Dr. Fatih AY Tel: 0 388 225 22 55 ayfatih@nigde.edu.tr
Güneş Sabiti (The Solar Constant) ve Atmosfer Dışı Işınımın Değişimi Güneş Açıları Atmosfer Dışında Yatay Düzleme Gelen Güneş Işınımı 2
Bu bölümde güneş geometrisi tanıtılacak ve güneş açıları tanımlanacaktır. Atmosfer dışında birim düzleme düşen anlık ve günlük güneş ışınım değerinin hesaplanması üzerinde durulacaktır. 3
4
Dünyaya en yakın yıldızdır ve 8 ışık dakikası (149.6 milyon km) uzaklıktadır. Bu aynı zamanda güneşe baktığımızda onun 8 dakika önceki halini görüyoruz demektir. 700.000 km yarıçapı ve 15milyon K çekirdek sıcaklığı göz önüne alındığında H-R diyagramına göre G2 türünden cüce yıldızlar sınıfına girer. Güneş sisteminin Samanyolu nda Oort Bulutu ndan oluştuğu sanılmaktadır. 5
Güneş manyetik bir alana sahip olan, dönen ve çekirdeğinde enerji üreten bir gökcismidir. Güneş, güneş sistemindeki maddenin %99.85 ni içerir. Gezegenler %0.135, uydular,asteroidler, kuyruklu yıldızlar, meteoritler ve gezegenler arası ortam ise %0.015 ni oluşturur. Güneşin enerjisi, 15milyon K (Kelvin) sıcaklıktaki ve yeryüzü atmosfer basıncından milyarlarca kez fazla olan çekirdeğindeki, hidrojenin helyuma dönüşmesinden kaynaklanır. 6
Çekirdek tepkimeleri sonucu serbest kalan enerji, yüzeye gelir ve buradan uzaya yayılır. Bu enerjinin sadece 2.2 milyarda biri yeryüzü tarafından soğurulur ve yaşam için gerekli koşulların oluşmasını sağlar. Güneşten, X- ışınlarından radyo dalgalarına kadar her dalga boyunda enerji yayılır. Güneşte ışınım kuvveti ile çekim kuvveti denge halinde bulunur. 7
700.000 km çapa göre çekirdekte oluşan ışığın hızı da göz önüne alındığında yüzeye yaklaşık 2 sn de gelmesi gerekirken, aşırı hidrojen yoğunluğuna bağlı olarak bu süre 10 milyon yıldır. Aslında biz 8 dakikadan da öte güneşin 10 milyon yıl önce oluşturduğu ışığı görüyoruz. 8
Güneş; Yeryüzü çapınınyaklaşık 110 katı, Yer yüzey alanının 12.000 katı, Yer kütlesinin 333.000 katı, Yer hacminin ise 1.306.000 katıdır. 9
Dünyanın günlük (eksen) hareketinin sonuçları; 1. Gece ve gündüzler oluşur. 2. Yerel saat farkları ortaya çıkar. 3. Doğu ve batı yönleri ortaya çıkar. 4. Dünya üzerinde herhangi bir yer, güneş ışınlarını gün içinde farklı açılarla alır. 5. Günlük sıcaklık ve basınç farkları oluşur. Mekanik çözülme artar Meltem rüzgarları oluşur 6. Sürekli rüzgarların yönlerinde sapmalar olur. 7. 30 ve 60 enlemlerinde dinamik basınç kuşakları oluşur. 8. Okyanus akıntılarında sapma ve halkalar oluşur. 9. Aynı enlem üzerinde, Güneş farklı zamanlarda doğup batar. 10
11
Dünyanın yıllık (yörünge) hareketinin sonuçları; 1. Mevsimler oluşur. 2. Güneş ışınlarınındüşme açısı zaman içerisinde değişir. 3. Gece - gündüz süreleri değişir. 4. Güneş ışınlarının dik geldiği kesimler yıliçindedeğişir ve Dönenceler oluşur. 5. Kutup dairelerinin enlem dereceleri oluşur. 12
