 2 мкм, поглощается парами воды и углекислым газом. Таким же образом озоном поглощается ультрафиолетовое излучение, меньше 0.3 мкм (но не полностью - вы все еще можете получить солнечный ожег!).
Наконец, Тропик Козерога также служит ссылкой на верхний предел южной климатической зоны планеты. В свою очередь, эта область будет ограничена в своей нижней части антарктическим полярным кругом.
- Зимнее солнцестояние: самая короткая ночь в году, и самая длинная.
- Тропические фрукты.
Морские течения Калифорнийского побережья нагревают морскую воду, а поверхность земли остывает под зимним небом. В северном полушарии яркие цвета лиственных деревьев освещают внутренность континентов, которые вскоре будут покрыты одеялом листьев. Животные инстинктивно готовятся к следующему сезону дефицита. Через шесть месяцев после мороза зимы произойдет обратная ситуация. Подобные изменения происходят в умеренных регионах остальной части планеты, как в Северном полушарии, так и в Южном полушарии.
Поглощение атмосферными газами изменяет спектральный состав наземного солнечного излучения, в то же время они практически не оказывают влияния на общую плотность потока излучения. Главным фактором, уменьшающим плотность потока излучения, является поглощение и рассеяние света на молекулах воздуха и частицах пыли. Следствием молекулярного поглощения являются не отдельные глубокие минимумы в спектре излучения, а уменьшение спектральной плотности потока излучения, зависящее от пути, проходимого через атмосферу. Когда Солнце находится в зените, молекулярное поглощение приводит к относительно равномерному уменьшению плотности потока по всему спектру, и свет кажется белым. Однако, для более длинных расстояний, проходимых светом, коротковолновое излучение поглощается и рассеивается сильнее. Поэтому утром и вечером Солнце кажется более красным, а свет не таким ярким, как в полдень.
Между тем, в тропиках, проливные дожди, которые оживляют окружающую среду, чередуются с засухой и определяют изменение времен года. Земля вращается и вращается, делая сезоны. Времена года - это годовые циклы, которые зависят от наклона Земли по отношению к ее орбите вокруг Солнца. В зависимости от орбитального положения Земли северное полушарие или южное полушарие более ориентированы на Солнце и, следовательно, получают больше непосредственно солнечного излучения. Наклон Земли по отношению к Солнцу вызвал огромные изменения в физическом аспекте планеты, во флоре, в фауне и в людях.
Солнечное излучение вне земной атмосферы в сравнении с излучением, достигающим поверхности Земли. Человеческий глаз эволюционировал таким образом, чтобы иметь наибольшую чувствительность к излучению с наибольшей интенсивностью (Sekuler).
Прямое и диффузное излучение, возникающее в результате рассеянияКроме поглощения свет, проходящий через атмосферу, также испытывает рассеяние. Одним из механизмов рассеяния в атмосфере является рэлеевское рассеяние, вызываемое атмосферными молекулами. Оно особенно значительно для коротковолнового излучения (синий свет), так как имеет обратную зависимость от длины волны. Кроме рэлеевского рассеяния существует рассеяние на аэрозолях и частицах пыли.
Продолжительность дней, солнцестояния и равноденствия
Земля вращается вокруг Солнца, образуя эллипс и не изменяя наклон его массы. Из-за наклона, одно полушарие обычно получает больше солнечного света, чем другое. Когда угол, который образует ось вращения Земли с плоскостью ее солнечной орбиты, указывает прямо на Солнце, полушарие, которое получает наибольший солнечный свет, достигает максимальной степени солнечного воздействия. В то же время другое полушарие сталкивается с противоположным лицом и остается почти в унынии. Это солнцестояния, которые представляют начало лета и зимы, в июне и декабре.
Рассеяние не происходит в единственном направлении и поэтому кажется, что свет приходит со всех частей неба. Такой свет называется диффузным или рассеянным. Так как рассеянию подвегаются в основном синие волны, небо нам кажется синим. Если бы рассеяние не существовало небо казалось бы нам черным, а Солнце - просто диском. В ясный солнечный день рассеивается около 10% всего падающего солнечного излучения.
