Vzorec uhla dopadu slnečných lúčov. Slnečné žiarenie

Byť maximálny je veľmi dôležité orientácia a uhol kolektora. Pre absorbovanie maximálneho množstva musí byť rovina solárneho kolektora vždy kolmá na slnečné lúče. Slnko však svieti na povrch Zeme v závislosti od dennej a ročnej doby. vždy v inom uhle. Preto je pre inštaláciu solárnych kolektorov potrebné poznať optimálnu orientáciu v priestore. Na posúdenie optimálnej orientácie kolektorov sa berie do úvahy rotácia Zeme okolo Slnka a okolo jeho osi, ako aj zmena vzdialenosti od Slnka. Na určenie polohy resp., je potrebné vziať do úvahy základné uhlové parametre:

Zemepisná šírka miesta inštalácie φ;

Hodinový uhol ω;

Uhol slnečnej deklinácie δ;

Uhol sklonu k horizontu β;

azimut α;

Zemepisná šírka miesta inštalácie(φ) ukazuje, koľko je miesto severne alebo južne od rovníka a zviera uhol od 0 ° do 90 °, počítané od roviny rovníka k jednému z pólov - severnému alebo južnému.

hodinový uhol(ω) prevádza miestny slnečný čas na počet stupňov, o ktoré sa slnko pohybuje po oblohe. Podľa definície je hodinový uhol na poludnie nulový. Zem sa otočí o 15° za hodinu. Ráno je uhol slnka negatívny, večer je pozitívny.

Uhol sklonu slnka(δ) závisí od rotácie Zeme okolo Slnka, keďže dráha rotácie má elipsovitý tvar a aj samotná os rotácie je naklonená, uhol sa v priebehu roka mení od 23,45° do -23,45°. Deklinačný uhol sa rovná nule dvakrát do roka v dňoch jarnej a jesennej rovnodennosti.

Deklinácia slnka pre konkrétny deň je určená vzorcom:

Nakloniť sa k horizontu(β) je vytvorená medzi horizontálnou rovinou a solárnym panelom. Napríklad pri montáži na šikmú strechu je uhol sklonu kolektora určený sklonom sklonu strechy.

Azimut(α) charakterizuje odchýlku absorbčnej roviny kolektora od južného smeru, kedy je slnečný kolektor orientovaný presne na juh, azimut = 0°.

Uhol dopadu slnečných lúčov na ľubovoľne orientovaný povrch, ktorý má určitú hodnotu azimutu α a uhol sklonu β, je určený vzorcom:

Ak v tomto vzorci nahradíme hodnotu uhla β 0, dostaneme výraz na určenie uhla dopadu slnečných lúčov na vodorovnú plochu:

Intenzita toku slnečného žiarenia pre určitú polohu absorbujúceho panelu v priestore sa vypočíta podľa vzorca:

Kde J s a J d sú intenzita tokov priameho a difúzneho slnečného žiarenia dopadajúceho na vodorovný povrch, resp.

Koeficienty polohy solárnych kolektorov pre priame a difúzne slnečné žiarenie.

Aby absorbér dostal maximálne (za odhadované obdobie) množstvo slnečnej energie, je kolektor namontovaný v naklonenej polohe s optimálnym uhlom sklonu k horizontu β, ktorý je určený výpočtovou metódou a závisí od periódy. využitie slnečnej sústavy. Pri južnej orientácii kolektora pre celoročné solárne systémy β = φ, pre sezónne solárne systémy β = φ–15°. Potom bude mať vzorec pre sezónne solárne systémy formu:

Celoročne:

Slnečné kolektory orientované na juh a namontované pod uhlom 30° až 65° vzhľadom k horizontu umožňujú dosiahnuť maximálnu hodnotu absorpcie. Ale aj pri určitých odchýlkach od týchto podmienok dokáže generovať dostatočné množstvo energie. Inštalácia pod nízkym uhlom je efektívnejšia, ak solárne kolektory alebo solárne polia nemožno orientovať na juh.

Napríklad, ak sú solárne panely orientované na juhozápad, s azimutom 45° a uhlom sklonu 30°, tak takýto systém bude schopný pohltiť až 95% maximálneho množstva slnečného žiarenia. Alebo pri orientácii na východ alebo západ možno do kolektora dodať až 85 % energie, keď sú panely inštalované pod uhlom 25-35°. Ak je uhol sklonu kolektora väčší, potom množstvo energie vstupujúcej na povrch kolektora bude rovnomernejšie, na podporu vykurovania je táto možnosť inštalácie efektívnejšia.

