Угол падения солнечных лучей. Высота солнца над горизонтом: изменение и измерение. Восход солнца в декабре

Памятка для решения задач по теме «Земля как планета Солнечной системы»

Для выполнения заданий на определение высоты Солнца над горизонтом в различных пунктах, находящихся на одной паралдлели, необходимо необходимо определить полуденный меридиан, используя данные о времени Гринвичского меридиана. Полуденный меридиан определеяется по формуле:

(12час.- время Гринвичского меридиана)*15º - если меридиан в Восточном полушарии;

(время Гринвичского меридиана - 12 час.)*15º - если меридиан в Западном полушарии.

Чем ближе расположены предложенные в задании меридианы к полуденному меридиану, тем выше в них будет находиться Солнце, чем дальше - тем ниже.

Пример1. .

Определите, в каком из пунктов, обозначенных буквами на карте Австралии, 21 марта солнце будет находиться выше всего над горизонтом в 5 часов утра по солнечному времени Гринвичского меридиана. Запишите обоснование Вашего ответа.

Ответ. В точке А,

Точка А ближе других точек к полуденному меридиану (12 - 5)*15º =120º в.д.

Пример2. Определите, в каком из обозначенных буквами на карте Северной Америки пунктов Солнце будет находиться ниже всего над горизонтом в 18 ч. по времени Гринвичского меридиана. Ход ваших рассуждений запишите.

Ответ. В точке А (18-12)*15 º =90 º

2. Для выполнения заданий на определение высоты Солнца над горизонтом в различных пунктах, не находящихся на одной параллели, и когда есть указание на день зимнего (22 декабря) или летнего(22 июня) солнцестояния, нужно

помнить, что Земля движется против часовой стрелки и чем чем восточнее находится пункт, тем раньше Солнце встанет над горизонтом.;

провести анализ положения указанных в задании пунктов относительно полярных кругов и тропиков. Например, если в вопросе есть указание на день - 20 декабря, это значит день, близкий ко дню зимнего солнцестояния, когда на территории севернее полярного круга наблюдается полярная ночь. Значит, чем севернее расположен пункт, тем позже Солнце встанет над горизонтом, чем южнее, тем раньше.

Определите, в каком из пунктов, обозначенных буквами на карте Северной Америки, 20 декабря Солнце раньше всего по времени Гринвичского меридиана поднимется над горизонтом. Ход ваших рассуждений запишите.

Ответ. В точке С.

Точка А находится восточнее точки С, а точка С севернее (20 декабря продолжительность дня тем короче, чем ближе к северному полюсу).

Определите, на какой из параллелей: 20° с.ш., 10° с.ш., на экваторе, 10° ю.ш., или 20° ю.ш. – будет наблюдаться максимальная продолжительность дня в день, когда Земля находится на орбите в положении, показанном на рисунке цифрой 3? Свой ответ обоснуйте.

Ответ. Максимальная продолжительность будет на широте 20 ю.ш.

В точке 3 Земля находится в день зимнего солнцестояния - 22 декабря, в условиях большей продолжительности дня - Южное полушарие. Точка А занимает самое южное положение.

На какой из параллелей, обозначенных на рисунке буквами, 22 декабря продолжительность светового дня наименьшая?

4. Для определения географической широты местности учитывается зависимость угла падения солнечных лучей отот широты местности. В дни равноденствия (21марта и 23 сентября), когда лучи Солнца падают отвесно на экватор, для определения географической широты используется формула:

90 º - угол падения солнечных лучей = широта местности (северная или южная определяется по тени отбрасываемых объектами).

В дни солнцестояний (22 июня и 22 декабря) необходимо учитывать, что лучи Солнца падают отвесно (под углом 90º ) на тропик (23,5º с.ш. и 23,5º ю.ш.). Поэтому для определения широты местности в освещенном полушарии(например, 22 июня в Северном полушарии) используется формула:

90º- (угол падения солнечных лучей - 23,5º) = широта местности

Для определения широты местности в неосвещенном полушарии (например, 22 декабря в Северном полушарии) используется формула:

90º - (угол падения солнечных лучей + 23,5º) = широта местности

Пример1.