Влияние облаков и других локальных изменений в атмосфереПоследним фактором, оказывающим влияние на падающее солнечное излучение, является наличие в атмосфере локальных неоднородностей. Спектральная плотность потока излучения значительно изменяется в зависимости от вида облачного покрова. Ниже показано, что происходит при наличии густых облаков.
Выходной ток фотоэлектрической батареи в солнечный и пасмурный дни зимой в Мельбурне. Батарея расположена под углом 60 0 (Mack).
Атмосферная массаАтмосферная масса - это длина пути, который проходит свет через атмосферу, отнесенная к кратчайшему возможному пути (когда Солнце находится в зените). Атмосферная масса показывает на сколько уменьшилась спектральная плотность потока излучения после прохождения через атмосферу и поглощения воздухом и пылью. Атмосферная масса определяется, как
где θ - это угол, отсчитываемый от вертикали (зенитный угол). Когда Солнце находится прямо над головой, θ = 90 и атмосферная масса равна 1.
Атмосферная масса представляет собой отношение атмосферного пути, проходимого светом, к кротчайшему из этих возможных путей, и равняется Y/X.
Например, угол, отсчитываемый от вертикали,θ= 30°
Атмосферная масса, AM = 1.1547 единиц
Для определения атмосферной массы существует простой метод, в котором используется длина тени, отбрасываемой вертикальным шестом.
Атмосферная масса равна длине гипотенузы, разделенной на длину шеста и по теореме Пифагора:
Например, высота объекта, h = 1 единиц
Длина тени, s = 1 единиц
Атмосферная масса, AM = 1.4142 единиц
В этой задаче предполагается, что атмосфера - это плоский горизонтальный слой. Но на самом деле это не так. Кривизна атмосферы приводит к тому, что, когда Солнце близко к горизонту, атмосферная масса отличается от длины атмосферного пути. На восходе угол Солнца, отсчитываемый от вертикали, равен 90 и атмосферная масса должна быть равной бесконечности, тогда как очевидно, что длина атмосферного пути конечна. Следующее уравнение учитывает кривизну шарообразность Земли:
Стандартный солнечный спектр и солнечное излучениеЭффективность солнечного элемента зависит как от интенсивности падающего света, так и от его спектрального состава. Чтобы облегчить сравнение солнечных элементов, сделанных в различных местах и в различное время, были определены стандартный спектр и поверхностная плотность потока солнечного излучения для условий на поверхности Земли и на границе атмосферы Земли. Стандартный спектр на поверхности Земли называется АМ1.5G (G, global, означает общий, и включает в себя как прямое, так и рассеянное излучение) или АМ1.5D (direct, включающее только прямое излучение). Интенсивность излучения АМ1.5D можно приблизительно оценить, как 72% от АМ0 (18% - поглощение, 10% - рассеяние). Общий спектр на 10% больше, чем прямой. Рассчитав плотность потока излучения, используя эти данные, получают значение приблизительно равное 970 Вт/м2 для АМ1.5G. Однако на практике используют значение, равное 1 кВт/м2, так как оно удобнее для расчетов и из-за того, что падающему излучению присущи небольшие изменения.
Стандартный спектр вне земной атмосферы называется АМ0, потому что свет не проходит через атмосферу. Обычно этот спектр используют для расчета эффективности солнечных элементов для космических аппаратов.
Расчет интенсивности излучения на основе атмосферной массыЕжедневную интенсивность прямой составляющей солнечного света можно определить, как функцию атмосферной массы. Экспериментально полученное уравнение имеет вид (Meinel):
где It - это интенсивность на площадке, перпендикулярной солнечным лучам в кВт/м2, АМ - атмосферная масса. 1.353 кВт/м2 - это солнечная постоянная, а 0.7 учитывает тот факт, что около 70% солнечного излучения, приходящего на границу атмосферы, достигает земли. Показатель 0.678 - эмпирический коэффициент, учитывающее неоднородность атмосферных слоев.
Интенсивность солнечного излучения увеличивается при увеличении высоты над уровнем моря. Спектральный состав солнечного света так же меняется, что делает свет более синим высоко в горах. Для высот в пределах нескольких километров над уровнем моря можно использовать простое приближение, умножив значение для поверхности Земли на (1-0.14h), где h - это высота над уровнем моря.
