آشنایی با انواع سیستم های فتوولتاییک و ساخت ماکت آن ها _ جلسه پنجم
آشنایی با زوایای خورشیدی و نحوه تابش خورشید در روز و ماه و سال
نویسنده : یگانه داودی
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : چهارشنبه 1396/09/22 ساعت 14:36
اهداف جلسه : آشنایی با زوایای خورشیدی و نحوه تابش خورشید در روز و ماه و سال
وسایل مورد نیاز : ....................
1-5_ نحوه ایجاد فصول :
زمین به دور خورشید بر روی یک مدار بیضوی میگردد، و فاصله آن از خورشید معادل ( 1.496×10m) است.که یک واحد نجومی (AU 1.000) خوانده میشود. زمین در اول تیر و یا اول تابستان دورترین فاصله ( m10×1.52) را از خورشید دارد، در این حالت خورشید در نقطه اوج نسبت به زمین قرار گرفته است. کوتاهترین فاصله بین زمین و خورشید در نقطه حضیض 12 دیماه (یعنی شروع زمستان) است، که دراین حالت فاصله زمین و خورشید( 10×1.47 m ) است. در شکل زیر این فواصل نشان داده شده است. فصول نشان داده شده در شکل زیر مربوط به نیمکره شمالی زمین که ایران درآن قرار گرفته است.
5-1
زمین هر 24 ساعت یکبار بدور محور خود گردش (حرکت وضعی) می کند. این محور زاویه 23.45 درجه با خط عمود بر صفحه مدار گردش (حرکت انتقالی) آن حول خورشید می سازد. محور زمین در حرکت انتقالی خود به دور خورشید همواره یک محدوده قوس 45 دقیقه از امتداد ستاره قطبی قرار داد. انحراف محور زمین علت پدید آمدن فصول در زمین در هنگام گردش آن به دور خورشید است.
بیشتر مردم فکر می‌کنند در تابستان زمین به خورشید نزدیک‌تر است و از این رو علت گرم و سرد شدن هوا در طول سال را به دور و نزدیک شدن زمین از خورشید نسبت می‌دهند.
این فرض می‌توانست وقتی صحیح باشد که در فصل تابستان تمام قاره‌های زمین تابستان را تجربه کند. می‌دانید که وقتی ما در ایران که در نیم‌کره‌ی شمالی زمین ساکن هستیم فصل تابستان را سپری می‌کنیم، مردم نیم‌کره‌ی جنوبی زمین مثل ساکنان کشورهای استرالیا و برزیل و آفریقای جنوبی، فصل زمستان را تجربه می‌کنند و برعکس وقتی زمستان به ایران می‌رسد آن‌ها طعم گرمای تابستان را می‌چشند. بنابراین وقتی این پرسش را مطرح می‌کنیم که «آیا در تابستان زمین به خورشید نزدیک‌تر است؟» باید مشخص کنیم منظورمان تابستان نیم‌کره‌ی شمالی است یا جنوبی!
نکته‌ی جالب این‌جا است که در حال حاضر زمین در تابستان‌های نیم‌کره‌ی شمالی از خورشید دورتر و در زمستان‌های نیم‌کره‌ی شمالی به خورشید نزدیک‌تر است!! به عبارت دیگر شاید صحیح‌تر باشد که بگوییم در روزگار ما، وقتی نوبت تابستان نیم‌کره‌ی جنوبی زمین می‌رسد، زمین به خورشید نزدیک‌تر میشود. مثلاً امسال (سال ۱۳۹۱ هجری خورشیدی) زمین در روز ۱۵ تیر به دورترین فاصله از خورشید رسید و در این حالت ۱۵۲۰۹۲۴۲۵ کیلومتر از خورشید فاصله گرفت. در حالی‌که در ۱۳ دی همین سال در نزدیک‌ترین فاصله از خورشید قرار گرفت و در این زمان فاصله‌اش به ۱۴۷۰۹۸۱۶۱ کیلومتری از خورشید رسید. پس می‌بینید آن‌چه باعث تفاوت فصول میشود ارتباطی با دوری و نزدیکی از خورشید ندارد.
علت پیدایش فصول بر میگردد به انحراف محور قطبین زمین از راستای قائم که حدود ۲۳/۵ درجه است و سبب میشود که در گردش زمین به دور خورشید در طول یک سال، تغییر زاویه‌ای در تابش خورشید نسبت به مناطق مختلف زمین به وجود بیاید. همین موجب به وجود آمدن تفاوت دمایی و تفاوت در میزان بارش باران و نهایتاً دگرگونی فصل‌ها میشود.
2-5_ 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، عرضهای جغرافیایی مرکز شهر تهران و کرج به ترتیب حدود 35.4 و 35.5 درجه شمالی هستند .
5-2
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 ، 15درجه 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
5-3
• 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 .
5-4
3-5_ نحوه حرکت خورشید در طول روز :
گذشت زمان با گردش زمین حول محور آن اندازه گیری می شود. امروزه مقیاس اندازه گیری زمان، زمان بین المللی نام دارد و مبنای اندازه گیری آن نصف النهار 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 میشود.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 پاره ای 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 .
5-5
تکلیف 1 : با توجه به اینکه گفته شد خورشید در تابستان نسبت به زمستان ، دورتر از از زمین است ، پس چرا هوا گرمتر است ؟؟
تکلیف 2 : بیشترین و کمترین اختلاف بین ساعت خورشیدی و ساعت معمولی در ایران را بدست آورید ؟
آزمایش : سعی کنید شکل 6 (شکل مربوط به زوایای خورشیدی) را بر روی یک تخته ایجاد و زوایا را در آن نشان دهید .