Определите географические координаты пункта, если известно, что в дни равноденствия полуденное Солнце стоит там над горизонтом на высоте 40 º (тень от предмета падает на север), а местное время опережает время Гринвичского меридиана на 3 часа. Запишите свои расчеты и рассуждения

Ответ. 50 º с.ш., 60 º в.д.

90 º - 40 º = 50 º ( с.ш. , т. к. тень от предметов падает на север в северном полушарии)

(12-9)х15 = 60º ( в.д. , т. к. местное время опрежает Гринвичское, значит пункт находится восточнее)

Пример2.

Определите географические координаты пункта, расположенного в США, если известно, что 21 марта в 17 часов по солнечному времени Гринвичского меридиана в этом пункте полдень и Солнце находится на высоте 50° над горизонтом. Ход ваших рассуждений запишите.

Ответ. 40 º с.ш., 75 º з.д.

90 º -50 º =40 º ( с.ш. -т.к. США находятся в северном полушарии)

(17ч. -12ч.)*15 = 75 º (з .д., т.к.находится от Гринвичскогоь меридиана к западу на 3 часовых пояса )

Пример3.

Определите географическую широту места, если известно, что 22 июня полуденное Солнце стоит там над горизонтом на высоте 35 º с.ш. Запишите расчеты.

Ответ. 78,5 º с.ш.

90 º -(35 º -23,5 º ) = 78,5 с.ш.

5. Для определения меридиана (географической долготы местности), на котором расположен пункт, пло времени Гринвичского меридиана и местному солнечному времени, необходимо определить разницу во времени между ними. Например, если на Гринвичском меридиане полдень (12 часов), а местное солнечное время в указанном пункте 8 часов, разница(12-8) составляет 4 часа. Протяженность одного часового пояса 15º. Для определения искомого меридианапроводится вычисление 4 х 15º = 60º. Чтобы определить полушарие, в котором находится данный меридиан, нужноьпомнить, что Земля вращается с запада на восток (против часовой стрелки). Значит, если время Гринвичского меридиана больше, чем в заданном пункте, пункт находится в Западном полушарии(как в предложенном примере). Если время Гринвичского меридиана меньше, чем в заданном пункте, пункт находится в Восточном полушарии.

Пример.

На каком меридиане расположен пункт, если изхвестно, что в полдень по времени Гринвичского меридиана местное солнечное время в нем 16 часов? Ход ваших рассуждений запишите.

Ответ. Пункт находится на меридиане 60 º в.д.

16ч. -12ч. = 4ч.(разница во времени)

4х15 º = 60 º

Восточная долгота, т. к. в пункте 16.00, когда на Гринвиче еще 12.00(т.е. пункт находится восточнее)

Важнейшим источником, от которого поверхность Земли и атмосфера получают тепловую энергию, является Солнце. Оно посылает в мировое пространство колоссальное количество лучистой энергии: тепловой, световой, ультрафиолетовой. Излучаемые Солнцем электромагнитные волны распространяются со скоростью 300 000 км/с.

От величины угла падения солнечных лучей зависит нагревание земной поверхности. Все солнечные лучи приходят на поверхность Земли параллельно друг другу, но так как Земля имеет шарообразную форму, солнечные лучи падают на разные участки ее поверхности под разными углами. Когда Солнце в зените, его лучи падают отвесно и Земля нагревается сильнее.

Вся совокупность лучистой энергии, посылаемой Солнцем, называется солнечной радиацией, обычно она выражается в калориях на единицу поверхности в год.

Солнечная радиация определяет температурный режим воздушной тропосферы Земли.

Необходимо заметить, что общее количество солнечного излучения более чем в два миллиарда раз превышает количество энергии, получаемое Землей.

Радиация, достигающая земной поверхности, состоит из прямой и рассеянной.

Радиация, приходящая на Землю непосредственно от Солнца в виде прямых солнечных лучей при безоблачном небе, называется прямой. Она несет наибольшее количество тепла и света. Если бы у нашей планеты не было атмосферы, земная поверхность получала только прямую радиацию.

