Jak określić kąt padania światła słonecznego. Współczesne uwarunkowania dopływu i dystrybucji promieniowania słonecznego

Wysokość słońca znacząco wpływa na dotarcie promieniowania słonecznego. Kiedy kąt padania promieni słonecznych jest mały, promienie muszą przejść przez atmosferę. Promieniowanie słoneczne jest częściowo pochłaniane, część promieni odbija się od cząstek zawieszonych w powietrzu i dociera do powierzchni ziemi w postaci promieniowania rozproszonego.

Wysokość słońca stale się zmienia wraz z przejściem z zimy w lato, podobnie jak zmiana dnia. Kąt ten osiąga największą wartość o godzinie 12:00 (czasu słonecznego). Powszechnie mówi się, że w tym momencie słońce znajduje się w zenicie. W południe natężenie promieniowania również osiąga swoją wartość maksymalną. Minimalne wartości natężenia promieniowania osiągane są rano i wieczorem, gdy słońce znajduje się nisko nad horyzontem, a także zimą. To prawda, że \u200b\u200bzimą na ziemię pada nieco więcej bezpośredniego światła słonecznego. Wynika to z faktu, że wilgotność bezwzględna powietrza zimowego jest niższa i dlatego pochłania mniej promieniowania słonecznego.

Słońce wschodzi o godzinie 6:00 na wschodzie i delikatnie oświetla wschodnią ścianę elewacji (tylko w postaci promieniowania odbitego przez atmosferę). Wraz ze wzrostem kąta padania promieni słonecznych gwałtownie wzrasta intensywność promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię ściany elewacyjnej. Około godziny 8.00 natężenie promieniowania słonecznego wynosi już ok. 500 W/m², a nieco przed południem na południowej ścianie elewacji budynku osiąga maksymalną wartość ok. 700 W/m².

Kiedy w ciągu jednego dnia kula ziemska obraca się wokół własnej osi, czyli wraz z pozornym ruchem słońca po kuli ziemskiej, kąt padania promieni słonecznych zmienia się nie tylko w kierunku pionowym, ale także poziomym. Ten kąt w płaszczyźnie poziomej nazywany jest kątem azymutalnym. Pokazuje, o ile stopni kąt padania promieni słonecznych odchyla się od kierunku północnego, jeśli pełny okrąg wynosi 360°. Kąty pionowy i poziomy są ze sobą powiązane w ten sposób, że gdy zmieniają się pory roku, zawsze dwa razy w roku kąt wysokości słońca na niebie okazuje się taki sam przy tych samych wartościach kąta azymutalnego .

Trajektorie Słońca podczas jego pozornego ruchu po kuli ziemskiej zimą i latem w dniach równonocy wiosennej i jesiennej. Rzutując te trajektorie na płaszczyznę poziomą, uzyskuje się obraz płaski, za pomocą którego można dokładnie opisać położenie słońca na niebie patrząc z określonego punktu na kuli ziemskiej. Taka mapa trajektorii Słońca nazywana jest diagramem słonecznym lub po prostu mapą słoneczną. Ponieważ trajektoria słońca zmienia się podczas przemieszczania się z południa (od równika) na północ, każda szerokość geograficzna ma swoją charakterystyczną mapę słońca.

Odbicie promieniowania słonecznego od powierzchni ziemi

Zimą znaczna ilość dodatkowego promieniowania słonecznego może odbijać się od powierzchni ziemi na powierzchnie pionowe, takie jak ściany elewacyjne budynków. Z całkowitej ilości energii słonecznej padającej na poziomą powierzchnię ziemi aż do 50-80%, w zależności od czystości śniegu, odbija się od pokrywy śnieżnej. Nierówna powierzchnia ziemi, roślinność pozostająca pod pokrywą śnieżną itp. rozpraszają większość promieniowania słonecznego. Oznacza to, że tylko około połowa promieniowania padającego na powierzchnię poziomą zostaje odbita i trafia w powierzchnię ściany elewacyjnej. Można obliczyć, że w wyniku odbicia prawdopodobieństwo wykorzystania promieniowania słonecznego wzrasta o około 25%. Taki zysk jest znaczący, szczególnie na początku wiosny, kiedy kąt wysokości słońca na niebie szybko rośnie, a co za tym idzie, więcej światła słonecznego spadnie na powierzchnię ziemi i odbije się od niej.

