ΗλιακήΓεωµετρία Γιάννης Κατσίγιαννης
ΗηλιακήενέργειαστηΓη
Φασµατικήκατανοµήτηςηλιακής ακτινοβολίας
ΗκίνησητηςΓηςγύρωαπότονήλιο ΗκίνησητηςΓηςγύρωαπότονήλιοµπορεί να αναλυθεί σε δύο κύριες συνιστώσες: Περιφορά γύρω από τον ήλιο, σε ελλειπτική τροχιά, µε τον ήλιο στη µια από τις δύο εστίες Περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της
ΕτήσιαπεριστροφήτηςΓης γύρωαπότονήλιο
ιαδροµήτουηλίου (θέσητοπικούπαρατηρητή)
Προσδιορισµόςτηςθέσηςτουήλιου Ο προσδιορισµός της θέσης του ήλιου για µια επιφάνεια που συλλέγει ηλιακή ακτινοβολία µπορεί να γίνει γνωρίζοντας τις ακόλουθες πέντε γωνίες: Γεωγραφικό πλάτος φ Ηλιακή απόκλιση δ Γωνία ώρας ω Κλίση επιφάνειας β Γωνία αζιµουθίου γ
Γεωγραφικόπλάτος (φ) Το γεωγραφικό πλάτος φ είναι η γωνιακή απόσταση ενός τόπου από τον Ισηµερινό. Σε περιοχές του βόρειου ηµισφαιρίου αντιστοιχεί θετική τιµή γεωγραφικού πλάτους.
* Ορισµόςγεωγραφικούµήκους L loc Το γεωγραφικό µήκος µιας τοποθεσίας είναι η γωνία µεταξύ του επιπέδου του µεσηµβρινού της τοποθεσίας και του επιπέδου του µεσηµβρινού του Greenwich Το GreenwichείναιέναπροάστιοτουΛονδίνου, του οποίου το γεωγραφικό µήκος έχει οριστεί ίσο µε µηδέν Σε περιοχές ανατολικά του µεσηµβρινού του Greenwich, όπως η Ελλάδα, αντιστοιχεί θετική τιµή γεωγραφικού µήκους
Ηλιακήαπόκλισηδ Η ηλιακή απόκλιση δ είναι η γωνία ανάµεσα στην ευθεία ήλιου-γης και την προβολή της στο επίπεδο του ισηµερινού και υπολογίζεται από τη σχέση: δ = ( 284 n) 360 + 23.45 sin 365 όπου nείναιηηµέρατουέτους. Η ηλιακή απόκλιση παίρνει τη µέγιστη τιµή της (23.45 ο ) κατά το θερινό ηλιοστάσιο (21 Ιουνίου), και την ελάχιστη τιµή της (-23.45 ο )κατάτοχειµερινόηλιοστάσιο (21 εκεµβρίου).
Ηλιακήαπόκλισηδ σχηµατικήαναπαράσταση
Γωνίαώραςω Ηγωνίαώραςωενόςσηµείουστηνεπιφάνειατηςγηςείναιη γωνία κατά την οποία πρέπει να περιστραφεί ο µεσηµβρινός του συγκεκριµένου σηµείου για να γίνει παράλληλος προς τις ακτίνες του ήλιου και δίνεται από τη σχέση: ω = ±1/4 αριθµός λεπτών από το τοπικό ηλιακό µεσηµέρι Οι γωνίες που αντιστοιχούν τις απογευµατινές ώρες λαµβάνονται θετικές. Η γωνία ώρας σχετίζεται µε τον ηλιακό χρόνο (t s ), ο οποίος είναι διαφορετικός από το χρόνο που µας δείχνει το ρολόι µας (τοπικήώρα t c ).
Κλίσηεπιφάνειαςβ Η κλίση β µιας επιφάνειας είναι η γωνία που σχηµατίζει σε σχέση µε το οριζόντιο επίπεδο
Γωνίααζιµουθίουγ Η γωνία αζιµουθίου γ που περιγράφει την κατεύθυνση προς την οποία είναι στραµµένηµιαεπιφάνεια. Για τοποθεσίες του βόρειου ηµισφαιρίου (όπως η Ελλάδα), µηδενική τιµή του γ αντιστοιχεί σε νότια κατεύθυνση, θετικές τιµές του γ αναφέρονται σε δυτικούς προσανατολισµούς, και αρνητικές τιµές του γ σε ανατολικούς προσανατολισµούς.
