CC BY
26РАЗДЕЛ 7.
ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ И ВОДООТВЕДЕНИЕ, ГИДРОМЕЛИОРАЦИЯ, ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИКА
УДК 697.7:551.590.21(477.75-25)
РАЗРАБОТКА И ПОСТРОЕНИЕ МЕРИДИАЛЬНОЙ АНАЛЕММЫ ДЛЯ
Г.СИМФЕРОПОЛЬ
Алиева З.Б., Бекиров Э.А.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
В работе рассматривается способ расчета и построения меридиальной аналеммы для города Симферополь. Построение меридиальной аналеммы необходимо при проектировании следящих систем, для концентраторов солнечного излучения, где требуется обеспечить высокую точность направления на Солнце. Расчет и построение меридиальной аналемы необходим для выбора оптимального угла наклона солнечных батарей и солнечных коллекторов. В работе также описаны основные уравнения для построения аналеммы, описаны уравнения времени и склонения. Аналемма, склонение, уравнение времени, солнечная энергия
Введение
Аналемма — кривая, соединяющая ряд последовательных положений центральной звезды планетарной системы (в нашем случае — Солнца) на небосводе одной из планет этой системы в одно и то же время в течение года.
Форма аналеммы определяется наклоном земной оси к плоскости эклиптики и эллиптичностью земной орбиты. Наивысшее положение солнца на аналемме соответствует летнему солнцестоянию, наинизшее — зимнему. Положение в середине «восьмёрки» солнце занимает два раза в год, в середине апреля и в конце августа. Эти даты не совпадают с весенним и осенним равноденствием, а сдвинуты к лету (в южном полушарии к зиме), из-за эллиптичности земной орбиты.
Цель и постановка задач Построение аналеммы для определения профиля освещенности. Профиль освещенности определяет радиацию, поступающую на солнечную батарею, которая является функцией времени в течение одного витка на космической орбите, а также зависит от угла между направлением на Солнце и плоскостью расположения солнечной батареи.
Методика исследований
В работе применяется методология расчёта инсоляции с использованием методов косоугольного и центрального проецирования [4-6], компьютерный метод архитектурно-строительного проектирования, реализующих метод ортогонального проецирования. Использование методов косоугольного и центрального проецирования позволяет компактно и наглядно характеризовать колебательные импульсы инсоляции. Построение аналеммы является необходимой задачей для проектирования солнечных установок: фотобатарей и гелиоколлекторов.
Результаты и их анализ
Метод исследования заключается в использовании значения солнечной радиации, которая является функцией времени, и зависит от угла между направлением на Солнце и плоскостью расположения солнечной батареи; использовании тригонометрических уравнении на основании которых, можно определить азимут истинного Солнца и азимут тени, а также точки координат для построения меридиальной аналеммы.
Склонение почти повторяется через 4 года, и для этого 4-летнего периода осредненное склонение с достаточной точностью можно рассчитать по следующей приближенной формуле [1]:
sin S = 0,3979 • sin (279,4 + 0,9856 • N +1,92 • sin (0,9856 • N - 2)) (1)
где N - порядковый номер дня, начиная с 1 января.
Если склонение получается положительным, то оно северное, а если отрицательное, то южное.
Приближенное значение уравнения времени также зависит от номера N дня в году и вычисляется по следующей формуле [1]:
h= 7,7 •(0,986 •( N - 4))-9,9 • sin (l,97b( N - 80)) (2)
Как видно из коэффициентов, размерность уравнения времени выражена во временной мере. Если полученные минуты разделим на 4, то переведем в градусную меру.
Таблица 1
Дата 5(°) П(мин) п(°) Дата 5(°) П(мин) п(°)
01.01 -23,0 3,4 0,8 01.07 23,1 3,8 0,9
11.01 -21,8 7,8 1,9 11.07 22,1 5,4 1,4
21.01 -19,8 11,2 2,8 23.07 20,0 6,5 1,6
01.02 -17,0 13,5 3,4 01.08 17,9 6,3 1,6
11.02 -13,9 14,2 3,6 11.08 15,2 5,2 1,3
20.02 -10,8 13,8 3,4 23.08 11,3 2,7 0,7
01.03 -7,5 12,4 3,1 01.09 8,2 0 0
11.03 -3,6 10,1 2,5 11.09 4,4 -3,2 -0,8
21.03 0 7,3 1,8 23.06 0 -7,5 -1,9
01.04 4,7 4,0 1,0 01.10 -3,3 -10,2 -2,6
11.04 8,4 1,1 0,3 11.10 -7,1 -13,2 -3,3
21.04 12,0 -1,2 -0,3 23.10 -11,5 -15,6 -3,9
01.05 15,2 -2,4 -0,6 01.11 -14,5 -16,4 -4,1
11.05 18,0 -3,7 -0,9 11.11 -17,5 -16,0 -4,0
22.05 20,5 -3,4 -0,8 22.11 -20,2 -13,9 -3,5
01.06 22,1 -2,3 -0,6 01.12 -21,8 -11,1 -2,8
11.06 23,1 -0,5 -0,1 11.12 -23,0 -6,9 -1,7
22.06 23,4 1,9 0,5 22.12 -23,4 -1,6 -0,4
Первое слагаемое учитывает неравномерность движения Земли по орбите (4 -порядковый номер дня прохождения перигелия, соответствующего примерно 4 января), второе- проекция на экватор движения Солнца по эклиптике (множитель 0,986 удвоен, поскольку период составляет полгода, а 80 - номер дня весеннего равноденствия).