Śnieg jest naturalnym izolatorem; 30 cm śniegu odpowiada warstwie wełny mineralnej o grubości 5 cm. Wiosną śnieg topnieje najpierw od strony południowej, przez co zwiększa się powierzchnia, przez którą światło słoneczne przenika do szklarni (w przypadku rozmrożenia szronu na szybie).

Ciekawą opcję budowy szklarni w Laponii opracował były dyrektor Instytutu Meteorologii, profesor Rossi. Rozwiązanie to optymalnie wykorzystuje warunki klimatyczne Laponii, zarówno pod względem magazynowania energii słonecznej (do ogrzewania), jak i pod kątem ochrony szklarni przed wiatrem i utratą ciepła.

Południowa połowa nieba

Dobra metoda określenia okresu nasłonecznienia w szklarni jest następująca: wyobraź sobie, że stoisz w tej szklarni i patrzysz zgodnie z ruchem wskazówek zegara ze wschodu na zachód i w górę od horyzontu. Dzięki temu jest tak, jakbyś znajdował się pośrodku nieba i szklarni, a przed tobą widok na południową połowę nieba. Od jesieni do wiosny słońce wschodzi i zachodzi wzdłuż takiej strefy w kształcie półkopuły. W dowolnym dniu określonego okresu przemieszcza się po powierzchni tej strefy i jest widoczny (przy bezchmurnej pogodzie) od rana do wieczora. W fińskich warunkach słońce nigdy nie świeci bezpośrednio z góry na dół, jak ma to miejsce w krajach południowych w pobliżu równika (±23,5° szerokości geograficznej północnej i południowej). Jednak ze względu na rozproszenie promieniowania słonecznego, np. w pochmurny dzień, światło wpada do szklarni ze wszystkich stron, nawet bezpośrednio z góry (ryc. 43). Konieczne jest, aby rośliny były wystawione na działanie światła słonecznego przez jak najdłuższy dzień, ponieważ reakcja fotosyntezy nie nastąpi, jeśli światło jest zbyt słabe. Większość roślin wymaga minimalnego poziomu światła słonecznego od 2000 do 3000 luksów, aby zapewnić zadowalające warunki wzrostu.

Ryż. 42. Widok południowej połowy nieba ze szklarni przy braku przeszkód.

Ryż. 43. Widok ze szklarni na południową połowę nieba.

Nawet jeśli część ścian i sufitu tworzy barierę, otwiera się 50% południowej połowy nieba.

W środku zimy takie wartości oświetlenia na zewnątrz osiąga się dopiero w południe na około 1 godzinę, a często ze względu na grubą warstwę chmur nawet to jest wykluczone. Dopiero w lutym (październiku) pożądane średnie poziomy oświetlenia osiągane są przez wystarczająco długi czas (od około 9:00 do 15:00).

W przypadku uprawy roślin światło jest ważniejszym czynnikiem niż temperatura, dlatego należy zadbać o to, aby sama szklarnia, a zwłaszcza rośliny, otrzymały wystarczającą ilość energii świetlnej poprzez odpowiednie rozmieszczenie i ukształtowanie szklarni. Promienie słoneczne muszą przeniknąć przez 1-2 warstwy szkła lub pokrycia polietylenowego, dzięki czemu intensywność światła słonecznego wpadającego do szklarni zmniejsza się o około 30%. Środowisko często zawiera również budynki i rośliny, które tworzą cień, a tym samym ograniczają użyteczne oświetlenie dostarczane przez światło słoneczne.

Są dwa powody, dla których nie zaleca się budowania szklarni w całości z materiałów przezroczystych: po pierwsze, w słoneczne dni w takiej szklarni może gromadzić się zbyt dużo energii promieniowania, powodując wzrost temperatury do niedopuszczalnego poziomu; po drugie, materiały przepuszczające światło mają słabe właściwości termoizolacyjne, co może skutkować dużymi stratami ciepła.

Aby uzyskać zadowalający efekt końcowy, należy zoptymalizować szereg czynników, takich jak orientacja szklarni, wielkość przeszklonej powierzchni powłoki szklarniowej, jej kształt i zdolność magazynowania ciepła, a także zminimalizować zacienienie szklarni przez środowisko w zimnych porach roku.