Однако, проходя через атмосферу, примерно четвертая часть солнечной радиации рассеивается молекулами газов и примесями, отклоняется от прямого пути. Некоторая их часть достигает поверхности Земли, образуя рассеянную солнечную радиацию. Благодаря рассеянной радиации свет проникает и в те места, куда прямые солнечные лучи (прямая радиация) не проникают. Эта радиация создает дневной свет и придает цвет небу.

Суммарная солнечная радиация

Все солнечные лучи, поступающие на Землю, составляют суммарную солнечную радиацию, т. е. совокупность прямой и рассеянной радиации (рис. 1).

Рис. 1. Суммарная солнечная радиация за год

Распределение солнечной радиации по земной поверхности

Солнечная радиация распределяется по земле неравномерно. Это зависит:

1. от плотности и влажности воздуха — чем они выше, тем меньше радиации получает земная поверхность;

2. от географической широты местности — количество радиации увеличивается от полюсов к экватору. Количество прямой солнечной радиации зависит от длины пути, который проходят солнечные лучи в атмосфере. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади. На Земле это происходит в полосе между от 23° с. ш. и 23° ю. ш., т. е. между тропиками. По мере удаления от этой зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей увеличивается, т. е. уменьшается угол их падения на земную поверхность. Лучи начинают падать на Землю под меньшим углом, как бы скользя, приближаясь в районе полюсов к касательной линии. В результате тот же поток энергии распределяется на большую площадь, поэтому увеличивается количество отраженной энергии. Таким образом, в районе экватора, где солнечные лучи падают на земную поверхность под углом 90°, количество получаемой земной поверхностью прямой солнечной радиации выше, а по мере передвижения к полюсам это количество резко сокращается. Кроме того, от широты местности зависит и продолжительность дня в разные времена года, что также определяет величину солнечной радиации, поступающей на земную поверхность;

3. от годового и суточного движения Земли — в средних и высоких широтах поступление солнечной радиации сильно изменяется по временам года, что связано с изменением полуденной высоты Солнца и продолжительности дня;

4. от характера земной поверхности — чем светлее поверхность, тем больше солнечных лучей она отражает. Способность поверхности отражать радиацию называется альбедо (от лат. белизна). Особенно сильно отражает радиацию снег (90 %), слабее песок (35 %), еше слабее чернозем (4 %).

Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию (поглощенная радиация), нагревается и сама излучает тепло в атмосферу (отраженная радиация). Нижние слои атмосферы в значительной мерс задерживают земное излучение. Поглощенная земной поверхностью радиация расходуется на нагрев почвы, воздуха, воды.

Та часть суммарной радиации, которая остается после отражения и теплового излучения земной поверхности, называется радиационным балансом. Радиационный баланс земной поверхности меняется в течение суток и по сезонам года, однако в среднем за год имеет положительное значение всюду, за исключением ледяных пустынь Гренландии и Антарктиды. Максимальных значений радиационный баланс достигает в низких широтах (между 20° с. ш. и 20° ю. ш.) — свыше 42*10 2 Дж/м 2 , на широте около 60° обоих полушарий он снижается до 8*10 2 -13*10 2 Дж/м 2 .

Солнечные лучи отдают атмосфере до 20 % своей энергии, которая распределяется по всей толще воздуха, и потому вызываемое ими нагревание воздуха относительно невелико. Солнце нагревает поверхность Земли, которая передает тепло атмосферному воздуху за счет конвекции (от лат.convectio - доставка), т. е. вертикального перемещения нагретого у земной поверхности воздуха, на место которого опускается более холодный воздух. Именно так атмосфера получает большую часть тепла — в среднем в три раза больше, чем непосредственно от Солнца.

Присутствие в углекислого газа и водяного пара не позволяет теплу, отраженному от земной поверхности, беспрепятственно уходить в космическое пространство. Они создают парниковый эффект, благодаря которому перепад температуры на Земле в течение суток не превышает 15 °С. При отсутствии в атмосфере углекислого газа земная поверхность остывала бы за ночь на 40-50 °С.

В результате роста масштабов хозяйственной деятельности человека — сжигания угля и нефти на ТЭС, выбросов промышленными предприятиями, увеличения автомобильных выбросов — содержание углекислого газа в атмосфере повышается, что ведет к усилению парникового эффекта и грозит глобальным изменением климата.

