Основы теплопередачи - Крейт Ф.
Скачать (прямая ссылка):
Зенитный угол z — угол между направлением в зенит и на-правлением на Солнце. Этот угол является дополнительным по отношению к высоте солнцестояния.
Возможность использования солнечной энергии на Земле зависит от широты, времени года и погоды. Причина влияния первых двух переменных становится ясной из рассмотрения
Рис. 6.46. Связь между положением Солнца и Земли и солнечного коллекто* ра, наклоненного под углом ?, в зависимости от времени года.
траектории Земли вокруг Солнца, показанной схематически на рис. 6.45. Путь Земли вокруг Солнца является эллипсом о Солнцем в одном из фокусов. Расстояние между Солнцем й Землей изменяется в течение года. Земля ближе всего к Солнцу в декабре (1,445•1O11 м) и дальше всего в июне (1,543•1O11 м)* Как показано на рис. 6.40, это относительно небольшое измене? ние расстояния приводит к ощутимому различию в инсоляции! которая обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Рис. 6.46 показывает взаимное расположение Земли и Соли* ца с точки зрения неподвижного наблюдателя на Земле, котси рому Солнце представляется движущимся телом. С этой точки зрения, часто называемой Птолемеевой точкой зрения, СолнИ$ перемещается дальше всего к северу 22 июня, когда оно распО" ложено прямо над тропиком Рака. Осеннее и весеннее равно* действия наступают, когда Солнце пересекает экватор, 23 сеЯ* тября и 21 марта соответственно. Солнце никогда не бывав*
10-15°
/і\ }?{ солнцестояние (22 декабря)
Излучение 345
1000
10 11 12 1 Время, ч
80 70 60 50 40 30 20 10 0
'її 'V - 21 июня
- wt\ : /Л \ Ч.сентябряЧ v.. .21 января^. \ А \\ 4
8 9 10 И 12 1 2-3 4 5 6 * Время, ч
Рис. 6.47. Высота Солнца (июнь, сентябрь, январь) и инсоляция горизонтальной поверхности, расположенной на 40° с. ш., при безоблачном небе в зависимости от времени дня.
12001-г-
1 лэнгли=4,186 Дж/см2 ь І і
I
ЯФМАМИ ИАСОНД Месяц
^ис. 6.48. Годовые изменения дневной инсоляции на отдельных широтах серного полушария [30].
346 Глава 6
прямо над головой на территории США, но его максимальная высота достигается во время летнего солнцестояния.
Высота Солнца, определяемая углом подъема Солнца над горизонтом, важна по двум причинам. Во-первых, при большей
I M I 11 I I I 11 I
Зима
4:00 5.00 6:00
Г J I і Ii 1 I I I I I I I I 11 I I I I
8:00 „ /7:00 Лето і I
Час захода / S>^^^ солнца
Ю
20
30 40
Широта, град
б
50
Рис. 6.49. а — график для определения солнечного склонения; 6 — номограмма захода Солнца. Пример определения времени захода Солнца летом (7 ч 08 мин после полудня) и зимой (4 ч 52 мин после полудня) на 39° с. ш< при угле солнечного склонения 20° [31]. "
высоте Солнца солнечное излучение проходит более короткое расстояние, пересекая атмосферу, в то время как при меньшей солнечной высоте излучение Солнца пересекает гораздо болЬ| Шую массу воздуха. Затеняющий эффект промежуточной массі* воздуха снижает солнечную инсоляцию. При большей высоте Солнца увеличивается число дневных световых часов, во вреМ* которых можно аккумулировать солнечную энергию. Связ* между временами года и высотой Солнца иллюстрируется схе*
Излучение 347
матически на рис. 6.47, где показаны высота Солнца и инсоляция в зависимости от времени дня на широте 40° с. ш. для января, сентября и июня месяцев. На рис. 6.48 представлены годовые изменения дневной инсоляции поверхности, расположенной на заданной широте северного полушария за пределами атмосферы.
Влияние относительного движения Солнца и Земли можно выразить математически через а и г, используя сферическую геометрию для определения инсоляции на горизонтальной поверхности, расположенной на внешней границе атмосферы. Однако высота Солнца и азимут не являются фундаментальными величинами и сами рассчитываются по зависимостям, содержащим угловое солнечное время, широту и солнечное склонение. Из рис. 6.44 следует (вывод этих уравнений приведен в [25])
sin a = sin L sin bs + cos L cos 6S cos hs (6.132)
¦ • cos Oo sin hs tn ion\
и 5Ша*= cosa • (6ЛЗЗ>
Склонение Солнца дано на номограмме рис. 6.49 в зависимости от времени года, но для получения более точных величин 6s необходим солнечный календарь. В табл. 6.4 представлен сокращенный вариант солнечного календаря. Номограмма также дает число солнечных часов в сутки. Для инженерных расчетов склонение может быть принято постоянным в течение дня.
»
Пример 6.17. Рассчитать высоту Солнца и азимутальный угол в 10 ч утра по солнечному времени 25 декабря в г. Денвер (шт. Колорадо).
Решение. Денвер расположен на 40° с. ш. Из рис. 6.49, а для 25 декабря б5 = —23,5°. Угловое солнечное время h$ в 10 ч утра будет равно +30°. Подстановка этих значений в уравнения (6.132) и (6.133) дает
a = 20,6° и Ct5 = + 29,3°.
Наклонные поверхности
Количество прямого солнечного излучения, улавливаемого поверхностью, 1ь, ct зависит от угла падения і, определяемого как угол между нормалью к поверхности и направлением лучей от Солнца. Рассмотрим сначала обращенную на юг поверхность в северном полушарии, наклоненную под углом ? к горизонтали. Инсоляция может быть разложена на две составляющие перпендикулярную и параллельную наклонной поверхности. Только перпендикулярная составляющая падает на поверхность, и если угол падения между нормалью к поверхности коллектора и направлением на Солнце будет / (рис. 6.50), то действующая На поверхность компонента инсоляции h,c определится следующим образом;