Proces ten jest bardzo skomplikowany i wymaga pomocy komputera. Na podstawie automatycznego przetwarzania informacji „atk” i biorąc pod uwagę praktyczne doświadczenia, można sformułować „zasadę praktyczną” (czyli najlepsze rozwiązanie), zgodnie z którą powierzchnia powłoki przepuszczającej światło szklarnia powinna być taka, aby połowa nieba była odsłonięta.

Jeśli szklarnia jest wykorzystywana głównie jako przestrzeń domowa, powierzchnię powłoki przepuszczającej światło można nieznacznie zmniejszyć. W tym przypadku ważne jest osiągnięcie korzystnej temperatury, czyli ograniczenie strat ciepła, gdyż szklarnię chętnie korzystają w wieczory jesienne i wiosenne, kiedy słońce jest już za horyzontem. W takim przypadku małe obszary do uprawy roślin można zorganizować w dobrze oświetlonych miejscach.

Najważniejszym źródłem energii cieplnej, z której powierzchnia i atmosfera Ziemi otrzymują energię cieplną, jest Słońce. Wysyła w przestrzeń kosmiczną kolosalną ilość energii promieniowania: termicznej, świetlnej, ultrafioletowej. Fale elektromagnetyczne emitowane przez Słońce przemieszczają się z prędkością 300 000 km/s.

Ogrzewanie powierzchni ziemi zależy od kąta padania promieni słonecznych. Wszystkie promienie słoneczne docierają do powierzchni Ziemi równolegle do siebie, ale ponieważ Ziemia jest kulista, promienie słoneczne padają na różne części jej powierzchni pod różnymi kątami. Kiedy Słońce znajduje się w zenicie, jego promienie padają pionowo, a Ziemia nagrzewa się bardziej.

Nazywa się cały zestaw energii promieniowania wysyłanej przez Słońce Promieniowanie słoneczne, zwykle wyraża się ją w kaloriach na jednostkę powierzchni rocznie.

Promieniowanie słoneczne determinuje reżim temperaturowy troposfery powietrza Ziemi.

Należy zauważyć, że całkowita ilość promieniowania słonecznego jest ponad dwa miliardy razy większa niż ilość energii odbieranej przez Ziemię.

Promieniowanie docierające do powierzchni ziemi składa się z bezpośredniego i rozproszonego.

Nazywa się promieniowaniem, które dociera na Ziemię bezpośrednio ze Słońca w postaci bezpośredniego światła słonecznego pod bezchmurnym niebem prosty. Przenosi najwięcej ciepła i światła. Gdyby nasza planeta nie miała atmosfery, powierzchnia Ziemi otrzymywałaby jedynie bezpośrednie promieniowanie.

Jednak przechodząc przez atmosferę, około jedna czwarta promieniowania słonecznego jest rozpraszana przez cząsteczki gazu i zanieczyszczenia i odchyla się od bezpośredniej ścieżki. Część z nich dociera do powierzchni Ziemi, tworząc rozproszone promieniowanie słoneczne. Dzięki promieniowaniu rozproszonemu światło dociera do miejsc, do których nie dociera bezpośrednie światło słoneczne (promieniowanie bezpośrednie). Promieniowanie to wytwarza światło dzienne i nadaje kolor niebu.

Całkowite promieniowanie słoneczne

Są to wszystkie promienie słoneczne docierające do Ziemi całkowite promieniowanie słoneczne, tj. całość promieniowania bezpośredniego i rozproszonego (ryc. 1).

Ryż. 1. Całkowite promieniowanie słoneczne w ciągu roku

Rozkład promieniowania słonecznego na powierzchni ziemi

Promieniowanie słoneczne rozkłada się nierównomiernie na całej Ziemi. To zależy:

1. na gęstość i wilgotność powietrza - im są one wyższe, tym mniej promieniowania otrzymuje powierzchnia ziemi;