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:
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه اول
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه دوم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه سوم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه چهارم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه پنجم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه ششم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه هفتم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه هشتم
وسایل مورد نیاز : ....................
1-5_ نحوه ایجاد فصول :
زمین به دور خورشید بر روی یک مدار بیضوی میگردد، و فاصله آن از خورشید معادل ( 1.496×10m) است.که یک واحد نجومی (AU 1.000) خوانده میشود. زمین در اول تیر و یا اول تابستان دورترین فاصله ( m10×1.52) را از خورشید دارد، در این حالت خورشید در نقطه اوج نسبت به زمین قرار گرفته است. کوتاهترین فاصله بین زمین و خورشید در نقطه حضیض 12 دیماه (یعنی شروع زمستان) است، که دراین حالت فاصله زمین و خورشید( 10×1.47 m ) است. در شکل زیر این فواصل نشان داده شده است. فصول نشان داده شده در شکل زیر مربوط به نیمکره شمالی زمین که ایران درآن قرار گرفته است.
زمین هر 24 ساعت یکبار بدور محور خود گردش (حرکت وضعی) می کند. این محور زاویه 23.45 درجه با خط عمود بر صفحه مدار گردش (حرکت انتقالی) آن حول خورشید می سازد. محور زمین در حرکت انتقالی خود به دور خورشید همواره یک محدوده قوس 45 دقیقه از امتداد ستاره قطبی قرار داد. انحراف محور زمین علت پدید آمدن فصول در زمین در هنگام گردش آن به دور خورشید است.
بیشتر مردم فکر می‌کنند در تابستان زمین به خورشید نزدیک‌تر است و از این رو علت گرم و سرد شدن هوا در طول سال را به دور و نزدیک شدن زمین از خورشید نسبت می‌دهند.
این فرض می‌توانست وقتی صحیح باشد که در فصل تابستان تمام قاره‌های زمین تابستان را تجربه کند. می‌دانید که وقتی ما در ایران که در نیم‌کره‌ی شمالی زمین ساکن هستیم فصل تابستان را سپری می‌کنیم، مردم نیم‌کره‌ی جنوبی زمین مثل ساکنان کشورهای استرالیا و برزیل و آفریقای جنوبی، فصل زمستان را تجربه می‌کنند و برعکس وقتی زمستان به ایران می‌رسد آن‌ها طعم گرمای تابستان را می‌چشند. بنابراین وقتی این پرسش را مطرح می‌کنیم که «آیا در تابستان زمین به خورشید نزدیک‌تر است؟» باید مشخص کنیم منظورمان تابستان نیم‌کره‌ی شمالی است یا جنوبی!
نکته‌ی جالب این‌جا است که در حال حاضر زمین در تابستان‌های نیم‌کره‌ی شمالی از خورشید دورتر و در زمستان‌های نیم‌کره‌ی شمالی به خورشید نزدیک‌تر است!! به عبارت دیگر شاید صحیح‌تر باشد که بگوییم در روزگار ما، وقتی نوبت تابستان نیم‌کره‌ی جنوبی زمین می‌رسد، زمین به خورشید نزدیک‌تر میشود. مثلاً امسال (سال ۱۳۹۱ هجری خورشیدی) زمین در روز ۱۵ تیر به دورترین فاصله از خورشید رسید و در این حالت ۱۵۲۰۹۲۴۲۵ کیلومتر از خورشید فاصله گرفت. در حالی‌که در ۱۳ دی همین سال در نزدیک‌ترین فاصله از خورشید قرار گرفت و در این زمان فاصله‌اش به ۱۴۷۰۹۸۱۶۱ کیلومتری از خورشید رسید. پس می‌بینید آن‌چه باعث تفاوت فصول میشود ارتباطی با دوری و نزدیکی از خورشید ندارد.
علت پیدایش فصول بر میگردد به انحراف محور قطبین زمین از راستای قائم که حدود ۲۳/۵ درجه است و سبب میشود که در گردش زمین به دور خورشید در طول یک سال، تغییر زاویه‌ای در تابش خورشید نسبت به مناطق مختلف زمین به وجود بیاید. همین موجب به وجود آمدن تفاوت دمایی و تفاوت در میزان بارش باران و نهایتاً دگرگونی فصل‌ها میشود.
2-5_ 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، عرضهای 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 ، 15درجه در هر ساعت .
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 .
3-5_ نحوه حرکت خورشید در طول روز :
گذشت زمان با گردش زمین حول محور آن اندازه گیری می شود. امروزه مقیاس اندازه گیری زمان، زمان بین المللی نام دارد و مبنای اندازه گیری آن نصف النهار 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 میشود.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 پاره ای 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 .
تکلیف 1 : با توجه به اینکه گفته شد خورشید در تابستان نسبت به زمستان ، دورتر از از زمین است ، پس چرا هوا گرمتر است ؟؟
تکلیف 2 : بیشترین و کمترین اختلاف بین ساعت خورشیدی و ساعت معمولی در ایران را بدست آورید ؟
آزمایش : سعی کنید شکل 6 (شکل مربوط به زوایای خورشیدی) را بر روی یک تخته ایجاد و زوایا را در آن نشان دهید .
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:
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه اول
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه دوم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه سوم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه چهارم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه پنجم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه ششم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه هفتم
نیروگاه خورشیدی و ساخت ماکت جلسه هشتم
