ساخت ماکت خانه سبز - جلسه پنجم

اهداف جلسه : آشنایی با زوایای خورشیدی و نحوه تابش خورشید
وسایل مورد نیاز : ..............
1-5_ زاویه خورشید در ماه های مختلف :
در ابتدا تعاریفی را بیان می کنیم و سپس به مرور با نحوه حرکت خورشید ! ، در آسمان آشنا می شوید .
طول جغرافیایی(λ)   :
زاویه شرقی یا غربی هر نقطه از نصف النهارها نسبت به نصف‌النهار مبدأ که صفر درجه‌است می‌باشد. این زاویه حداکثر (°۱۸۰) شرقی (E) یا غربی (W) است. نصف النهارها نیم‌دایره‌های از دوایر بزرگ طولی و هم اندازه‌اند که در دو نقطه متقابل در قطب‌ها به هم می‌رسند. هر درجه جغرافیایی معمولاً به ۶۰ دقیقه بخش می‌گردد و هر دقیقه نیز به همین ترتیب از ۶۰ ثانیه تشکیل شده‌است. بنابراین یک صورت معمول نشان‌دادن طول جغرافیایی به صورت روبروست:‎ ۲۳° ۲۷′ ۳۰" E‏ البته این مقدار به صورت‌های دیگری نیز نشان داده‌می‌شود(مثلاً ده‌دهی بیان کردن قسمت ثانیه) . زمین در مدت ۲۴ ساعت یک بار به دور خود می‌چرخد و کل زمین ۳۶۰ درجه طول جغرافیایی است. در نتیجه هر ۱۵ درجه تغییر طول جغرافیایی یک «ساعت» محسوب می‌شود. این امر مبنای تعیین مناطق زمانی است.
عرض جغرافیایی (φ)latitude:
زاویه شمالی یا جنوبی هر نقطه از مدارها نسبت به خط استوا است. با اتصال نقاط هم عرض به یکدیگر، خطوطی موازی خط استوا (مدارها) بدست می‌آید، که در واقع هر کدام یک دایره‌است که شعاع آن از بیشترین در استوا تا کمترین در قطب‌ها متفاوت است. عرض جغرافیایی قطب شمال ۹۰ درجه شمالی ( N ۹۰°) ، استوا صفر و قطب جنوب ۹۰ درجه جنوبی ( S ۹۰°) است. به عنوان نمونه، عرض های جغرافیایی مرکز شهر تهران و کرج به ترتیب حدود  35.4 و 35.5 درجه شمالی هستند .
زاویه سمت صفحه Surface azimuth angle (ϒ) : انحراف تصویر اشعه تابشی خورشید روی صفحه افق نسبت به خط عمود بر صفحه مورد نظر نسبت به نصف النهارمحلی      زاویه ساعت Hour angle  (ω) :‌ جابجایی زاویه ای خورشید از نصف النهار محلی به دلیل چرخش زمین به دور محور خودش ، 15 درجه در هر ساعت .
زاویه برخورد Angle of incidence (θ) :  زاویه بین پرتو مستقیم و خط عمود بر صفحه
زاویه اوج Zenith Angle (θz) : زاویه بین پرتو مستقیم خورشید و خط عمود بر سطح افق یعنی زاویه برخورد پرتو مستقیم روی یک سطح افقی
 زاویه ارتفاع خورشید  Solar altitute angle (αs) : زاویه بین پرتو مستقیم خورشید و خط افق روی زمین است که متمم زاویه θz  می باشد .
زاویه سمت خورشید Solar azimuth angle (s 𝛶) : زاویه بین تصویر پرتو خورشید روی صفحه افقی و امتداد جنوب .
زاویه صفحه Slope (β) : زاویه بین صفحه سطح  مورد نظر و سطح افق .
 2-5_  نحوه حرکت خورشید در طول روز :
گذشت زمان با گردش زمین حول محور آن اندازه­ گیری می­شود. امروزه مقیاس اندازه­ گیری زمان، زمان بین­ المللی نام دارد و مبنای اندازه­گیری آن نصف­النهار اصلی است. این زمان 24 ساعت و بر اساس زمان میانگین شبانه ­روز است، صفر شروع این زمان در نیمه شب قرار دارد. برای تعیین زمان مربوط به هر نقطه طول جغرافیایی آن نقطه لازم است، شبانه روز میانگین خورشیدی بر اساس متوسط شبانه ­روز ظاهری خورشیدی محاسبه می­ شود.شبانه­ روز خورشیدی حدود 4 دقیقه از شبانه­ روز نجومی طولانی­ تر است، زمان یک شبانه­ روز نجومی مساوی 23ساعت و56 دقیقه و4.09053 ثانیه شبانه­ روز میانگین است. بنابراین از طرف دیگر یک ثانیه میانگین مساوی1.002737909 ثانیه نجومی است.
برای بررسی گردش زمین حول محورش، از مفهوم زاویه ساعت استفاده می شود. همانطور که در شکل (2-10) نشان داده شده زاویه ساعت فاصله زاویه ای بین نصف النهار ناظر و نصف النهاری است که صفحه اش از خورشید می گذرد. با این تعریف مبنای زاویه ساعت در ظهر خورشیدی (یعنی هنگامی که زاویه ساعت صفر است، خورشید درست در بالای سر ناظر قرار دارد) است. در این زمان گفته می شود که خورشید کاملاً در جنوب (برای نیمکره شمالی) ویا کاملاً در شمال(برای نیمکره جنوبی) قرار گرفته است، در این حالت صفحه نصف النهار ناظر از خورشید می گذرد، زاویه هر ساعت 15 درجه افزایش می یابد.