2. w zależności od szerokości geograficznej obszaru – ilość promieniowania wzrasta od biegunów do równika. Ilość bezpośredniego promieniowania słonecznego zależy od długości drogi, jaką promienie słoneczne pokonują atmosferę. Kiedy Słońce znajduje się w zenicie (kąt padania promieni wynosi 90°), jego promienie uderzają w Ziemię najkrótszą drogą i intensywnie oddają swoją energię na niewielkim obszarze. Na Ziemi ma to miejsce w paśmie pomiędzy 23° N. w. i 23° S. sh., tj. pomiędzy tropikami. W miarę oddalania się od tej strefy na południe lub północ długość ścieżki promieni słonecznych wzrasta, to znaczy maleje kąt ich padania na powierzchnię ziemi. Promienie zaczynają padać na Ziemię pod mniejszym kątem, jakby się przesuwając, zbliżając się do linii stycznej w rejonie biegunów. W efekcie ten sam przepływ energii rozkłada się na większym obszarze, przez co zwiększa się ilość odbitej energii. Zatem w rejonie równika, gdzie promienie słoneczne padają na powierzchnię Ziemi pod kątem 90°, ilość bezpośredniego promieniowania słonecznego odbieranego przez powierzchnię Ziemi jest większa, a w miarę zbliżania się do biegunów ilość ta gwałtownie maleje. Ponadto długość dnia w różnych porach roku zależy od szerokości geograficznej danego obszaru, która decyduje również o ilości promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi;

3. z rocznego i dobowego ruchu Ziemi – na średnich i wysokich szerokościach geograficznych dopływ promieniowania słonecznego jest bardzo zróżnicowany w zależności od pory roku, co wiąże się ze zmianami południowej wysokości Słońca i długości dnia;

4. o naturze powierzchni ziemi – im jaśniejsza powierzchnia, tym więcej światła słonecznego odbija. Zdolność powierzchni do odbijania promieniowania nazywa się albedo(od łacińskiej bieli). Śnieg odbija promieniowanie szczególnie silnie (90%), piasek słabiej (35%), a czarnoziem jeszcze słabiej (4%).

Powierzchnia Ziemi pochłaniająca promieniowanie słoneczne (promieniowanie pochłonięte), nagrzewa się i emituje ciepło do atmosfery (promieniowanie odbite). Dolne warstwy atmosfery w dużej mierze blokują promieniowanie ziemskie. Promieniowanie pochłonięte przez powierzchnię ziemi jest wykorzystywane do ogrzewania gleby, powietrza i wody.

Nazywa się tę część całkowitego promieniowania, która pozostaje po odbiciu i promieniowaniu cieplnym powierzchni ziemi bilans promieniowania. Bilans promieniowania powierzchni Ziemi zmienia się w ciągu dnia i w zależności od pór roku, ale średnio w ciągu roku ma wszędzie wartość dodatnią, z wyjątkiem lodowych pustyń Grenlandii i Antarktydy. Bilans promieniowania osiąga maksymalne wartości na niskich szerokościach geograficznych (od 20° N do 20° S) - powyżej 42*10 2 J/m 2 , na szerokości około 60° w obu półkulach spada do 8*10 2 - 13*10 2 J/m2.

Promienie słoneczne oddają do atmosfery aż 20% swojej energii, która rozkłada się na całej grubości powietrza, dlatego też nagrzewanie powietrza przez nie jest stosunkowo niewielkie. Słońce ogrzewa powierzchnię Ziemi, która dzięki temu oddaje ciepło do powietrza atmosferycznego konwekcja(od łac. konwekcja- nawiew), czyli pionowy ruch powietrza ogrzanego przy powierzchni ziemi, w miejsce którego opada chłodniejsze powietrze. W ten sposób atmosfera otrzymuje większość ciepła – średnio trzy razy więcej niż bezpośrednio od Słońca.

Obecność dwutlenku węgla i pary wodnej nie pozwala ciepłu odbitemu od powierzchni ziemi na swobodną ucieczkę w przestrzeń kosmiczną. Tworzą Efekt cieplarniany, dzięki czemu różnica temperatur na Ziemi w ciągu dnia nie przekracza 15°C. W przypadku braku dwutlenku węgla w atmosferze powierzchnia ziemi ostygłaby w ciągu nocy o 40–50°C.

W wyniku rosnącej skali działalności gospodarczej człowieka – spalania węgla i ropy w elektrowniach cieplnych, emisji z przedsiębiorstw przemysłowych, wzrostu emisji z samochodów – wzrasta zawartość dwutlenku węgla w atmosferze, co prowadzi do wzrostu w efekcie cieplarnianym i zagraża globalnej zmianie klimatu.

Promienie słoneczne przechodząc przez atmosferę uderzają w powierzchnię Ziemi i ogrzewają ją, co z kolei oddaje ciepło do atmosfery. To wyjaśnia charakterystyczną cechę troposfery: spadek temperatury powietrza wraz z wysokością. Ale zdarzają się przypadki, gdy wyższe warstwy atmosfery okazują się cieplejsze niż niższe. Zjawisko to nazywa się inwersja temperatury(z łaciny inversio - przewrócenie).