Диффузное излучени даже при ясном небе составляет около 10% прямого. Поэтому в ясный день общая интенсивность излучения, падающего на модуль, ориентированный перпендикулярно солнечным лучам, равна:
Например, атмосферная масса, AM = 1.5 единиц
Интенсивность прямого излучения, ID = 0.846 кВт/м2.
Приблизительная общая интенсивность, IG = 0.9306 кВт/м2.
Движение Солнца по небу, которое мы видим каждый день, вызвано вращением Земли вокруг своей оси. В результате изменяется угол, под которым прямая составляющая света падает на землю. Для неподвижного наблюдателя на Земле кажется, что Солнце движется по небу. Положение Солнца на небе зависит от местоположения наблюдателя, времени дня и года. Движение Солнца показано ниже
Движение солнца по небу сильно влияет на количество энергии, получаемой солнечным элементом. Освещенность поверхности и плотность потока падающего излучения равны, если излучение падает под прямым углом. При изменении угла между Солнцем и поглощающей поверхностью освещенность поверхности уменьшается. Когда солнечные лучи падают параллельно модулю и угол к нормали составляет 90 освещенность падает до нуля. Для других значений углов падения относительная интенсивность излучения равняется cosθ, где θ - это угол между солнечными лучами и нормалью к модулю.
Вы можете наблюдать, как изменяется интенсивность света при изменении наклона модуля с помощью рисунка ниже. В этом примере можно изменять наклон модуля, но то же самое происходит и при изменении угла, под которым падает солнечное излучение.
Угол между Солнцем и определенным местоположением на Земле зависит от координаты этого места (долготы), времени года и дня. Кроме этого от долготы местоположения зависит время восхода и захода Солнца. Поэтому, чтобы рассчитать угол падения солнечных лучей, нужно знать широту, долготу, день года и время дня. Об этом в следующих главах.
Солнечное времяМестное солнечное время и местное время
12 часов по местному солнечному времени (LST) - это время, когда Солнце находится в зените (выше всего на небе). Местное время (LT) обычно отличается от местного солнечного времени из-за существования наклона земной орбиты, использования людьми временных зон и искусственных временных смещений, вводимых для экономии энергии.
Местный стандартный временной меридиан - это меридиан, используемый для обозначения определенной временной зоны и для установления среднего времени по Гринвичу. LSTM показан на рисунке ниже
Время главного меридиана (долгота = 0) называется средним временем по Гринвичу. Местный стандартный временной меридиан обозначает местную временную зону. На рисунке показан LSTM временной зоны, включающей часть Бразилии и Гренландии.
Уравнение времени
Временной поправочный коэффициент (в минутах) рассчитывается для учета изменения местного солнечного времени в одной временной зоне при изменении долготы в пределах этой зоны, а также учитывает уравнение времени:
Множитель, равный четырем минутам учитывает то, что Земля поворачивается на 10 каждые 4 минуты.
Учитывая две эти поправки местное солнечное время можно получить из местного времени по следующей формуле:
Часовой угол переводит местное солнечное время в количество градусов, которое солнце проходит по небу. По определению, часовой угол равен нулю в полдень. Так как Земля поворачивается на 150 за один час, то за каждый час после полудня Солнце проходит 150. Утром угол Солнца отрицательный, вечером - положительный.
Склонение СолнцаЗначение склонения Солнца, которое обозначается как δ, претерпевает сезонные изменения. Это происходит из-за того, что Земля движется по эллиптической орбите вокруг Солнца, а так же из-за наклона ее собственной оси вращения. Если бы ось вращения Земли не была наклонена, склонение было постоянно равным 0°. Как бы то ни было, она наклонена на 23.45° и угол склонения принимает значения от 23.45° до −23.45°. Угол склонения становится равным нулю два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия. Ниже показано вращение Земли вокруг Солнца и изменение угла склонения:
Рисунок показывает как изменяется угол наклона начиная с летнего солнцестояния в северном полушарии (зимнего в южном) до зимнего солнцестояния в северном полушарии (летнего в южном).