زمان واقعی خورشید بر اساس زمان 24 ساعت و ساعت 12 زمانی است که خورشید دقیقاً در سمت جنوب است. زمان خورشیدی برای تعیین امتداد اشعه خورشید در یک نقطه دلخواه زمین بکار می­ رود. زمان خورشیدی بستگی به طول جغرافیایی محل پروژه داشته و متفاوت با ساعت محلی است. برای طرح سیستم خورشیدی این زمان دارای اهمیت است. این زمان که بر اساس دیدن خورشید توسط ناظر زمینی است بنام زمان واقعی خورشید می ­نامیم.
برای طراحی سیستم خورشیدی در اکثر مواقع ساعت محلی اهمیت نداشته، ولازم است که اطلاعات بر حسب زمان واقعی خورشید ارائه شود. با این وجود در پاره­ای از موارد مانند :
تعیین انرژی مورد نیاز، تعیین بازدهی سیستم، تعیین جنوب واقعی، وروش ­های پیگیری خورشید،اطلاعات دقیق در مورد اختلاف زمان خورشیدی و زمان محلی نیزلازم است .
3-5_ انواع تابش و وسایل اندازه گیری :
دستگاه سنجنده تابش خورشیدی را آفتاب‌سنج (pyranometer) می‌گویند. آفتاب‌سنج، تابه‌سنجی است که شدت ترکیبی ورود تابش مستقیم خورشیدی و تابش منتشرشده آسمانی را اندازه می‌گیرد.
اندازه گیری تابش خورشیدی به روش بسیار دقیقی با استفاده از یک پیرانومتر مطابق با استاندارد ISO 9060 به دست می آید. گرچه اکثر داده های هواشناسی بر پایه پیرانومتر افقی نصب شده است، مهم است بدانیم که پانل های فوتوولتایک (PV ) چقدر زاویه داشته باشند . این مبحث بیشتر در مورد اندازه گیری تابش خورشید و تفاوت در آنها در حالت افقی و مابل توضیح داده شده است.
آفتاب‌سنج معمولی دارای حسگری از نوع فوتودیود سیلیکونی است و قادر است انرژی تابش خورشید از ۰ تا ۱۸۰۰ وات بر متر مربع را با وضوح ۱ وات بر متر مربع اندازه گیری نماید. داده‌ها بر روی کارت حافظه ذخیره گردیده و قابل استفاده در نرم افزار اکسل می‌باشند.
دو دستگاه آفتاب‌سنج وجود دارد:
دستگاه اول که دو محافظ شیشه‌ای دارد که درونش حسگر قرار گرفته و حالت نیمه‌کروی دارد و به محض اینکه خورشید طلوع کرد میزان تابش خورشید را اندازه می‌گیرد. حسگر بالایی کار اندازه‌گیری تابش کل آسمان را انجام می‌دهد یعنی هم تابش آسمان و هم تابش خورشید را محاسبه می‌کند. حسگر پایینی کار اندازه‌گیری بازتابش زمین را انجام می‌دهد.
 دستگاه دوم حسگری دارد که تابش کل آسمان را اندازه‌گیری می‌کند و فقط یک حلقه فلزی بر رویش قرار گرفته و بستگی به طول و عرض جغرافیایی طوری قرار گرفته که در هر ساعت از روز خورشید نمی‌تواند مستقیم به این حسگر بتابد یعنی در هر موقعیتی که قرار بگیرد سایه حلقه بر روی آن می‌افتد، این حسگر تنها تابش آسمان را برای ما مشخص می‌کند و به وسیله کابل‌هایی که در اتاق دیدبانی و توسط دستگاه و ال‌سی‌دی اطلاعات محاسبه می‌شود داده‌های لازم به دست می‌آید.
  با توجه به اینکه زمانی که تابش خورشید صورت می گیرد تا به سطح زمین برسد ، مقداری از آن توسط جو و ابرها و ذرات موجود جذب می شود . مقدار تابشی که مستقیما و پس از جذب به سطح افقی میرسد را تابش مستقیم (DNI) گویند . سپس مقدار تابشی که از آسمان به سطح افقی می تابد را تابش پراکنده (DHI) گویند . 
  تکلیف 1 : زمانی که تابش بر روی سطح افقی صورت می گیرد ، به صورت موارد بالا است. اگر صفحه دریافت کننده به صورت مایل و زاویه دار باشد چگونه است ؟؟
تکلیف 2 : در پنل های خورشیدی کدام تابش موثرتر است ؟
منابع مطالعه :
1_ کتاب 50 پروژه کاربردی با انرژی خورشیدی-نوشته گیوین دی.جی.هارپر-ترجمه محمد حسین مهربان و بهار پورشاهیان
2_ کتاب مبانی انرژی خورشیدی – نوشته دافی و بکمن
 تنظیم کننده: محبوبه همت

مطالب مرتبط:
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه اول
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه دوم
 ساخت ماکت خانه سبز-جلسه سوم
 ساخت ماکت خانه سبز-جلسه چهارم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه پنجم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه ششم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هفتم
ساخت ماکت خانه سبز-جلسه هشتم