Notatka dotycząca rozwiązywania problemów na temat „Ziemia jako planeta Układu Słonecznego”

Aby wykonać zadania polegające na określeniu wysokości Słońca nad horyzontem w różnych punktach położonych na tym samym równoleżniku, konieczne jest wyznaczenie południka południowego na podstawie danych o czasie południka Greenwich. Południk południowy wyznacza się według wzoru:

(12 godzin - czas południka Greenwich) * 15° - jeśli południk znajduje się na półkuli wschodniej;

(Czas południka Greenwich wynosi 12 godzin) * 15° – jeśli południk znajduje się na półkuli zachodniej.

Im bliżej południka południowego znajdują się proponowane w zadaniu południki, tym wyżej będzie w nich Słońce, im dalej, tym niżej.

Przykład 1. .

Określ, który z punktów wskazanych literami na mapie Australii, 21 marca, znajdzie się słońcenajwyższy nad horyzontem o godzinie 5:00 czasu słonecznego, południk Greenwich. Zapisz uzasadnienie swojej odpowiedzi.

Odpowiedź. W punkcie A,

Punkt A jest bliżej niż inne punkty południka południa (12 - 5)*15° = 120° na wschód.

Przykład 2. Określ, w którym z literowych punktów na mapie Ameryki Północnej będzie znajdować się Słońce najniższy nad horyzontem o godzinie 18:00 czasu południka Greenwich. Zapisz swoje uzasadnienie.

Odpowiedź. W punkcie A (18-12)*15º =90 º

2. Wykonywanie zadań mających na celu określenie wysokości Słońca nad horyzontem w różnych punktach nie leżących na tym samym równoleżniku oraz w przypadku wskazania dnia przesilenia zimowego (22 grudnia) lub letniego (22 czerwca), potrzebujesz

pamiętaj, że Ziemia porusza się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara i im dalej na wschód znajduje się ten punkt, tym wcześniej Słońce wzejdzie nad horyzontem.;

przeanalizuj położenie wskazanych w zadaniu punktów względem kręgów polarnych i tropików. Na przykład, jeśli pytanie wskazuje dzień - 20 grudnia, oznacza to dzień bliski przesilenia zimowego, kiedy na terytorium na północ od koła podbiegunowego obserwuje się noc polarną. Oznacza to, że im dalej na północ położony jest punkt, tym później Słońce wzejdzie nad horyzontem, im dalej na południe, tym wcześniej.

Określ, który z punktów wskazanych literami na mapie Ameryki Północnej, 20 grudnia, to Słońce Przede wszystkim zgodnie z czasem południka Greenwich wzniesie się nad horyzont. Zapisz swoje uzasadnienie.

Odpowiedź. W punkcie C.

Punkt A położony jest na wschód od punktu C, a punkt C na północ (20 grudnia dzień jest tym krótszy, im bliżej bieguna północnego).

Określ, które z równoleżników: 20° N, 10° N na równiku, 10° S czy 20° S. – czy maksymalna długość dnia zostanie zaobserwowana w dniu, w którym Ziemia znajdzie się na orbicie w pozycji pokazanej na rysunku jako numer 3? Uzasadnij swoją odpowiedź.

Odpowiedź.Maksymalny czas trwania będzie na 20 szerokości geograficznej południowej.

W punkcie 3 Ziemia znajduje się w dniu przesilenia zimowego – 22 grudnia, w warunkach dłuższego światła dziennego – półkula południowa. Punkt A zajmuje najbardziej wysunięte na południe położenie.

W którym z równoleżników oznaczonych literami na rysunku dzień 22 grudnia jest najkrótszy?

4. Do określenia szerokości geograficznej obszaru uwzględnia się zależność kąta padania promieni słonecznych od szerokości geograficznej obszaru. W dni równonocy(21 marca i 23 września), gdy promienie Słońca padają pionowo na równik, do określenia szerokości geograficznej stosuje się wzór:

90 º - kąt padania światła słonecznego = szerokość geograficzna obszaru (północ lub południe zależy od cienia rzucanego przez obiekty).