Orientácia solárneho kolektora často závisí od toho, že inštalácia kolektora sa vykonáva na streche budovy, preto je veľmi dôležité v štádiu projektovania zohľadniť možnosť optimálnej inštalácie kolektorov.

V tom istom geografickom bode v rôznych časoch dňa dopadajú slnečné lúče na zem pod rôznymi uhlami. Výpočtom tohto uhla a poznaním geografických súradníc možno presne vypočítať astronomický čas. Možný je aj opačný efekt. Pomocou chronometra, ktorý ukazuje presný astronomický čas, môžete georeferencovať bod.

Budete potrebovať

- gnomon;
- pravítko;
- vodorovný povrch;
- hladina kvapaliny na vytvorenie vodorovného povrchu;
- kalkulačka;
- tabuľky dotyčníc a kotangens.

Poučenie

Nájdite striktne vodorovný povrch. Skontrolujte to pomocou úrovne. Je možné použiť bublinkové aj elektronické zariadenia. Ak používate hladinu kvapaliny, bublina by mala byť presne v strede. Pre pohodlie ďalšej práce pripevnite na povrch list papiera. V tomto prípade je najlepšie použiť milimetrový papier. Ako vodorovný povrch si môžete vziať list hrubej, odolnej preglejky. Nemalo by mať priehlbiny a hrbole.
Na milimetrový papier nakreslite bodku alebo krížik. Nainštalujte gnomon vertikálne tak, aby sa jeho os zhodovala s vašou značkou. gnomon je tyč alebo tyč inštalovaná striktne vertikálne. Jeho vrchol má tvar ostrého kužeľa.
Umiestnite druhú bodku na koncový bod gnomonovho tieňa. Označte ho ako bod A a prvý - ako bod C. Mali by ste poznať výšku gnómonu s dostatočnou presnosťou. Čím väčší je gnomon, tým presnejší bude výsledok.
Zmerajte vzdialenosť z bodu A do bodu C akýmkoľvek spôsobom. Upozorňujeme, že merné jednotky sú rovnaké ako výška gnómonu. V prípade potreby preveďte na najvhodnejšie jednotky.
Na samostatný list papiera nakreslite kresbu pomocou získaných údajov. Na výkrese by ste mali dostať pravouhlý trojuholník, v ktorom pravý uhol C je umiestnenie gnomona, noha CA je dĺžka tieňa a noha CB je výška gnomona.
Vypočítajte uhol A pomocou dotyčnice alebo kotangens pomocou vzorca tgA=BC/AC. Keď poznáte dotyčnicu, určte skutočný uhol.
Výsledný uhol je uhol medzi vodorovným povrchom a slnečným lúčom. Uhol dopadu je uhol medzi kolmicou spadnutou na povrch a lúčom. To znamená, že sa rovná 90º-A.

Poznámka k riešeniu problémov na tému "Zem ako planéta slnečnej sústavy"

Na plnenie úloh na určenie výšky Slnka nad horizontom v rôznych bodoch nachádzajúcich sa na tej istej rovnobežke je potrebné určiť poludník pomocou údajov o čase greenwichského poludníka. Poledný poludník je určený vzorcom:

(12 hodín – čas greenwichského poludníka) * 15º – ak je poludník na východnej pologuli;

(Čas greenwichského poludníka - 12:00) * 15º - ak je poludník na západnej pologuli.

Čím bližšie sú poludníky navrhované v úlohe k poludníku, tým vyššie v nich bude Slnko, tým ďalej - tým nižšie.

Príklad 1. .

Určte, v ktorom z bodov označených písmenami na mape Austrálie bude 21. marca slnkonajvrchnejšie nad obzorom o 5:00 GMT slnečného času. Zapíšte si zdôvodnenie svojej odpovede.

Odpoveď. V bode A

Bod A je bližšie ako ostatné body k poludníku (12 - 5) * 15º \u003d 120º východne.

Príklad2. Určte, v ktorom z bodov označených písmenami na mape Severnej Ameriky sa bude nachádzať Slnko pod všetkým nad obzorom o 18:00 GMT. Napíšte svoje zdôvodnenie.