Солнечные лучи, пройдя атмосферу, попадают на поверхность Земли и нагревают ее, а та, в свою очередь, отдает тепло атмосфере. Этим объясняется характерная особенность тропосферы: понижение температуры воздуха с высотой. Но бывают случаи, когда высшие слои атмосферы оказываются более теплыми, чем низшие. Такое явление носит название температурной инверсии (от лат. inversio — переворачивание).

Жизнь на нашей планете зависит от количества солнечного света и тепла. Страшно представить даже на миг, что было бы, если бы на небе не было такой звезды, как Солнце. Каждая травинка, каждый листочек, каждый цветочек нуждается в тепле и свете, как люди в воздухе.

Угол падения лучей солнца равен высоте солнца над горизонтом

Количество солнечного света и тепла, которое поступает на земную поверхность, прямо пропорционально углу падения лучей. Солнечные лучи могут падать на Землю под углом от 0 до 90 градусов. Угол попадания лучей на землю разный, потому что наша планета имеет форму шара. Чем он больше, тем светлее и теплее.

Таким образом, если луч идёт под углом 0 градусов, он только скользит вдоль поверхности земли, не нагревая её. Такой угол падения бывает на Северном и Южном полюсах, за полярным кругом. Под прямым углом солнечные лучи падают на экватор и на поверхность между Южным и

Если угол попадания солнечных лучей на землю прямой, это говорит о том, что

Таким образом, лучей на поверхность земли и высота солнца над горизонтом равны между собой. Зависят они от географической широты. Чем ближе к нулевой широте, тем угол падения лучей ближе к 90 градусам, тем выше находится солнце над горизонтом, тем теплее и светлее.

Как солнце изменяет свою высоту над горизонтом

Высота солнца над горизонтом не является постоянной величиной. Напротив, она всегда изменяется. Причина этого кроется в непрерывном движении планеты Земля вокруг звезды Солнце, а также вращении планеты Земля вокруг собственной оси. В результате день сменяет ночь, а времена года друг друга.

Территория между тропиками получает больше всех тепла и света, здесь день и ночь практически равны друг другу по продолжительности, а солнце находится в зените 2 раза в год.

Поверхность за полярным кругом получает всех меньше тепла и света, здесь существуют такие понятия, как и ночь, которые длятся около полугода.

Дни осеннего и весеннего равноденствия

Выделены 4 основные астрологические даты, которые определяет высота солнца над горизонтом. 23 сентября и 21 марта - дни осеннего и весеннего равноденствия. Это означает, что высота солнца над горизонтом в сентябре и марте в эти дни 90 градусов.

Южное и освещаются солнцем одинаково, а долгота ночи равна долготе дня. Когда в Северном полушарии наступает астрологическая осень, то в Южном, наоборот, весна. То же самое можно сказать о зиме и лете. Если в Южном полушарии зима, то в Северном - лето.

Дни летнего и зимнего солнцестояния

22 июня и 22 декабря - дни летнего и 22 декабря наблюдается самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии, а зимнее солнце находится на самой низкой высоте над горизонтом за весь год.

Выше широты 66,5 градуса солнце находится под горизонтом и не восходит. Это явление, когда зимнее солнце не восходит на горизонт, называется полярной ночью. Самая короткая ночь бывает на широте 67 градусов и длится всего 2 суток, а самая длинная бывает на полюсах и длится 6 месяцев!

Декабрь является из всего года тем месяцем, когда в Северном полушарии самые длинные ночи. Люди в Центральной России просыпаются на работу в темноте и возвращаются тоже в темное время суток. Это тяжелый месяц для многих, так как нехватка солнечного света сказывается на физическом и моральном состоянии людей. По этой причине может даже развиться депрессия.

В Москве в 2016 г. восход солнца в декабре 1 числа будет в 08.33. При этом долгота дня составит 7 часов 29 минут. за горизонт будет очень рано, в 16.03. Ночь составит 16 часов 31 минуту. Таким образом, получается, что долгота ночи в 2 раза больше, чем долгота дня!