Dünyanın yıllık (yörünge) hareketinin sonuçları; 6. Aynı boylam üzerindeki noktalarda Güneş'in doğuş ve batış saatleri değişir. 7. Kutup noktaları ile daireleri arasında sürekli gece ve gündüzler yaşanır. 8. Kuzey ve Güney Yarım kürelerde farklı mevsimler yaşanır. 9. Muson rüzgarları oluşur. 10. Ekvatordan kutuplara gidildikçe gece-gündüz süreleri arasındaki fark artar. 13
14
Dünya ile güneş arasındaki ilişki 15
Atmosfer dışında güneş ışınlarına dik birim alana bütün dalga boylarında bir anda gelen güneş ışınımının değeri mevsimlere bağlı olarak dünya ile güneş arasındaki mesafe değiştiği için değişkendir. Dünya ile güneş arasındaki ortalama uzaklıkta, atmosfer dışında güneş ışınımına dik birim alana bütün dalga boylarında bir anda gelen güneş ışınımı değeri «Güneş Sabiti, G SC» olarak tanımlanır. 16
Güneş Sabiti: 1367 W/m 2 (%1 hata) 17
Atmosfer dışında yılın herhangi bir zamanında güneş ışınımına dik düzleme (normal doğrultuda) bütün dalga boylarında gelen güneş ışınımı: 1 0.033 360 365 : 1 ocaktan itibaren gün sayısı 18
Ay Belirli bir gün için n değeri Ayı temsil eden gün Ortalama gün için n değeri Deklinasyon Ocak i 17 17-20.9 Şubat 31 + i 16 47-13.0 Mart 59 + i 16 75-2.4 Nisan 90 + i 15 105 9.4 Mayıs 120 + i 15 135 18.8 Haziran 151 + i 11 162 23.1 Temmuz 181 + i 17 198 21.2 Ağustos 212 + i 16 228 13.5 Eylül 243 + i 15 258 2.2 Ekim 273 + i 15 288-9.6 Kasım 304 + i 14 318-18.9 Aralık 334 + i 10 344-23 19
Herhangi bir anda yeryüzü üzerinde belirli bir yöndeki düzlem ile yeryüzüne gelen direkt güneş ışınımı arasındaki geometrik ilişkiler birkaç değişikaçı tanımı ile belirlenebilir. 20
Enlem Açısı, ϕ, (Latitude Angle): Yeryüzündeki herhangi bir noktayı dünya merkezine birleştiren doğrunun dünyanın ekvator düzlemi ile yaptığı açı olarak tanımlanır. 21
22
23
Kuzey kutbu pozitif olmak üzere -90 < ϕ < 90 24
Deklinasyon Açısı, δ, (Declination Angle): Güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açı olarak tanımlanır. Bu açı dünyanın yörünge düzlemi ile yaptığı 23 27 lıkaçıdan kaynaklanır. 25
26
-23.45 < δ < 23.45 27
28
23.45sin 360 284 365 : 1 ocaktan itibaren gün sayısı 29
Eğim Açısı, β, (Slope Angle): Ele alınan yüzeyin yatay ile yaptığı açıdır. 30
31
0 < β < 180 32
Yüzey Azimut Açısı, γ, (Surface Azimuth Angle): Tam güneyde sıfır, doğuya doğru negatif, batıya doğru pozitif olmak üzere yüzeyin normalinin yatay düzlemdeki izdüşümü ile güney doğrultusu arasındaki açıdır. 33
34
35
-180 < γ < 180 36
Saat Açısı, ω, (Hour Angle): Öğleden önce negatif öğleden sonra pozitif olmak üzere dünyanın kendi ekseni etrafında saatte 15 dönmesi dolayısıyla yerel meridyenin doğu veya batısı yönünde güneşin açısal yer değiştirmesi olarak tanımlanmaktadır. 37
ω = 15 (GS 12) GS: Güneş Saati 38
Güneş Geliş Açısı, Ө, (Angle of Incidence): Yüzeye gelen direkt güneş ışınımı ile yüzeyin normali arasındaki açıdır. 39
Zenit Açısı, Ө z, (Zenith Angle): Yatay yüzey (β=0) için tanımlanan güneş geliş açısıdır. 40