Odpoveď. V bode A (18-12)*15º =90 º

2. Vykonávať úlohy na určenie výšky Slnka nad obzorom v rôznych bodoch, ktoré nie sú na rovnakej rovnobežke, a keď je údaj o dni zimného (22. decembra) alebo letného (22. júna) slnovratu, potrebuješ

pamätajte, že Zem sa pohybuje proti smeru hodinových ručičiek a čím východnejšie je bod, tým skôr Slnko vyjde nad horizont.;

analyzovať polohu bodov uvedených v zadaní vo vzťahu k polárnym kruhom a obratníkom. Napríklad, ak otázka obsahuje údaj o dni - 20. december, znamená to deň blízky dňu zimného slnovratu, kedy sa na území severne od polárneho kruhu pozoruje polárna noc. To znamená, že čím severnejšie sa bod nachádza, tým neskôr Slnko vyjde nad horizont, čím južnejšie, tým skôr.

Určte, v ktorom z bodov označených písmenami na mape Severnej Ameriky je 20. decembra Slnko po prvé na greenwichskom poludníku vystúpi nad horizont čas. Napíšte svoje zdôvodnenie.

Odpoveď. V bode C.

Bod A sa nachádza na východ od bodu C a bod C je na severe (20. decembra, čím kratší deň, tým bližšie k severnému pólu).

Určte, ktorá z rovnobežiek: 20° severnej šírky, 10° severnej šírky na rovníku, 10° južnej šírky alebo 20° južnej šírky. - bude v deň, keď bude Zem na obežnej dráhe v polohe znázornenej na obrázku číslom 3, maximálna dĺžka dňa? Svoju odpoveď zdôvodnite.

Odpoveď.Maximálne trvanie bude na 20 S.

V bode 3 sa Zem nachádza v deň zimného slnovratu – 22. decembra, v podmienkach dlhšieho denného svetla – Južná pologuľa. Bod A zaberá najjužnejšiu polohu.

Na ktorej z rovnobežiek označených na obrázku písmenami je 22. decembra denný deň najkratší?

4. Na určenie zemepisnej šírky oblasti sa berie do úvahy závislosť uhla dopadu slnečných lúčov od zemepisnej šírky oblasti. V dňoch rovnodennosti(21. marca a 23. septembra), keď lúče Slnka dopadajú vertikálne na rovník, na určenie zemepisnej šírky sa používa vzorec:

90 º - uhol dopadu slnečných lúčov = zemepisná šírka oblasti (sever alebo juh je určený tieňmi vrhanými objektmi).

V dňoch slnovratu (22. júna a 22. decembra) treba vziať do úvahy, že lúče Slnka dopadajú vertikálne (pod uhlom 90º) na obratník (23.5. º N a 23,5º S). Preto sa na určenie zemepisnej šírky oblasti na osvetlenej pologuli (napríklad 22. júna na severnej pologuli) používa vzorec:

90º- (uhol dopadu slnečných lúčov - 23,5º) = zemepisná šírka oblasti

Na určenie zemepisnej šírky oblasti na neosvetlenej pologuli (napríklad 22. decembra na severnej pologuli) sa používa vzorec:

90º - (uhol dopadu slnečných lúčov + 23,5º) = zemepisná šírka oblasti

Príklad 1.

Určte zemepisné súradnice bodu, ak je známe, že v dňoch rovnodennosti je poludňajšie Slnko nad obzorom vo výške 40º (tieň objektu padá na sever) a miestny čas je o 3 hodiny pred časom Greenwichského poludníka. Zapíšte si svoje výpočty a úvahy

Odpoveď. 50 ° N, 60 ° E

90 º - 40 º = 50 º ( NL , pretože tieň objektov padá na sever na severnej pologuli)

(12-9)x15 =60º ( o.d. , pretože miestny čas je pred Greenwichským stredným časom, takže bod je umiestnený na východ)

Príklad2.

Určte zemepisné súradnice bodu, ktorý sa nachádza v Spojených štátoch, ak je známe, že 21. marca o 17. hodine slnečného času greenwichského poludníka je v tomto bode poludnie a Slnko je vo výške 50 ° nad horizontom. Napíšte svoje zdôvodnenie.

Odpoveď. 40ºN, 75ºW

90 º -50 º =40 º ( NL -pretože USA ležia na severnej pologuli

(17h - 12h)*15 = 75º (h.d., pretože sa nachádza od greenwichského poludníka na západ pre 3 časové pásma)

Príklad 3.

Určte zemepisnú šírku miesta, ak je známe, že 22. júna je poludňajšie Slnko nad obzorom vo výške 35º NL Zaznamenajte si svoje výpočty.

Odpoveď.78,5 º NL

90 ° (35 ° -23,5 ° ) = 78,5 s.l.