W dni przesilenia (22 czerwca i 22 grudnia) należy wziąć pod uwagę, że promienie słoneczne padają pionowo (pod kątem 90°) na zwrotnik (23,5 º N i 23,5° S). Dlatego do określenia szerokości geograficznej obszaru na oświetlonej półkuli (na przykład 22 czerwca na półkuli północnej) stosuje się wzór:

90°- (kąt padania światła słonecznego - 23,5°) = szerokość geograficzna obszaru

Aby określić szerokość geograficzną obszaru na nieoświetlonej półkuli (na przykład 22 grudnia na półkuli północnej), stosuje się wzór:

90° - (kąt padania światła słonecznego + 23,5°) = szerokość geograficzna obszaru

Przykład 1.

Określ współrzędne geograficzne punktu, jeśli wiadomo, że w dni równonocy południowe Słońce stoi nad horyzontem na wysokości 40º (cień obiektu pada na północ), a czas lokalny jest 3 godziny do przodu w stosunku do południka Greenwich. Zapisz swoje obliczenia i rozumowanie

Odpowiedź. 50°N, 60°E

90 º - 40 º = 50 º ( szerokość geograficzna północna , ponieważ cień obiektów pada na północ na półkuli północnej)

(12-9)x15 =60° ( wyd. , ponieważ czas lokalny wyprzedza Greenwich, co oznacza, że punkt jest położony dalej na wschód)

Przykład 2.

Określ współrzędne geograficzne punktu znajdującego się w Stanach Zjednoczonych, jeśli wiadomo, że 21 marca o godzinie 17:00 czasu słonecznego południka Greenwich w tym miejscu jest południe, a Słońce znajduje się na wysokości 50° nad horyzontem. Zapisz swoje uzasadnienie.

Odpowiedź. 40°N, 75°W

90 º -50 º =40 º ( szerokość geograficzna północna - ponieważ USA leżą na półkuli północnej)

(17h -12h)*15 = 75º (H.D., ponieważ znajduje się 3 strefy czasowe na zachód od południka Greenwich)

Przykład 3.

Określ szerokość geograficzną miejsca, jeśli wiadomo, że 22 czerwca południowe Słońce stoi nad horyzontem na wysokości 35º szerokość geograficzna północna Zapisz swoje obliczenia.

Odpowiedź.78,5 º szerokość geograficzna północna

90° -(35° -23,5°) = 78,5 N szerokości geograficznej.

5. Aby wyznaczyć południk (długość geograficzną obszaru), na którym znajduje się punkt, na podstawie czasu południka Greenwich i lokalnego czasu słonecznego, należy określić różnicę czasu między nimi. Na przykład, jeśli na południku Greenwich jest południe (godzina 12), a lokalny czas słoneczny w określonym punkcie to godzina 8, różnica (12-8) wynosi 4 godziny. Długość jednej strefy czasowej wynosi 15°. Aby określić pożądany południk, obliczenia wynoszą 4 x 15° = 60°. Aby określić, na której półkuli znajduje się dany południk, należy pamiętać, że Ziemia obraca się z zachodu na wschód (w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara). Oznacza to, że jeśli czas południka Greenwich jest większy niż w danym punkcie, to punkt ten znajduje się na półkuli zachodniej (jak w proponowanym przykładzie). Jeśli czas południka Greenwich jest krótszy niż w danym punkcie, punkt znajduje się na półkuli wschodniej.

Przykład.

Na jakim południku znajduje się ten punkt, jeśli wiadomo, że w południe czasu południka Greenwich lokalny czas słoneczny wynosi 16 godzin? Zapisz swoje uzasadnienie.

Odpowiedź. Punkt znajduje się na południku 60º wyd.

16h. -12h. = 4 godziny (różnica czasu)

4x15° = 60°

Długość geograficzna wschodnia, bo w punkcie 16.00, kiedy w Greenwich jest jeszcze 12.00 (czyli punkt jest dalej na wschód)

Bycie maksymalnym jest bardzo ważne orientacja i kąt kolektora. Aby pochłonąć maksymalną ilość, płaszczyzna kolektora słonecznego musi być zawsze prostopadła do promieni słonecznych. Jednak słońce świeci na powierzchni Ziemi w zależności od pory dnia i roku zawsze pod innym kątem. Dlatego, aby zainstalować kolektory słoneczne, należy znać optymalną orientację w przestrzeni. Do oceny optymalnej orientacji kolektorów uwzględnia się obrót Ziemi wokół Słońca i wokół własnej osi, a także zmiany odległości od Słońca. Aby określić pozycję, należy wziąć pod uwagę podstawowe parametry kątowe:

Szerokość geograficzna miejsca instalacji φ;

Kąt godzinny ω;

Kąt deklinacji Słońca δ;

Kąt nachylenia do horyzontu β;

Azymut α;

Szerokość geograficzna miejsca instalacji(φ) pokazuje, jak daleko dane miejsce znajduje się na północ lub południe od równika i tworzy kąt od 0° do 90°, mierzony od płaszczyzny równika do jednego z biegunów – północnego lub południowego.

