ΠΡΟΧΩΡΗΜΕΝΗ Υ ΡΟΛΟΓΙΑ Εκτίµηση εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας σε λεκάνη απορροής µε χρήσησγπ Νίκος Μαµάσης Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Αθήνα 26 Solar elevation Παράγοντες που υπεισέρχονται στον υπολογισµό της γωνίας πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας SOUTH I 1 I o f EAST ZENITH Surface s aspect NADIR Surface s slope Unit inclined surface Solar azimuth NORTH Αζιµούθιο ηλίου-azimuth (Azm) Ηγωνίαµεταξύ (α) του επιπέδου που περνάει από τον ήλιο, τον παρατηρητή και το zenith του και (β) της γραµµής που συνδέει τον παρατηρητή και το Βορρά Η γωνία µετριέται από το Βορρά στη φορά των δεικτών του ρολογιού σε µοίρες (-36). ιεύθυνση κυτάρων-aspect (Asp) Η διεύθυνση που βλέπει ηκλίση. Η γωνίαµετριέται από το Βορρά στη φορά των δεικτών του ρολογιού σε µοίρες (-36). Επίπεδα κύταρα παίρνουν την τιµή -1. Υψόµετρο ηλίου-elevation (Elv). Η γωνία µεταξύ (α) της γραµµής του ορίζοντα του παρατηρητή και (β) της γραµµής που συνδέει τον παρατηρητή και τον ήλιο. Η γωνία µετριέται από τον ορίζοντα προς τα πάνω σε µοίρες (-9). Κλίση κυτάρων -Slope (Slp) Ηκλίσηενόςκυτάρουείναιηµεγαλύτερη κλίση ενός επιπέδου που ορίζεται από το κύταρο και τα οκτώ γειτονικά του. Η γωνία µετριέται σε µοίρες (-9). 1
Υπολογισµός της εκκεντρότητας (eccentricity) και της ηλιακής σταθεράς (solar constant) EARTH 4 July D 1 152*1 6 km E D 2 147*1 6 km EARTH 3 January SUN Συντελεστής εκκεντρότητας d = (D mean /D j ) 2 D mean Η µέσηαπόστασηγης-ηλίου ( 149.6*1 6 km) D j ηαπόστασηγης-ηλίου την ηµέρα J Συνολική ηλιακή ενέργεια E=3.9*1 26 W Ηλιακή ακτινοβολία στη γη I=E/(4*π*D 2 ) W/m 2 Ηλιακή σταθερά I o =E/(4*π*D mean2 ) W/m 2 Υπολογισµός της δυνητικής ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ) I = I o * d * cosf I o 1367 W/m 2 cosf= sinazm*coselv*cos(9-slp)*sinasp+ cosazm*coselv*cos(9-slp)*cosasp+ sinelv*sin(9-slp) d=1+.34*cos(2*π*j/365-.5) 2
Γωνία πρόσπτωσης ηλιακών ακτινών το µεσηµέρι, σε επίπεδη επιφάνεια και σε γεωγραφικό πλάτος 39 ο Ισηµερίες Γωνία πρόσπτωσης α: 9-39=51 o α 9 o 39 o Θερινό ηλιοστάσιο Γωνία πρόσπτωσης α: 9-(39-23.5)=73.5 o Χειµερινό ηλιοστάσιο Γωνία πρόσπτωσης α: 9-(39+23.5)=27.5 o α α 9 o 39 o 23.5 o 9 o 39 o 23.5 o Υψόµετρο ήλιου και εισερχόµενη ακτινοβολία σε επίπεδη επιφάνεια και σε γεωγραφικό πλάτος 39 ο ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΥΨΟΜΕΤΡΟ ΗΛΙΟΥ o ( ) 9 6 3 21/12 21/3 22/6 ΥΨΟΜΕΤΡΟ ΗΛΙΟΥ ( ο ) 21/12 ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ (kwh/m 2 ) 3.94 8.19 11.6 21/3 22/6 22/6 ΜΕΣΗ ΗΜΕΡΗΣΙΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (w/m 2 ) 164.2 341.4 483.8 ΕΙΣΕΡΧΟΜΕΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (w/m 2 ) 21/3 21/12 15 1 5 ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (w/m 2 ) 6: 7: 8: 9: 1: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19: ΩΡΕΣ 3
Εφαρµογές Εκτίµηση εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος µε τη χρήση σηµειακών µετρήσεων Εκτίµηση γεωγραφικής κατανοµής δυνητικής εξατµοδιαπνοής Εκτίµηση χιονοαπορροής Εντοπισµός σηµείων µε ιδιαίτερο ενδιαφέρον από πλευράς ηλιακής ενέργειας Εντοπισµός σηµείων µε ιδιαίτερα οικολογικά χαρακτηριστικά Περιοχή µελέτης Λεκάνη Σπερχειού 4
Ψηφιακό µοντέλο εδάφους ιάσταση κανάβου: 2x2 m Αριθµός pixels: 45722 Μέσο υψόµετρο: 626 m Κλίση (slope) 5