5. Na určenie poludníka (zemepisnej dĺžky oblasti), na ktorom sa bod nachádza, podľa času greenwichského poludníka a miestneho slnečného času je potrebné určiť časový rozdiel medzi nimi. Napríklad, ak je poludnie (12 hodín) na greenwichskom poludníku a miestny slnečný čas v určenom bode je 8 hodín, rozdiel (12-8) je 4 hodiny. Dĺžka jedného časového pásma je 15º. Na určenie požadovaného meridiánu sa vypočíta 4 x 15º = 60º. Na určenie hemisféry, v ktorej sa daný poludník nachádza, si treba uvedomiť, že Zem sa otáča zo západu na východ (proti smeru hodinových ručičiek). Takže, ak je čas Greenwichského poludníka väčší ako v danom bode, bod je na západnej pologuli (ako v navrhovanom príklade). Ak je čas greenwichského poludníka menší ako daný bod, bod sa nachádza na východnej pologuli.

Príklad.

Na akom poludníku sa bod nachádza, ak je známe, že na poludnie podľa greenwichského poludníka je v ňom miestny slnečný čas 16 hodín? Napíšte svoje zdôvodnenie.

Odpoveď. Bod je na poludníku 60º o.d.

16h. -12 hod. = 4 hodiny (časový rozdiel)

4x15º = 60º

Východná dĺžka, pretože v bode 16:00, keď je ešte 12:00 v Greenwichi (t. j. bod sa nachádza na východe)

Najdôležitejším zdrojom, z ktorého povrch Zeme a atmosféra získavajú tepelnú energiu, je Slnko. Vysiela do svetového priestoru obrovské množstvo žiarivej energie: tepelnú, svetelnú, ultrafialovú. Elektromagnetické vlny vyžarované Slnkom sa šíria rýchlosťou 300 000 km/s.

Ohrievanie zemského povrchu závisí od uhla dopadu slnečných lúčov. Všetky slnečné lúče dopadajú na zemský povrch navzájom rovnobežne, no keďže má Zem guľovitý tvar, slnečné lúče dopadajú na rôzne časti jej povrchu pod rôznymi uhlami. Keď je Slnko na svojom zenite, jeho lúče dopadajú vertikálne a Zem sa viac zahrieva.

Celková energia žiarenia vyslaná Slnkom sa nazýva slnečné žiarenie, zvyčajne sa vyjadruje v kalóriách na plochu povrchu za rok.

Slnečné žiarenie určuje teplotný režim vzdušnej troposféry Zeme.

Treba si uvedomiť, že celkové množstvo slnečného žiarenia je viac ako dvojmiliardkrát väčšie ako množstvo energie prijatej Zemou.

Žiarenie dopadajúce na zemský povrch pozostáva z priameho a difúzneho.

Žiarenie, ktoré prichádza na Zem priamo zo Slnka vo forme priameho slnečného žiarenia na bezoblačnej oblohe, sa nazýva rovno. Prenáša najväčšie množstvo tepla a svetla. Ak by naša planéta nemala atmosféru, zemský povrch by dostával len priame žiarenie.

Pri prechode atmosférou je však asi štvrtina slnečného žiarenia rozptýlená molekulami plynu a nečistotami, odchyľuje sa od priamej cesty. Niektoré z nich sa dostávajú na povrch Zeme a tvoria sa rozptýlené slnečné žiarenie. Svetlo vďaka rozptýlenému žiareniu preniká aj do miest, kam nepreniká priame slnečné žiarenie (priame žiarenie). Toto žiarenie vytvára denné svetlo a dáva farbu oblohe.

Celkové slnečné žiarenie

Všetky lúče slnka, ktoré dopadnú na zem, sú celkové slnečné žiarenie tj súhrn priameho a difúzneho žiarenia (obr. 1).

Ryža. 1. Celkové slnečné žiarenie za rok

Rozloženie slnečného žiarenia po zemskom povrchu

Slnečné žiarenie je na Zemi rozložené nerovnomerne. Záleží:

1. na hustote a vlhkosti vzduchu - čím sú vyššie, tým menej žiarenia dostáva zemský povrch;