Kąt godzinny(ω) przelicza lokalny czas słoneczny na liczbę stopni, o jaką słońce przebywa po niebie. Z definicji kąt godzinowy w południe wynosi zero. W ciągu godziny Ziemia obraca się o 15°. Rano kąt słońca jest ujemny, wieczorem dodatni.

Kąt deklinacji słońca(δ) zależy od obrotu Ziemi wokół Słońca, ponieważ orbita obrotu ma kształt eliptyczny, a sama oś obrotu również jest nachylona, kąt zmienia się w ciągu roku od 23,45° do -23,45°. Kąt deklinacji osiąga zero dwa razy w roku w dniach równonocy wiosennej i jesiennej.

Deklinację słońca dla specjalnie wybranego dnia określa wzór:

Przechyl do horyzontu(β) powstaje pomiędzy płaszczyzną poziomą a panelem słonecznym. Na przykład w przypadku montażu na spadzistym dachu kąt nachylenia kolektora zależy od nachylenia połaci dachu.

Azymut(α) charakteryzuje odchylenie płaszczyzny absorpcyjnej kolektora od kierunku południowego, gdy kolektor słoneczny jest zorientowany dokładnie na południe, azymut = 0°.

Kąt padania światła słonecznego na dowolnie zorientowaną powierzchnię o określonej wartości azymutu α i kącie nachylenia β wyznacza się ze wzoru:

Jeśli w tym wzorze wartość kąta β zastąpimy przez 0, wówczas otrzymamy wyrażenie na określenie kąta padania światła słonecznego na powierzchnię poziomą:

Natężenie strumienia promieniowania słonecznego dla określonego położenia panelu pochłaniającego w przestrzeni oblicza się ze wzoru:

Gdzie J s i J d to odpowiednio intensywność bezpośrednich i rozproszonych strumieni promieniowania słonecznego padających na powierzchnię poziomą.

Współczynniki położenia kolektorów słonecznych dla bezpośredniego i rozproszonego promieniowania słonecznego.

Aby maksymalnie (w okresie obliczeniowym) ilość energii słonecznej dotarła do absorbera, kolektor montuje się w pozycji nachylonej z optymalnym kątem nachylenia do horyzontu β, który jest określony metodą obliczeniową i zależny od okresu wykorzystanie układu słonecznego. Przy południowej orientacji kolektora dla całorocznych instalacji fotowoltaicznych β = φ, dla sezonowych instalacji solarnych β = φ–15°. Wtedy wzór przyjmie postać dla sezonowych układów słonecznych:

Dla osób podróżujących przez cały rok:

Kolektory słoneczne zorientowane w kierunku południowym i zamontowane pod kątem od 30° do 65° względem horyzontu pozwalają na osiągnięcie maksymalnych wartości absorpcji. Ale nawet przy pewnych odchyleniach od tych warunków może wygenerować wystarczającą ilość energii. Instalacja z niewielkim kątem nachylenia jest bardziej efektywna, jeśli kolektory lub panele fotowoltaiczne nie mogą być skierowane na południe.

Na przykład, jeśli panele słoneczne są zorientowane na południowy zachód, z azymutem 45° i kątem nachylenia 30°, wówczas taki system będzie w stanie pochłonąć do 95% maksymalnej ilości promieniowania słonecznego. Lub, w przypadku orientacji w kierunku wschodnim lub zachodnim, można zapewnić do 85% energii wchodzącej do kolektora przy montażu paneli pod kątem 25-35°. Jeżeli kąt nachylenia kolektora będzie większy, wówczas ilość energii dostarczanej do powierzchni kolektora będzie bardziej równomierna; ten wariant montażu jest skuteczniejszy we wspomaganiu ogrzewania.

Często orientacja kolektora słonecznego uzależniona jest od montażu kolektora na dachu budynku, dlatego bardzo ważne jest, aby już na etapie projektowania uwzględnić możliwość optymalnego montażu kolektorów.