Ηλιακήγεωµετρία προσδιορισµόςγωνιών Με τη βοήθεια των πέντε γωνιών που περιγράφηκαν προηγουµένως, µπορούµε να υπολογίσουµε τις ακόλουθες γωνίες: Γωνία πρόσπτωσης θ Γωνίαζενίθτουήλιουθ z Γωνίαύψουςτουήλιουα s Γωνίααζιµουθίουτουήλιουγ s
Γωνίαπρόσπτωσηςθ Η γωνία πρόσπτωσης θ µιας επιφάνειας ορίζεται ως η γωνία µεταξύ των ηλιακών ακτίνων και της καθέτου στην επιφάνεια και υπολογίζεται από τη σχέση: cosθ = sinδ sinϕ cosβ sinδ cosϕ sinβ cosγ + cosδ cosϕ cosβ cosω + cosδ sinϕ sinβ cosγ cosω+ cosδ sinβ sinγ sinω
Σχηµατικήαναπαράστασηβασικών γωνιώνκεκλιµένηςεπιφάνειας
Γωνίαζενίθτουήλιουθ z καιγωνίαύψουςτουήλιουα s Hγωνίαζενίθτουήλιουθ z είναιηγωνίαµεταξύ των ηλιακών ακτίνων και της κατακόρυφης και υπολογίζεταιαπότησχέση: cosθ z = sinϕ sinδ + cosϕ cosδ cosω Η γωνία ύψους του ήλιου α s είναι η γωνία µεταξύ των ηλιακών και του οριζόντιου επιπέδου. Ισχύει εποµένως ότι: θ z + a s = 90
Γωνίααζιµουθίουτουήλιουγ s Η γωνία αζιµουθίου του ήλιου γ s είναι η γωνία που σχηµατίζει η προβολή των ηλιακών ακτίνων στο οριζόντιο επίπεδο µε τη κατεύθυνση του νότου. Θετικές τιµέςτουγ s αναφέρονταισεθέσειςτουήλιουδυτικάτης νότιας κατεύθυνσης, και αρνητικές τιµές του γ s αναφέρονται σε θέσεις του ήλιου ανατολικά της νότιας κατεύθυνσης. Ηγ s υπολογίζεταιαπότησχέση: γ s = sign( ω) cos 1 cosθ z sinϕ sinδ sinθ z cosϕ όπου sign(ω) είναι η συνάρτηση προσήµου της γωνίας ώρας ω, που λαµβάνει τιµή +1 εάν ω > 0, τιµή -1 εάν ω < 0, καιτιµή 0 εάνω= 0.
Ηλιακόςχρόνοςκαιτοπικήώρα Για τους υπολογισµούς της ηλιακής γεωµετρίας ασχολούµαστε συνήθως µε τον ηλιακό χρόνο, όπου όλα µετρούνται σχετικά µε το ηλιακό µεσηµέρι (όταν ο ήλιος είναι στη γραµµή του γεωγραφικού µήκους). Υπάρχουν όµως περιπτώσεις όπου χρειάζεται να υπολογιστεί και η τοπική ώρα. Υπάρχουν δύο διευθετήσεις που θα πρέπει να γίνουν προκειµένου νασυνδεθείητοπικήωρολογιακήώραµετηνηλιακήώρα: Η πρώτη είναι η διευθέτηση του γεωγραφικού µήκους που έχει να κάνει µε τον τρόπο µε τον οποίο οι περιοχές της γης διαιρούνται σε χρονικές ζώνες Η δεύτερη διευθέτηση οφείλεται στην ελλειπτική τροχιά της γης, η οποία µεταβάλλει το µήκος µίας ηλιακής µέρας (από το ένα ηλιακό µεσηµέρι στο επόµενο ηλιακό µεσηµέρι) στη διάρκεια του έτους
Χάρτηςζωνώνώρας
ιαφοροποίησηδιάρκειας ηλιακήςµέρας Η διαφοροποίηση µεταξύ µιας ηµέρας 24 ωρών και µιας ηλιακής ηµέρας (σε λεπτά) περιγράφεται από την παράµετρο Ε
ιαφοράηλιακούχρόνου καιτοπικήςώρας Η διαφορά (σε λεπτά) µεταξύ του ηλιακού χρόνου t s και της τοπικής ώρας t c δίνεταιαπότησχέση: ts tc =± 4 ( Lst Lloc ) + E όπου L st είναι το γεωγραφικό µήκος του µεσηµβρινού που ορίζει τη ζώνη ώρας της περιοχής (µεσηµβρινός αναφοράς) και Ll oc το γεωγραφικό µήκος της περιοχής. Στην παραπάνω σχέση το πρόσηµο + αναφέρεται σε περιοχές δυτικά του µεσηµβρινού Greenwich και το πρόσηµο αναφέρεται σε περιοχές ανατολικά του µεσηµβρινού Greenwich. Για την περίπτωση θερινής ώρας, η οποία αλλάζει την τελευταία Κυριακή του Μαρτίου και ισχύει έως την τελευταία Κυριακή του Οκτωβρίου, αφαιρούνται 60 λεπτά (1 ώρα) από την τιµή της τοπικήςώρας t c.