В этом году день зимнего солнцестояния - 21 декабря. Самый короткий день будет длиться ровно 7 часов. Затем 2 дня продержится такая же ситуация. И уже с 24 декабря день пойдёт на прибыль медленно, но верно.

В среднем в сутки будет прибавляться по одной минуте светлого времени. В конце месяца восход солнца в декабре будет ровно в 9 часов, что на 27 минут позже, чем 1-го декабря

22 июня - день летнего солнцестояния. Всё происходит с точностью до наоборот. За весь год именно в эту дату самый длинный день по продолжительности и самая короткая ночь. Это касаемо Северного полушария.

В Южном всё наоборот. С этим днём связаны интересные природные явления. За Полярным кругом наступает полярный день, солнце не заходит за горизонт на Северном полюсе 6 месяцев. В Санкт-Петербурге в июне начинаются загадочные белые ночи. Длятся они примерно с середины июня в течение двух-трёх недель.

Все эти 4 астрологические даты могут меняться на 1-2 дня, так как солнечный год не всегда совпадает с календарным годом. Также смещения происходят в високосные года.

Высота солнца над горизонтом и климатические условия

Солнце является одним из самых важных климатообразующих факторов. В зависимости от того, как изменялась высота солнца над горизонтом над конкретным участком земной поверхности, меняются климатические условия и времена года.

Например, на Крайнем Севере лучи солнца падают под очень маленьким углом и только лишь скользят вдоль поверхности земли, совсем не нагревая её. Под условием этого фактора климат здесь крайне суровый, присутствует вечная мерзлота, холодные зимы с леденящими ветрами и снегами.

Чем больше высота солнца над горизонтом, тем теплее климат. Например, на экваторе он необычайно жаркий, тропический. Сезонные колебания также в районе экватора практически не чувствуются, в этих районах вечное лето.

Измерение высоты солнца над горизонтом

Как говорится, всё гениальное - просто. Так и здесь. Прибор для измерения высоты солнца над горизонтом элементарно прост. Он представляет собой горизонтальную поверхность с шестом посередине длиной 1 метр. В солнечный день в полдень шест отбрасывает самую короткую тень. С помощью этой кратчайшей тени и проводятся расчёт и измерения. Нужно замерить угол между концом тени и отрезком, соединяющим конец шеста с концом тени. Эта величина угла и будет являться углом нахождения солнца над горизонтом. Этот прибор называется гномоном.

Гномон - это древний астрологический инструмент. Существуют и другие приборы для измерения высоты солнца над горизонтом, такие как секстант, квадрант, астролябия.

На изменения притока тепла в короткие периоды времени и на неравномерное распределение его в ландшафтной оболочке влияет ряд обстоятельств, из которых мы рассмотрим наиболее важные.

Небольшие периодические изменения радиации зависят прежде всего от того, что Земля обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите и, следовательно, расстояние её от Солнца меняется. В перигелии, т. е. в наиболее близкой к Солнцу точке орбиты (Земля бывает в ней в настоящую эпоху 1 января), расстояние равно 147 млн. км; в афелии, т. е. наиболее удалённой от Солнца точке орбиты (3 июля), это расстояние уже 152 млн. км; разница составляет 5 млн. км. В соответствии с этим в начале января радиация увеличивается на 3,4% по сравнению со средней (т. е. вычисленной для среднего расстояния от Земли до Солнца), а в начале июля на 3,5% уменьшается.

Весьма важным фактором, определяющим количество радиации, получаемое тем или иным участком земной поверхности, является угол падения солнечных лучей. Если J - интенсивность радиации при вертикальном падении лучей, то при встрече их с поверхностью под углом α интенсивность радиации будет J sin α: чем острее угол, тем на большую площадь должна распределиться энергия пучка лучей и, стало быть, тем меньше её придётся на единицу площади.

Угол, образуемый солнечными лучами с земной поверхностью, зависит от рельефа местности, географической широты и высоты Солнца над горизонтом, изменяющейся как в течение суток, так и в течение года.

На неровной местности (всё равно, идёт ли речь о горах или мелких неровностях) различные элементы рельефа освещаются Солнцем неодинаково. На солнечном склоне холма угол падения лучей больше, чем на равнине у подножия холма, но на противоположном склоне этот угол очень мал. Под Ленинградом склон холма, обращённый к югу и наклоненный под углом в 10°, находится в тех же тепловых условиях, что и горизонтальная площадка под Харьковом.