Уравнение времени устанавливает взаимосвязь между истинным и средним временем. При помощи уравнения времени можно решать следующие задачи [2]: 1. Получение часового угла Солнца по известному времени:
t = T ± 12(180)-h (3)
2. Получение времени кульминации Солнца. Для верхней кульминации t=0, поэтому из последней формулы имеем:
T„.= 12ч +h (4)
Горизонтальную аналемму будем рассчитывать на полдень, когда Солнце будет приходить на меридиан наблюдателя. Высоту и азимут Солнца вычисляем по следующей формуле [2]:
sinh = sin р- sin 5 + cos 5- cost (5)
. . cosd - sin t
sin A =--(6)
cosh
Будем рассчитывать азимут истинного Солнца на момент кульминации среднего Солнца. В этом случае часовой угол истинного Солнца численно будет равен уравнению времени. Кульминация Солнца в нашей стране происходит всегда над точной юга (S),
поэтому азимут будет отсчитывается от точки S в сторону востока (E) или запада (W). Последняя формула удобна своей простотой. Из таблицы 1 видно, что максимальное значение уравнения времени не превосходит 4,1°, а так как синус малого угла равен самому углу в радианной форме, то после преобразования получим упрощенную формулу[2]:
A°» cos 5 • sech (7)
Азимут тени будет отличаться от азимута Солнца на 180°, т.е. мы его будем вычислять по последней формуле, но он будет откладываться от точки севера (N).
Рис. 1. Схематическое построение азимута Солнца
Из рисунка 1 видно, что длина тени будет определятся выражением[3]:
Ш = ± tgh
Для нанесения аналеммы, необходимо рассчитать координаты. Ось ОХ направлена в сторону востока (E), а ось ОУ совпадает с полуденной линией и направленная в сторону севера (N). Тогда из прямоугольного треугольника ОВС имеем:
1 • л
х =--sin А
tgh
Так как азимут будет мал, то sinA~A(рад). Разделив градусы азимута на 57,3 переведем его в радианную меру. Тогда, подставляя (7) в последнюю формулу, имеем:
l■ cos8 h l■ cosd h /04
х =-=--(8)
57,3 ■ tgh ■ cosh 57,3 ■ sinh
' = LTTT (9>
tgh
Сделаем ещё одно упрощение. В момент кульминации в течение нескольких минут высота светила изменяется незначительно, поэтому близмеридиольную высоту h можно считать равной меридиональной Н [2].
z
Рис. 2. Графическое изображение небесной сферы спроецированной на меридиан
Из рис.2. имеем:
H = 90 - j + 5
Тогда формулы (7), (8) и (9) после преобразований окончательной примут следующий
вид:
A = (Ю)
sin(j- 5)
х = 1• CQs5'h (11)
57,3 • cos(j- 5)
y = l • tg(j - 5) • cos A (12)
Выполним расчеты, для города Симферополь, его географические координаты:
Широта - ф= 44°57'N;
Долгота- X =34°06'Б
Исходя из формул (10)- (12), склонения и уравнения времени из таблицы 1 рассчитываем координаты анлеммы, которые заносятся в таблицу 2.
Если уравнение времени положительно, то истинное Солнце в своем суточном движении отстает от среднего Солнца, и знак координаты Х будет отрицательный. А при отрицательном значении уравнения времени Х будет положительный.
Относительно полуденной линии по рассчитанным координатам наносим точки аналеммы, маркируем и соединяем их кривой.
Осенне-зимний участок горизонтальной аналлемы наиболее протяженный, и при большей широте этот участок, как и вся аналемма будут ещё длиннее. Но в этот период число солнечных дней меньше, чем в весеннее- летний.