Ανάλυσηηλιακήςακτινοβολίας Η ποσότητα της οριζόντιας ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης µπορεί να διαιρεθεί σε δύο συνιστώσες: την άµεση (ή απευθείας) ακτινοβολία και τη διάχυτη ακτινοβολία. Η άµεση ακτινοβολία είναι το τµήµα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνειστηνεπιφάνειατηςγηςχωρίςσκέδασηστηνατµόσφαιρα. Η διάχυτη ακτινοβολία είναι το τµήµα της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης µε αλλαγµένη διεύθυνση, αφού έχει υποστεί σκέδαση στην ατµόσφαιρα και ανάκλαση από το έδαφος. Εποµένως, η διάχυτη ακτινοβολία φτάνει στην επιφάνεια της γης µε τυχαίες διευθύνσεις από όλο τον ουράνιο θόλο. Επιπλέον, σε µια κεκλιµένη επιφάνεια ένα τµήµα της ηλιακής ακτινοβολίας µπορεί να προέρχεται και από αυτήν που ανακλάται διάχυτα από το έδαφος.
Ανάλυσηηλιακήςακτινοβολίας
είκτης R b Οδείκτης R b δίνειτολόγοτηςάµεσηςακτινοβολίας που προσπίπτει σε µια κεκλιµένη επιφάνεια προς την άµεση ακτινοβολία που προσπίπτει σε µια οριζόντια επιφάνεια: R b = cosθ cosθ z
Ηλιακήσταθερά Ως ηλιακή σταθερά ορίζεται η ροή της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε µία µοναδιαία επιφάνεια κάθετη στις ακτίνες του ήλιου στο όριο της ατµόσφαιρας: G sc =1367 W/m 2 Οι τιµές στην βιβλιογραφία κυµαίνονται από 1353 έως 1395 W/m 2 Λόγω της µεταβολής της απόστασης ήλιου-γης κατά την διάρκεια του έτους χρησιµοποιείται η ακόλουθη σχέση για τον υπολογισµό της διαχρονικής µεταβολής της ηλιακής σταθεράς G on : 360 n Gon = Gsc 1+ 0.033 cos 365
Ετήσιαολικήηλιακήακτινοβολίασε οριζόντιαεπιφάνεια -Ευρώπη
Συσκευέςµέτρησηςηλιακής ακτινοβολίας (α) πυρανόµετρο (β) φωτοδίοδος (γ) φασµατοραδιόµετρο (δ) πυροηλεκτρικόςκρύσταλλος
Μέτρησηολικήςηλιακής ακτινοβολίας (πυρανόµετρο)
Μέτρησηδιάχυτηςακτινοβολίας (πυρανόµετροµεδακτύλιοσκίασης)
Μέτρησηάµεσηςηλιακής ακτινοβολίας (πυρηλιόµετρο)
Κλίσησυλλέκτη
Συλλογήµέγιστηςηλιακής ακτινοβολίαςσεηλιακούςσυλλέκτες Η βέλτιστη γωνία κλίσης σε όλη τη διάρκεια του έτους θα πρέπει, σύµφωνα µε τη θεωρία, να είναι ίση µε το γεωγραφικό πλάτος του τόπου. Επειδήόµωςηηλιακήακτινοβολίαπουφτάνειστηχώραµαςτο καλοκαίρι είναι µεγαλύτερη από αυτή του χειµώνα, η βέλτιστη γωνία κλίσης είναι περίπου 7 ο -10 ο µικρότερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου. Κατά την διάρκεια της θερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης πρέπει ναείναι περίπου 10 ο -15 ο µικρότερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου Κατά την διάρκεια της χειµερινής περιόδου: Η βέλτιστη γωνία κλίσης πρέπει να είναι περίπου 10 ο -15 ο µεγαλύτερη από το γεωγραφικό πλάτος του τόπου. Αν στο έδαφος υπάρχει επιφάνεια µε µεγάλο συντελεστή ανάκλασης (π.χ. χιόνι) απαιτείται µεγαλύτερη κλίση Ο βέλτιστος προσανατολισµός (αζιµούθιο) είναι νότιος, ενώ απόκλιση κατά 20 ο -30 ο από νότο έχει µικρή επίδραση στην ετήσια συλλεγόµενη ενέργεια
Βέλτιστηκλίσηγιακάθεµήνα