Склонение Солнца - это угол между экватором и воображаемой линией, соединяющей центры Земли и Солнца. Несмотря на то, что на самом деле Земля вращается вокруг Солнца, удобнее считать наоборот: что Солнце вращается вокруг неподвижной Земли. Для осуществления расчетов необходимо перейти в другую систему координат, в которой Солнце будет вращаться вокруг Земли.
Более точное уравнение записывается так:
Склонение равно нулю в дни равноденствий (22 марта и 22 сентября), положительно, когда в северном полушарии лето и отрицательно, когда там зима. Максимума, равного 23.45° склонение достигает 22 июня (летнее солнцестояние в северном полушарии) и минимума, −23.45°, 22 декабря (зимнее солнцестояние в северном полушарии).
Угол возвышенияУгол возвышения (угол высоты) - это высота Солнца на небе измеренная в градусах от горизонтального положения. Слова «высота» и «возвышение» часто также используют для описания высоты в метрах над уровнем моря, что вносит небольшую путаницу. На восходе угол возвышения равен 0° и 90° - когда Солнце находится выше всего на небе (прямо над головой, что можно наблюдать, например, на экваторе в дни весеннего и осеннего равноденствий). Зенитный угол аналогичен углу возвышения за тем исключением, что он отсчитывается не от горизонтальной оси, а от вертикальной. Зенитный угол = 90° - угол возвышения.
Угол возвышения изменяется в течение дня. Он также зависит от широты местоположения и времени года.
При проектировании фотоэлектрической системы важно знать максимальный угол возвышения для данной местности, то есть максимальную высоту Солнца на небе в определенное время года. Солнце достигает максимальной высоты в полдень по солнечному времени и эта высота зависит от угла склонения и широты, как показано на изображении ниже:
Максимальный угол возвышения в солнечный полдень (a) зависит от широты и угла склонения (δ).
Из рисунка можно получить угол возвышения в солнечный полдень для северного полушария:
и для южного полушария:
где φ - это широта местоположения. В уравнении для северного полушария широта положительна в местоположениях на северном полушарии и отрицательна в южном полушарии. В уравнении для южного полушария широта положительна для местоположений на южном полушарии и отрицательна на северном. φ - это угол склонения, зависящий от времени года.
В районе северного тропика в день осеннего солнцестояния Солнце находится прямо над головой и угол возвышения равен 90°. Летом на широтах между экватором и северным тропиком угол возвышения в солнечный полдень превышает 90°, учитывая то, что Солнце движется скорее с севера, чем с юга, как на большей части северного полушария. Аналогично, на широтах между экватором и южным тропиком в определенные периоды года солнечный свет приходит скорее с юга, чем с севера.
Более тщательное проектирование фотоэлектрических систем требует наличие данных не только о максимально угле возвышения, но о его изменении в течении всего дня. Уравнения, описывающие это изменения приведены на следующей странице.
Угол возвышения можно найти по следующей формуле:
Зенитный гол - это угол между Солнцем и вертикалью.
Полярный угол - это направление по компасу в сторону, откуда движется Солнце. В солнечный полдень Солнце всегда находится на юге в северном полушарии и на севере в южном. Полярный угол меняется в течение дня, как показано на изображении ниже. В дни равноденствия Солнце восходит на востоке и садится на западе независимо от широты. При этом полярный угол равен 900 на восходе и 2700 на закате. Полярный угол изменяется в течение года и при изменении широты местоположения.
Полярный угол отсчитывается аналогично показаниям компаса: он равен 00 на севере и 1800 на юге. Иногда используют другие начала отсчета, например с 00 на юге и полярным углом изменяющимся в интервале −180° до 180° .
Это уравнение справедливо только для полярных углов в течении солнечного утра, поэтому
Azimuth = Azi, для LST <12 или HRA < 0
Azimuth = 360° - Azi, для LST > 12 или HRA >0
Положение СолнцаДля ориентации фотоэлектрических модулей необходимо знать две ключевых величины: полярный угол и угол возвышения в солнечный полдень. Для того, чтобы рассчитать положение Солнца в течение всего дня нужно знать значение двух этих углов в течении дня. Они рассчитываются с помощью «солнечного времени». Для удобного обращения со временем вся планета разделена на временные пояса. Полдень в часовом поясе не обязательно соответствует тому моменту, когда Солнце находится выше всего на небе. Это же касается и восхода. Восход Солнца определяется, как момент, в который солнце восходит в одной части временной зоны. Но из-за того, что часовой пояс имеет большие размеры, время, когда становится светло в одной части часового пояса, может отличаться от времени восхода Солнца, определенного для данной зоны. Часовые пояса важны, так как для двух домов в соседних кварталах разница между восходами Солнца составляла бы несколько секунд. С другой стороны на каждой широте солнечное время свое. Поэтому, чтобы рассчитать положение Солнца, сначала находят местное солнечное время, а за тем полярный угол и угол возвышения.