Зимой обращённые к югу крутые склоны обогреваются лучше, чем пологие (так как Солнце стоит в общем низко над горизонтом). Летом пологие склоны южной экспозиции получают тепла больше, а крутые меньше, чем горизонтальная поверхность. Склоны северной экспозиции в нашем полушарии во все сезоны получают наименьшее количество радиации.

Зависимость угла падения солнечных лучей от географической широты довольно сложная, так как при существующем угле наклона эклиптики высота Солнца в данном месте (значит, и угол падения солнечных лучей на плоскость горизонта) меняется не только за сутки, но и в году. Наибольшая полуденная высота, какой на широте φ. Солнце достигает в дни равноденствий, составляет 90° - φ, в день летнего солнцестояния 90°- φ +23°,5 и в день зимнего солнцестояния 90° - φ - 23°,5.

Следовательно, наибольший угол падения солнечных лучей в полдень на экваторе в году изменяется от 90° до 66°,5, а на полюсе от -23°,5 до + 23°,5, т. е. практически от 0° до + 23°,5 (так как отрицательный угол характеризует величину погружения Солнца под горизонт).

Большую роль в преобразовании солнечной радиации играет газовая оболочка Земли. Частички воздуха, водяного пара и пылинки рассеивают солнечный свет; благодаря этому днём светло и при отсутствии прямых солнечных лучей. Атмосфера, кроме того, поглощает некоторое количество лучистой энергии, т. е. переводит её в тепловую. Наконец, поступающая в атмосферу, частично отражается обратно в мировое пространство. Особенно сильными отражателями служат облака.

В результате не вся радиация, поступившая на границу атмосферы, достигает поверхности Земли, а лишь часть её и притом качественно (по спектральному составу) изменённая, так как волны короче 0,3 μ, энергично поглощаемые кислородом и озоном, до земной поверхности не доходят, а видимые волны неодинаково рассеиваются.

Очевидно, что при отсутствии атмосферы тепловой режим Земли отличался бы от того, какой на самом деле наблюдается. Для целого ряда расчётов и сопоставлений нередко бывает удобно устранить влияние атмосферы на радиацию, иметь понятие о радиации в чистом виде. С этой целью вычисляют так называемую солнечную постоянную, т. е. количество тепла, приходящееся в 1 мин. на 1 кв. см перпендикулярной к солнечным лучам чёрной (поглощающей всю радиацию) поверхности, которое Земля получала бы при своём среднем расстоянии от Солнца и при отсутствии атмосферы. Солнечная постоянная равна 1,9 кал.

При наличии атмосферы особое значение приобретает такой фактор, влияющий на радиацию, как длина пути солнечного луча в атмосфере. Чем большую толщу воздуха должен пронизывать солнечный луч, тем больше потеряет он энергии в процессах рассеяния, отражения и поглощения. Длина пути луча непосредственно зависит от высоты Солнца над горизонтом и, следовательно, от времени суток и времени года. Если длину пути солнечного луча сквозь атмосферу при высоте Солнца 90° принять за единицу, тогда длина пути при высоте Солнца 40° удвоится, при высоте 10° станет равной 5,7 и т. д.

Для теплового режима земной поверхности очень важна ещё продолжительность освещения её Солнцем. Так как Солнце светит только днём, то определяющим фактором здесь будет длина дня, меняющаяся по временам года.

Наконец, необходимо помнить, что, хотя интенсивность радиации измеряется по отношению к поверхности, поглощающей всю радиацию, на самом деле солнечная энергия, падающая на различные по своей природе тела, поглощается далеко не одинаково. Отношение отражённой радиации к падающей называется альбедо. Давно известно, что альбедо чёрной почвы, светлых скал, травянистого пространства, зеркала водоёма и т. п. сильно разнятся. Светлые пески отражают 30-35%, чёрная почва (гумус) 26%, зелёная трава 26% радиации. Для свежевыпавшего чистого и сухого снега альбедо может достигать 97%. Влажная почва поглощает радиацию иначе, чем сухая: синяя сухая глина отражает 23% радиации, та же глина мокрая 16%. Следовательно, даже при одном и том же притоке радиации, в одних и тех же условиях рельефа, различные точки земной поверхности будут получать различное количество тепла.