Таблица 2
Склонение, гр Ур-е времени, Ур-е времени, А, гр у, см х,см
мин гр
-23 3,4 0,85 0,8 484,5 -8,6
-21,8 7,8 1,95 1,9 456,9 -16,0
-19,8 11,2 2,8 2,9 416,3 -22,9
-17 13,5 3,375 3,7 368,7 -27,7
-13,9 14,2 3,55 4,1 325,2 -26,1
-10,8 13,8 3,45 4,1 288,9 -24,4
-7,5 12,4 3,1 3,9 256,0 -19,3
-3,6 10,1 2,525 3,3 223,1 -15,5
0 7,3 1,825 2,6 196,8 -9,8
4,7 4 1 1,6 167,0 -6,8
8,4 1,1 0,275 0,5 146,2 -1,1
12 -1,2 -0,3 0,5 127,8 1,0
15,2 -2,4 -0,6 1,2 112,5 2,4
18 -3,7 -0,925 1,9 100,0 3,4
20,5 -3,4 -0,85 1,8 89,3 3,4
22,1 -2,3 -0,575 1,4 82,7 2,0
23,1 -0,5 -0,125 0,2 78,7 0,0
23,1 1,9 0,475 1,3 78,6 -2,0
23,1 3,8 0,95 2,2 78,6 -3,1
22,1 5,4 1,35 3,4 82,6 -3,3
20 6,5 1,625 3,6 91,3 -5,3
17,9 6,3 1,575 3,4 100,3 -6,0
15,2 5,2 1,3 2,5 112,4 -6,0
11,3 2,7 0,675 1,2 131,2 -5,2
8,2 0 0 0,0 147,3 0,0
4,4 -3,2 -0,8 1,2 168,8 4,1
0 -7,5 -1,875 2,7 196,8 9,1
-3,3 -10,2 -2,55 3,5 220,7 14,4
-7,1 -13,2 -3,3 4,2 252,3 18,1
-11,5 -15,6 -3,9 4,6 296,3 24,4
-14,5 -16,4 -4,1 4,6 332,7 27,6
-17,5 -16 -4 4,3 376,2 29,3
-20,2 -13,9 -3,475 3,6 423,6 27,7
-21,8 -11,1 -2,775 2,8 456,6 23,6
-23 -6,9 -1,725 1,7 484,3 14,1
-23,4 -1,6 -0,4 0,4 494,3 3,2
Уравнение времени
■и
£ §
О
Рис. 3. Солнечная Аналемма
Выводы
1. Построение меридиальной аналеммы необходимо при проектировании следящих систем, для концентраторов солнечного излучения, где требуется обеспечить высокую точность направления на Солнце.
2. Расчет и построение меридиальной аналемы необходим для выбора оптимального угла наклона солнечных батарей и солнечных коллекторов.
3. Построение меридиальной аналеммы необходимо для определения профиля освещенности. Профиль освещенности определяет радиацию, поступающую на солнечную батарею, которая является функцией времени в течение одного витка на космической орбите, а также зависит от угла между направлением на Солнце и плоскостью расположения солнечной батареи.
Список литературы
1. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер.с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360с.,ил.
2. Крошкин М.Г. Физико-технические основы космических исследований. - М.: Машиностроение, 1969.
3. Кононович Э.В., Морозов В.И. «Общий курс астрономии» Учебное пособие под ред. В.В. Иванова. Изд. 2-е, испр.М.: Едиториал УРСС, 2004 - 555с.
4. Бахарев Д.В. Методы расчета и нормирования солнечной радиации в градостроительстве. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М. НИИСФ. 1968 - 218 с.
5. Орлова Л.Н. Метод энергетической оценки и регулирования инсоляции на жилых территориях. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., МИСИ. 1985 - 188 с.
6. Оболенский Н.В. Архитектура и Солнце. М.: Стройиздат. 1988 - 208 с.
УДК 662.612-428.4
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО ПОТОКА ПРИ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ПОТОКОМ ЗАКРУЧЕННОГО ГАЗА
Атрощенко С.Ю.
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Теоретически исследовано взаимодействие тепловой гетерогенной струи с потоком закрученного газа и отсосом. Получена модель движения тепловой гетерогенной струи, взаимодействующей с внешним закрученным потоком и спектром всасывания в верхней области. На основании полученных результатов разработан способ локализации и удаления вредностей, в котором предложено локализовать их посредством крутки потока защитного газа, а удаление сварочного аэрозоля производить из образованного конуса вращения.
Конвективная струя, закрученный поток, сварочный аэрозоль, защитный газ.
Введение
Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов становится задачей первостепенной важности в связи с ухудшением экологической ситуации на Украине, вызванной экстенсивным использованием природных богатств. При этом особенно негативные последствия имеют место при загрязнении воздуха сварочными аэрозолями, обладающими практически нулевой скоростью осаждения и влияющие на оптические, метеорологические и другие характеристики атмосферы.