ιεύθυνση (Aspect) Υπολογισµός των ωριαίων θέσεων του ηλίου To υψόµετρο και το αζιµούθιο του ηλίου εξαρτώνται από: *Γεωγραφικό πλάτος *Ιουλιανή ηµέρα *Ώρα της ηµέρας March 21 Julian day 8 (4 o N, 8,12) (4 o N, 172,12) (4 o N, 355,12) (4 o N, 355,17) W (4 o N, 8,18) (4 o N, 172,19) June 21 Julian day 172 S N December 21, Julian day 355 (4 o N, 355, 8) E (4 o N, 8, 7) (4 o N, 172,6) 6
Γενικό σχήµα υπολογισµών Slope (ArcGis Routine) Aspect (ArcGis Routine) LATITUDE (φ) ELEVATION GRID SLOPE GRID ASPECT GRID SunPos (Excel Routine) SunAngle (ArcGis Routine) Sun Elevation and Sun Azimuth for 4399 hours with sun above horizon NoSunAreas (ArcGis Routine) 4399 NoSunAreas grids 4399 Eccentricity coefficients 4399 SunAngle grids FinalRad (ArcGis Routine) 4399 I/Io hourly grids Γενικό σχήµα υπολογισµών Hourly point measurements of total solar radiation Monthly point measurements of total solar radiation 4399 hourly total solar radiation grids (kwh) 12 monthly total solar radiation grids (kwh) 4399 I/Io hourly grids 365 daily potential radiation grids (kwh) 12 monthly potential radiation grids (kwh) 1 yearly potential radiation grid (kwh) 365 daily total solar radiation grids (kwh) 1 yearly total solar radiation grid (kwh) Daily point measurements of total solar radiation Yearly point measurements of total solar radiation 7
Ωριαίες κατανοµές δυνητικής ηλιακής ακτινοβολίας (%Ι ) Μάρτιος 21 Julian Day 8 6: 7: 8: 9: 1: 11: 12: Ιούνιος 21 Julian Day 173 Σεπτέµβριος 22 Julian Day 265 εκέµβριος 21 Julian Day 355 % Ι -1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-1 Ωριαίες κατανοµές δυνητικής ηλιακής ακτινοβολίας (%Ι ) Μάρτιος 21 Julian Day 8 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19: Ιούνιος 21 Julian Day 173 Σεπτέµβριος 22 Julian Day 265 εκέµβριος 21 Julian Day 355 % Ι -1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-1 8
Ηµερήσιες κατανοµές δυνητικής ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ) 21 Μαρτίου 21 Ιουνίου 22 Σεπτεµβρίου 21 εκεµβρίου - 5 5-1 1-15 15-2 2-25 W/m 2 25-3 3-35 35-4 4-45 >45 Μηνιαίες κατανοµές δυνητικής ηλιακής ακτινοβολίας (kwh/m 2 ) Calculated mean: CM Expected mean: EM JANUARY CM: 128 EM: 137 FEBRUARY CM: 155 EM: 163-5 MARCH CM: 232 EM: 241 kwh/m 2 5-1 1-15 15-2 2-25 25-3 3-35 APRIL CM: 282 EM: 291 MAY CM: 337 EM:342 JUNE CM: 344 EM: 347 JULY CM : 345 ΕΜ: 35 AUGUST CM : 39 ΕΜ: 317 SEPTEMBER CM: 247 EM: 255 OCTOBER CM: 195 EM: 22 NOVEMBER CM: 137 EM: 145 DECEMBER CM: 115 EM: 125 9
Ετήσια κατανοµή δυνητικής ηλιακής ακτινοβολίας (W/m 2 ) 5 AREA (%) 4 3 2 1 4.6 38.4 12.6 3.5 3.8..2 1. <1 1-15 15-2 2-25 25-3 3-35 35-4 >4 POTENTIAL RADIATION (W/m 2 ) -5 5-1 1-15 15-2 2-25 W/m 2 Calculated mean: 323 Expected mean: 334 25-3 3-35 35-4 >4 ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ GIS 21/3 14 12 ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (w/m 2 ) 1 8 6 4 GIS-ΕΛΑΧΙΣΤΗ GIS-ΜΕΓΙΣΤΗ GIS-ΜΕΣΗ GIS-ΠΕ ΙΑ Α ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΕΝΗ 2 6: 7: 8: 9: 1: 11: 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19: ΩΡΕΣ 1
ΜΟΝΤΕΛΟ SunAngle (υπολογισµός συνηµίτονου γωνίας f) ΜΟΝΤΕΛΟ NoSunArea (υπολογισµός επίδρασης αναγλύφου) 11
ΜΟΝΤΕΛΟ FinalSolar (υπολογισµός Ι/Ιο) 12