Основные публикации по солнечной энергии

Диффузное излучение на поверхности Земли

Как было отмечено выше, составляющие атмосферы рассеивают Некоторую долю солнечного излучения и часть этого рассеянного из­лучения достигает поверхности Земли. Таким образом, всегда, даже £ периоды очень чистого неба, имеет место диффузное излучение. Гак как в периоды сплошной облачности солнечное излучение рассеи­вается в облаках на частицах воды и пыли, то все излучение, дости­гающее Земли, будет диффузным. Подробное рассмотрение диффуз­ного излучения (рассеяние при ясной или облачной атмосфере) приве­дено Фрицем [5J.

Как правило, мы не располагаем достаточно надежными данны­ми о состоянии атмосферы, на основе которых можно было бы рас - очитать интенсивность излучения, спектральное распределение или распределение диффузного излучения в различных направлениях у Поверхности Земли. Распределение диффузного излучения по направ­лениям рассматривается в разд. 3.7.

2.5. Направление распространения прямого солнечного излучения

Геометрические соотношения, описывающие положение плоскос­ти, определенным образом ориентированной относительно Земли в какой-либо момент времени (независимо от того, неподвижна эта ЛЬлоскость или перемещается относительно Земли), и прямого сол­нечного излучения, т. е. положение Солнца относительно этой плос - хкостм могут быть записаны с помощью ряда углов. Эти углы сле-

<р — широта местности (положительная для северного полу­шария);

Б — склонение, т. е. угловое положение Солнца в солнеч­ный полдень относительно плоскости экватора (положительное для северного полушария);

s — угол между рассматриваемой плоскостью и горизон­тальной поверхностью (т. е. наклон);

у — азимутальный угол плоскости, т. е. отклонение норма­ли к плоскости от местного меридиана (за начало отсчета при­нимается южное направление, отклонение к востоку считается положительным, к западу — отрицательным);

со — часовой угол, равный иулю в солнечный полдень; каж­дый час соответствует Iff5 долготы, причем значения часового угла До полудня считаются положительными, а после полудня — отри­цательными (например, со = +15 в 11.00 и со = —37,5 в 14.30);

в — угол падения прямого солнечного излучения, измеряе­мый между направлением излучения и нормалью к пс верхности. Склонение 6 можно определить по приближенной формуле Купе-

(2.5.1)

где п — порядковый номер дня года[3]. Соотношение между е и други­ми углами можно записать в следующем виде:

cos 0 = sin Б sin Ф COS s — sin Б COS Ф sin S COS у +

+ COS Б COS Ф COS S COS CO + COS Б sin Ф sin S COS у COS CO +

+ cos Б sin s sin у sin со.

Пример 2.5.1. Определить угол падения прямого солнечно­го излучения на поверхность, расположенную в Мадисоне, шт. Вис­консин, 15 февраля в 14.30, если поверхность наклонена под уг­лом 45° к горизонту и ориентирована под углом 15° к западу от направления на юг.

При этих условиях склонение равно —14°, часовой угол —37,5°, а азимутальный угол поверхности —15°. С учетом того, что угол наклона поверхности составляет 45° и что Мадисон расположен на 43° с. ш., соотношение (2.5.2) приобретает вид cos 0 = sin (—14) sin 43 cos 45 — sin (—14) cos 43 sin 45 cos (—15)+ + cos (—14) cos 43 cos 45 cos (—37,5) +

+ cos (—14) sin 43 sin 45 cos (—15) cos (—37,5) +

+ cos (—14) sin 45 sin (—15) sin (—37,5) =

= -0,1167 + 0,1208 + 0,3981 + 0,3586 + 0,1081 = 0,8689,

0 = 30°.

Можно ввести также дополнительные углы. Чаще всего используют­ся следующие углы:

ег - зенитный угол, т. е. угол между направлением на Солнце и вертикалью;

а = 90° — 0г — высота солнцестояния, т. е. угол между направ­лением на Солнце и горизонтальной поверхностью.

(В архитектуре и осветительной технике используются другие мглы, например профильный угол. Следует с осторожностью пользо - іаться источниками информации об этих углах, учитывая вводимые івторами определения и принятые ими правила о знаках.)

Во многих случаях соотношение, связывающее указанные углы, («прощается. Например, для фиксированных плоских коллекторов, об­вешенных к экватору, у = 0 и последний член становится равным ну - цо. Для вертикальных поверхностей s = 90°, так что первый и тре - цЙ члены становятся равными нулю. Для горизонтальных поверхностей, ког - I * = 0°, в соотношении остаются только первый и третий члены, а угол паде- ИЯ лучей на поверхность (т. е. зенитный угол Солнца) становится равным

^08 02 = sin Б sin 9 + COS Б COS 9 COS CO. (2.5.3)

Пример 2*5.2. Определить зенитный угол Солнца в Мади­соне 15 февраля в 14.30.

В этом случае соотношение (2.5.3) имеет вид cos 02 = sin (—14) sin 43 + cos (—14) cos 43 cos (—37,5) =0,3980, ez = 66°.

Для угла падения лучей на поверхности, обращенные к северу ри югу, могут быть получены удобные выражения, если учесть, что ІКЯ поверхности с углом наклона s к северу или югу (т. е. у = 0)

справедливы те же соотношения, что и для горизонтальной поверх­ности, расположенной на воображаемой широте (<р — s). Взаимное по ложение углов показано на фиг. 2.5.1. Преобразуя соотношение (2.5.3), получаем

COS Bf - cos (tp — s) COS Б COS CO + sin (ф — s) sin Б. (2.5.4)

Следует отметить, что угол наклона s измеряется между горизон­тальной поверхностью и плоскостью рассматриваемой поверхности и считается положительным, когда поверхность обращена к экватору.

Соотношение (2.5.3) можно решить относительно часового угла со в момент захода Солнца, когда е _ = 90°:

sin ф sin Б

cos со. = — •

cos ф cos Б

(2.5.5)

cos cos = _tg ф tg Б.

Из этого следует также, что продолжительность светового дня мо­жет быть задана соотношением

2

ТЛ= — arc cos (—tg ф tg Б) . (2.5.6)

d 15

Значения азимутального угла Солнца и высоты солнцестояния та­булированы в зависимости от широты местности, склонения и часо­вого угла Гидрографическим отделом США [11]. Данные о положении Солнца на небосклоне могут быть также получены более простым, хотя и менее точным способом с помощью диаграмм различных ти­пов. Примерами могут служить Численник солнечных углов [8] и диа­граммы в статье Ханда [6]. (Следует отметить, что при использова­нии информации, полученной из подобных источников, необходима осторожность, так как определения углов могут отличаться от приня­тых в данной работе.) Полезное обсуждение этих геометрических со­отношений представлено также в работе Брукса [2].