Местное солнечное время и местное время (LST)12 часов по местному солнечному времени (LST) - это время, когда Солнце находится в зените (выше всего на небе). Местное время (LT) обычно отличается от местного солнечного времени из-за наличия эксцентриситета земной орбиты, использования людьми временных зон и искусственных временных смещений для экономии энергии.
Местный стандартный временной меридиан (LSTM)Местный стандартный временной меридиан - это меридиан, используемый для обозначение определенной временной зоны и который используется для установлении среднего времени по Гринвичу. LSTM показан на рисунке ниже
Время главного меридиана (долгота = 0) называется средним временем по Гринвичу. Местный стандартный временной меридиан обозначает местную временную зону. Это LSTM временной зоны, включающей часть Бразилии и Гренландии.
LSTM рассчитывается с помощью формулы
где ΔTGMT - разница между местным временем и средним временем по Гринвичу в часах. 15°= 360°/24 часов.
Уравнение времени (EoT)Уравнение времени в минутах - это эмпирическое уравнение, учитывающее поправку на эксцентриситет земной орбиты и наклон земной оси.
в градусах и d - число дней с начала года. Поправка, определяемая уравнением времени, приведена на графике ниже:
В солнечных часах уравнение времени используется в виде таблицы. С его помощью устанавливается точное время для любого времени года. Другие поправочные коэффициенты либо учитываются при конструкции солнечных часов, либо вводятся с помощью констант.
Временной поправочный коэффициент (TC)Временной поправочный коэффициент (в минутах) рассчитывается для учета изменения местного солнечного времени в одной временной зоне при изменения долготы в пределах этой зоны, а также учитывает уравнение времени:
Множитель, равный четырем минутам, возникает из-за того, что Земля поворачивается на 10 каждые 4 минуты.
Местное солнечное время (LST)The Local Solar Time (LST) can be found by using the previous two corrections to adjust the local time (LT).
Часовой угол переводит местное солнечное время в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Так как Земля поворачивается на 150 за один час, то за каждый час после полудня Солнце проходит 150. Утром угол солнца отрицательный, вечером - положительный.
СклонениеСклонение расчитывается по формуле:
Угол возвышения и полярный угол Калькулятор положения СолнцаИспользуя формулы, приведенные ранее, можно рассчитать положение Солнца на небе относительно наблюдателя на Земле в определенное время дня. Введите координаты наблюдателя и время дня в синие поля для ввода текста сверху.
Время и датаВремя представлено в 24-часовом формате. Минуты вводятся отдельно. Чтобы установить время 5 часов 17 минут вечера, введите «17» в поле «часы» и «15» в поле «минуты».
Широта, долгота и часовой пояс (среднее время по Гринвичу, GMT)Широту, долготу и часовой пояс вашего города можно узнать на сайте www.timeanddate.com. Минуты в значении долготы вводятся, как десятые части, то есть 17030′ становится 17.5. Долгота восточных частей земли вводится со знаком «минус». Для учета «летнего времени» вычтите 1 час из полученных значений. Вообще говоря, все что находится восточнее Гринвича - со знаком «плюс», все, что западнее, - со знаком «минус».
График справа показывает значение полярного угла Солнца и угла возвышения, спроецированные на плоскость. Угол возвышения, равный 900, соответствует тому моменту, когда Солнце находится в зените и появляется в центре графика. Угол возвышения, равный 00, соответствует моменту, когда Солнце находится на горизонте и появляется на внешнем круге графика. Полярные углы отмечены вдоль окружности, ноль находится на самом верху. Посмотрите, как выглядит график для различных значений местоположения и времени. Тогда он станет более понятным.