41
42
43
44
45
Güneş Uygulamaları2.pdf 46
Bu ders ve içeriği oluşturulurken «Güneş Enerjisi» kitabı (Prof.Dr.Abdulvahap YİĞİT ve Yrd. Doç. Dr. İbrahim Atmaca) ders kitabı olarak kullanılmıştır. 47
45. No lu Slayt Direkt ışınımın geliş açısı Ө ise diğer açılar cinsinden şu şekilde verilmiştir: Ө=sinδsinϕcosβ sinδcosϕsinβcosγ+cosδcosϕcosβcosω+cosδsinϕsinβcosγcosω +cosδsinβsinγsinω Belirtilen açıları ilave açılardan da bahsedilebilir. Güneş azimut açısı γ şekilde belirtildiği gibi direkt güneş ışınımının yatay düzlemdeki izdüşümün güney doğrultusunda açısal yer değiştirmesi olarak tanımlanabilir. * Güney ya da kuzeye dönük sabitlenmiş bir yüzey için (γ=0 ) veya (γ=180 ) (Sabit düz yüzey kollektör için çok yaygın) ifadede son terim düşer. * Dikey yüzey için (β=90 ) Ө=sinδsinϕcosβ sinδcosϕsinβcosγ+cosδcosϕcosβcosω +cosδsinϕsinβcosγcosω Ө= sinδcosϕcosγ+cosδsinϕcosγcosω+cosδsinγsinω * Güneye bakan eğik yüzey için (γ=0 ) Ө=cosδcosϕcosωcosβ+cosδsinϕcosωsinβ+ sinδsinϕcosβ sinδcosϕsinβ =cosδcosωcos (ϕ β)+ sinδsin (ϕ β) * Güneye bakan dik yüzey için (γ=0,β=90 ) Ө=cosδsinϕcosω sinδcosϕ Yüzeyin eğim açısına (β) bağlı olarak güneş geliş açısı (Ө), güney için yüzey azimut açısı γ=0, batı için yüzey azimut açısı γ=90, kuzey için yüzey azimut açısı γ=180, doğu için yüzey azimut açısı γ=270 alınarak hesaplama yapılabilir.
* Yatay yüzey (β=0 ) için güneş geliş açısı, zenit açısı (Ө z )olarak tanımlanır ve Ө =cosδcosϕcosω+sinδsinϕ * Güneş batış saat açısı (ω s ) çözülmek istenirse güneşin batışında zenit açısı Ө =90 (yataya paralel) olur ve = 90 =0 olduğunda güneş batışı açısı ω s = sinϕsinδ cosϕcosδ = tanϕtanδ bağıntısından hesaplanabilir. Buna göre gün uzunluğu = (-tanϕtanδ)= ATMOSFER DIŞINDA YATAY DÜZLEME GELEN GÜNEŞ IŞINIMI Atmosfer dışında birim yatay düzleme herhangi bir anda gelen güneş ışınımı, = Ө = [1+0,033cos 360 365 ] Ө = [1+0,033cos 360 365 ](sinϕsinδ+cosϕcosδcosω) Gsc : güneş sabiti n: yılın kaçıncı günü Өz : zenith açısı Hesaplamalarda çoğunlukla gerekli olan günlük güneş ışınımıdır. Bu eşitliğin gün doğusundan gün batısına kadar integrasyonu ile atmosfer dışında yatay düzleme gelen günlük güneş ışınımı (Ho) tespit edilebilir. Gsc W.sn/m 2 J/m 2 dönüşümü yapıldığında = 24 3600 1+0,033cos 360 365 (cosϕcosδsin + 2 360 sinϕsinδ)
: güneş batış saat açısı Belirli bir saat aralığı için bir saatlik periyot içerisindeki atmosfer dışında yatay düzleme gelen güneş ışınımı hesabı, saat açılarının ( ve ) belirlenmesi ve bağıntısının bu saat açıları arasında integrasyonundan yapılır. = 12 3600 1+0,033cos 360 365 (cosϕcosδ(sin sin ) + 2 ( ) sinϕsinδ) 360 Örnek: 40,1 enleminde Haziran ayında, atmosfer dışında yatay düzleme düşen günlük güneş ışınımını hesaplayınız. (Haziran ayı için n=162) Örnek: 40,1 enleminde Haziran ayında, atmosfer dışında yatay düzleme 14:00 ile 15:00 arasında düşen güneş ışınımı hesaplayınız. (Haziran ayı için n=162)