Из периодических факторов, обусловливающих известный ритм в колебаниях радиации, особое значение имеет смена времён года.

Чтобы была максимальной очень важна ориентация и угол наклона коллектора . Что бы поглощать максимальное количество плоскость солнечного коллектора должна быть всегда перпендикулярна солнечным лучам. Однако солнце светит на Земную поверхность в зависимости от времени суток и года всегда под различным углом . Поэтому для монтажа солнечных коллекторов необходимо знать оптимальную ориентацию в пространстве . Для оценки оптимального ориентирования коллекторов учитывается вращение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, а так же изменение расстояния от Солнца. Для определения положения или необходимо учитывать основные угловые параметры :

Широта места установки φ;

Часовой угол ω;

Угол солнечного склонения δ;

Угол наклона к горизонту β;

Азимут α;

Широта места установки (φ)показывает, насколько место находится севернее или южнее от экватора, и составляет угол от 0° до 90°,отсчитываемый от плоскости экватора до одного из полюсов - северного или южного.

Часовой угол (ω) переводит местное солнечное время в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Земля поворачивается на 15° за один час. Утром угол солнца отрицательный, вечером - положительный.

Угол склонения Солнца (δ) зависит от вращения Земли вокруг Солнца, поскольку орбита вращения имеет эллиптическую форму и сама ось вращения тоже наклонена, то угол меняется в течение года от значения 23.45° до -23.45°. Угол склонения становится равным нулю два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия.

Склонение солнца для конкретно выбранного дня определяется по формуле:

Наклон к горизонту (β) образуется между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью. К примеру, при монтаже на наклонной крыше угол наклона коллектора определяется крутизной ската крыши.

Азимут (α) характеризует отклонение поглощающей плоскости коллектора от южного направления, при ориентировании солнечного коллектора точно на юг азимут = 0°.

Угол падения солнечных лучей на произвольно ориентированную поверхность, имеющую определенное значение азимута α и угол наклона β, определяется по формуле:

Если в данной формуле заменить значение угла β на 0, тогда получится выражение для определения угла падения солнечных лучей на горизонтальную поверхность:

Интенсивность потока солнечного излучения для определенного положения поглощающей панели в пространстве вычисляется по формуле:

Где J s и J d интенсивность потоков прямого и рассеянного солнечного излучения падающие на горизонтальную поверхность, соответственно.

Коэффициенты положения солнечного коллектора для прямого и рассеянного солнечного излучения.

Для обеспечения попадания на абсорбер максимального (за расчетный период) количества солнечной энергии коллектор монтируют в наклонном положении с оптимальным углом наклона к горизонту β, который определяется расчетным методом и зависит от периода использования гелиосистемы. При южном ориентировании коллектора для круглогодичных гелиосистем β = φ, для сезонных гелиосистем β = φ–15°. Тогда формула примет вид, для сезонных гелиосистем:

Для круглогодичных:

Солнечные коллекторы, ориентированные в южном направлении и смонтированные под углом от 30° до 65° относительно горизонта, позволяют достичь максимального значения поглощения . Но даже при определенных отклонениях от этих условий может вырабатывать достаточное количество энергии. Установка с небольшим углом наклона более эффективна в случае, если солнечные коллекторы или солнечные батареинельзя ориентировать на юг.

К примеру, если солнечные панели ориентированы на юго-запад, с азимутом 45° и углом наклона 30°, то такая система сможет поглощать до 95% от максимального количества солнечного излучения. Или при ориентировании в восточном или западном направлении можно обеспечить до 85% попадания энергии на коллектор при установке панелей под углом 25-35°. Если угол наклона коллектора больше, то количество энергии, поступающее на поверхность коллектора, будет более равномерным, для поддержки отопления такой вариант установки более эффективен.

Зачастую ориентирование солнечного коллектора зависит от , установка коллектора производится на крыше здания, поэтому очень важно на стадии проектирования учесть возможность оптимально установки коллекторов.