Самый удобный способ описания положения Солнца - нанести его на график в полярных координатах. Анимация ниже объясняет смысл полярных координат.
Расчеты, приведенные выше, дают результаты с точностью до 1°, которой достаточно для установки большинства фотоэлектрических систем на Земле. Неточность, обусловленная использованием упрощенной модели, незначительна на фоне неопределенности, вносимой атмосферными явлениями. Кроме того при установке модуля угол наклона отличается от заданного на несколько градусов.
Для модулей, которые следят за положением Солнца и концентрируют свет, неточность, обусловленная упрощением уравнений, неприемлима. Чем больше концентрация, тем выше необходимость в точности слеженя за Солнцем. Для систем, которые усиливают интенсивность света в 1000 раз точность должна достигать 3.5 минут (0.06°) окружности (Vant-Hull). Существует множество алгоритмов расчета положения Солнца. Более сложные модели дают более точные результаты, однако требуют больших вычислительных ресурсов. Если раньше простоте вычислений уделяли много вринмания, то сегодня даже маленькие микроконтроллеры могут справиться со сложными математическими формулами. Также положения Солнца можно опредилить по таблицам Астрономического Календаря, который составляется Военноморской Обсерваторией США (Astronomical Almanac).
В 2001г. Blanco-Muriel, работающий в Plataforma Solar de Almerýa (PSA) изучил точность всех алгоритмов. Позже они разработали упрощенный алгоритм расчета, который дает результат с точностью до 0.5 минут окружности для 1999-2015 годов. Этот алгоритм был специально оптимизирован для языка C++. Калькулятор положения Солнца, прведенный ниже, использует алгоритм, разработанный в PSA.
Алгоритм PSA для определеиня положения Солнца с высокой точностьюАлгоритм PSA использует универсальное время, чтобы устранить неопределенность, вызванную наличием временных зон. Местоположение определяется широтой и долготой. Минуты и секунды переводятся в десятичные части. Угол возвышения измеряется от горизонтали.
Значения, установленные по умолчанию, определяют полдень 1ого января 2008 года на долготе 0° (восточная Африка). Полярный угол равный 178° говорит о том, что Солнце находится почти на юге. Зенитный угол показывает, что Солнце находится высоко в небе, но на 23° ниже, чем при самом высоком положении.
Год - 2012 Месяц - 8 День - 22 Время по Гринвичу.
Час - 12 Минута - 00 Секунда - 00
Долгота = 0 Широта = 0
Полярный угол = 3.3888градусов
Склонение градусов = 11.5649
Угол возвышения градусов = 11.5649
Плотность потока энергии, падающей на фотоэлектрический модуль, зависит не только от плотности потока самого солнечного излучения, но также и от угла между модулем и Солнцем. В случае, когда поглощающая поверхность и солнечное излучение перпендикулярны друг другу плотность потока излучения максимальна. При изменении угла плотность потока излучения уменьшается. Составляющая излучения, параллельная наклонному модулю, отражается. Следующая иллюстрация показывает, как рассчитать излучение, падающее на наклонную (Smodule ) поверхность либо при условии данной плотности потока на горизонтальной поверхности (Shoriz ), либо на перпендикулярной (Sincident ).
Наклон модуля по отношению к падающему свету уменьшает его производительность.
Влияние широты и угла наклона модуля на получаемое солнечное излучение в течении года в Втчас/м2день при условии отсутствия облаков. По оси х дни отсчитываются с первого января. Освещеность модуля - это солнечное излучение, падающее на наклонный модуль. Угол наклона модуля измеряется от горизонтали.
Падающая плотность потока излучения - это солнечное излучение, перпендикулярное модулю. Такое количество энергии получил бы модуль, очень точно поворачивающийся за Солнцем. Горизонтальная плотность потока излучения - это солнечное излучение, которое падает на землю, и которое получал бы модуль просто лежащий на земле. Эти значения нужно рассматривать, как максимально возможные для определенного местоположения, потому что при расчете не учитывался облачный покров. Предполагалось, что модуль ориентирован на юг в северном полушарии и на север в южном. Для некоторых углов свет падет с задней стороны модуля и поэтому поверхностная плотность излучения равна нулю.