2. od zemepisnej šírky oblasti - množstvo žiarenia stúpa od pólov k rovníku. Množstvo priameho slnečného žiarenia závisí od dĺžky dráhy, ktorú slnečné lúče prechádzajú atmosférou. Keď je Slnko v zenite (uhol dopadu lúčov je 90°), jeho lúče dopadajú na Zem najkratšou cestou a intenzívne odovzdávajú svoju energiu malej ploche. Na Zemi k tomu dochádza v pásme medzi 23° severnej šírky. sh. a 23° j sh., teda medzi trópomi. Pri vzďaľovaní sa od tejto zóny na juh alebo sever sa dĺžka dráhy slnečných lúčov zväčšuje, teda zmenšuje sa uhol ich dopadu na zemský povrch. Lúče začínajú dopadať na Zem pod menším uhlom, akoby kĺzali a blížia sa k dotyčnici v oblasti pólov. V dôsledku toho sa rovnaký tok energie rozloží na väčšiu plochu, takže množstvo odrazenej energie sa zvyšuje. V oblasti rovníka, kde slnečné lúče dopadajú na zemský povrch pod uhlom 90°, je teda množstvo priameho slnečného žiarenia prijímané zemským povrchom vyššie, a keď sa pohybujete smerom k pólom, toto množstvo je vyššie. prudko znížená. Okrem toho dĺžka dňa v rôznych ročných obdobiach závisí aj od zemepisnej šírky oblasti, ktorá určuje aj množstvo slnečného žiarenia vstupujúceho na zemský povrch;

3. z ročného a denného pohybu Zeme - v stredných a vysokých zemepisných šírkach sa prílev slnečného žiarenia veľmi mení podľa ročných období, čo súvisí so zmenou poludňajšej nadmorskej výšky Slnka a dĺžky dňa. ;

4. na charakter zemského povrchu – čím je povrch svetlejší, tým viac slnečného svetla odráža. Schopnosť povrchu odrážať žiarenie je tzv albedo(z lat. belosť). Sneh odráža žiarenie obzvlášť silno (90 %), piesok je slabší (35 %), černozeme ešte slabšie (4 %).

Zemský povrch, absorbuje slnečné žiarenie (absorbované žiarenie), zahrieva a vyžaruje teplo do atmosféry (odrazené žiarenie). Spodné vrstvy atmosféry do značnej miery oneskorujú pozemské žiarenie. Žiarenie absorbované zemským povrchom sa spotrebuje na ohrev pôdy, vzduchu a vody.

Tá časť celkového žiarenia, ktorá zostane po odraze a tepelnom žiarení zemského povrchu, sa nazýva tzv radiačnej bilancie. Radiačná bilancia zemského povrchu sa počas dňa a ročných období mení, no v priemere za rok má všade kladnú hodnotu, s výnimkou ľadových púští Grónska a Antarktídy. Radiačná bilancia dosahuje svoje maximálne hodnoty v nízkych zemepisných šírkach (medzi 20°N a 20°J) - nad 42*10 2 J/m 2 , v zemepisnej šírke okolo 60° na oboch hemisférach klesá na 8*10 2 - 13 * 102 J / m2.

Slnečné lúče odovzdávajú až 20 % svojej energie atmosfére, ktorá je rozložená po celej hrúbke vzduchu, a preto je nimi spôsobené ohrievanie vzduchu relatívne malé. Slnko ohrieva zemský povrch, ktorý odovzdáva teplo atmosférickému vzduchu v dôsledku konvekcia(z lat. konvekcia- dodanie), t.j. vertikálny pohyb vzduchu ohriateho na zemskom povrchu, na miesto ktorého klesá chladnejší vzduch. Atmosféra tak prijíma väčšinu tepla – v priemere trikrát viac ako priamo zo Slnka.

Prítomnosť oxidu uhličitého a vodnej pary nedovoľuje teplu odrážanému od zemského povrchu voľne uniknúť do vesmíru. Tvoria Skleníkový efekt, vďaka čomu pokles teploty na Zemi počas dňa nepresiahne 15 °C. Pri absencii oxidu uhličitého v atmosfére by sa zemský povrch cez noc ochladil o 40-50 °C.

V dôsledku nárastu rozsahu ľudskej ekonomickej aktivity - spaľovanie uhlia a ropy v tepelných elektrárňach, emisie z priemyselných podnikov, zvyšovanie emisií automobilov - sa zvyšuje obsah oxidu uhličitého v atmosfére, čo vedie k nárast skleníkového efektu a ohrozuje globálnu zmenu klímy.

Slnečné lúče, ktoré prešli atmosférou, dopadajú na povrch Zeme a zahrievajú ho, čo zase odovzdáva teplo atmosfére. To vysvetľuje charakteristický rys troposféry: pokles teploty vzduchu s výškou. Ale sú chvíle, keď sú horné vrstvy atmosféry teplejšie ako spodné. Takýto jav sa nazýva teplotná inverzia(z lat. inversio - prevrátenie).