Как можно видеть из графика, при нулевом угле наклона поверхностная плотность излучения на модуле равна горизонтальной поверхностной плотности излучения, так как модуль лежит на земле. Если угол наклона равен 800, то модуль практически вертикален и поверхностная плотность излучения модуля меньше, чем падающая поверхностная плотность излучения, кроме тех моментов, когда модуль перпендикулярен солнечным лучам и их значения равны. Модуль ориентирован по отношению к экватору так, что в южном полушарии он развернут на север, а в северном - на юг. При переходе модуля из северного в южное полушарии (на широте 00) он разворачивается в противоположную сторону, поэтому кривая претерпевает скачек. Установите широту вашего местоположения и, изменяя угол наклона, вы можете наблюдать, как будет меняться количество энергии, получаемое модулем в течении года.
Произвольная ориентация и угол наклонаДля модуля с произвольной ориентацией и углом наклона уравнение становится немного более сложным:
где α - угол возвышения солнца, Θ - полярный угол солнца, β - угол наклона модуля. Если модуль просто лежит на земле, то β = 0°, если поставлен вертикально, то β = 90°. Ψ - полярный угол, на который повернут модуль. Абсолютное большинство модулей ориентированы в сторону экватора. Модуль в южном полушарии будет обращен на север с Ψ = 0°, а модуль в северном полушарии обычно прямо на юг с Ψ = 180°. Smodule и Sincident - поверхностные плотности излучения модуля и падающего света в Вт/м2, при чем Sincident - это только прямая составляющая излучения (не учитывает рассеянное).
Если модуль обращен к Солнцу так, что солнечные лучи падают перпендикулярно его поверхности, то угол его наклона равен полярному углу Солнца (90 - α = β), а углы склонения Солнца и модуля равны между собой (Ψ = Θ).
В расчете, приведенном ниже, вычисление положения Солнца объединено с формулой для атмосферной массы. И в результате получается интенсивность света, падающего на модуль с произвольным углом наклона и ориентацией.
Время по Гринвичу (не местное)
Год - 2004 Месяц - 1 День - 1 Час - 22 Минута - 0 Секунда - 0
Долгота = 151 Широта = -34
Полярный угол модуля= 0° Наклон модуля= 34°
Полярный угол Солнца = 94.7078° Возвышение = 53.0242° Склонение = 36.9758° (по формуле PSA)
Атмосферная масса единиц = 1.6626(по формуле атмосферной массы)
Sinciden
t = 0.8178 Вт/м² (по формуле интенсивности для атмосферной массы)
0.462 = уменьшение интенсивности излучения, падающего на модуль
Smodule
= 0.3778 Вт/м² интенсивность излучения, падающего на модуль
Большое количество разных углов, задействованное в вычислениях, делает их довольно сложными, поэтому для упрощения можно перейти от углов к векторам. Рассмотрим, например, наклонный модуль, находящий на наклонной крыше с произвольной ориентацией. Векторы удобно использовать потому, что уменьшение интенсивности света представляется просто, как скалярное произведение вектора, нормального поверхности, и вектора, направленного на Солнце.
Свет, падающий на поверхность под углом занимает большую площадь, чем свет, падающий перпендикулярно. Уменьшение интенсивности равно скалярному произведению S на N.
где S - единичный вектор, направленный на Солнце, а N - единичный вектор, нормальный к поверхности модуля. γ - угол между двумя векторами.
Вычисление освещенностиНа основе уравнений, описывающих положение Солнца на небе в течение года, максимальное количество солнечного излучения, приходящего на поверхность с определенным углом наклона, можно рассчитать, как функцию широты и дня года. Эти расчеты особенно важны для использования данных о количестве солнечных часов в году, полученных экспериментально. На следующем интерактивном графике представлено ежедневная освещенность и число часов в течение дня, когда светит Солнце. Эти расчеты не учитывают местных погодных условий, поэтому их нельзя использовать при проектировании системы или для предсказания ее эффективности.
Расчет ведется для солнечного, а не для местного времени. Как перейти от солнечного к местному времени смотрите на странице «Положение Солнца».
Загрузка...
