alt  В’ячеслав ХАВРУСЬ, кандидат хімічних наук, для ВН
Чи задумувалися Ви над тим, чому у нас буває зміна пір року? Досвід спілкування навіть з освіченими людьми показує, що лише одиниці знають правильну відповідь на це питання. Знаючи ж причини описаного природного явища, можна навіть взимку в обмеженому об’ємі створити умови, які дозволять Вам засмагати і мати сонячне тепло подібно до того, як ми це робимо мимоволі влітку.
В чому ж секрет? Не вдаючись в деталі, він полягає в тому, що Сонце в наших широтах взимку рухається по небу під вкрай низьким кутом відносно горизонтальної площини, в той час як влітку воно сягає значно вищих кутів.

 В загальному випадку, коли кут між горизонтальною поверхнею і напрямком сонячних променів дорівнює δ, то її інсоляцію (питому потужність сонячної енергії) можна знайти за формулою:

Ф(δ ) = Фmax sinδ  ,
 
де Фmax≈1.4 кВт/м2 – потужність сонячного випромінювання, що падає на площину, перпендикулярну до напрямку поширення сонячних променів за межами атмосфери Землі. Це значення  насправді є  дещо меншим на рівні моря після поглинання сонячного тепла в атмосфері та суттєво меншим при наявності хмар, але в подальшому ми будемо нехтувати цими ефектами. Кут δ постійно змінюється з плином часу внаслідок обертання Землі навколо своєї осі, а також в ході її річного шляху навколо Сонця. Малі значення δ відповідають приходу зими в наші широти, в той час як високі – літа.

Далі лише справа техніки. Якщо Ви хочете поглинати певною поверхнею (скажімо, площиною теплового колектора або фотоелектричної панелі), їх треба розташовувати так, аби сонячні промені падали на неї перпендикулярно, максимізуючи таким чином значення сонячного потоку. Просто кажучи, якщо до їх поверхні поставити перпендикуляр, то він не повинен відкидати тіні, тоді Ви матимете максимальну віддачу. Взимку ми маємо на поверхні землі довгі тіні та поганий її обігрів, і тому нам холодно, а влітку – навпаки.

Передбачити ж траєкторію руху Сонця по небу є не надто складною задачею. Нещодавно нами було запропоновано просту математичну модель, яка описує видимий рух Сонця для будь-якої широти φ на поверхні планети. Ця модель завдяки своїй простоті (звичайно, є більш складні, але адекватніші моделі) дозволяє будь-кому зануритися в цікавий свій руху Сонця. З застосуванням запропонованої моделі можна дослідити причини різних явищ, які включають зміну пір року, положення та моменти сходу та заходу Сонця в будь-який день року, тривалість дня для різних широт та пір року, а також часову залежність координат Сонця на небі. Запропонована модель також може бути використаною для пояснення принципів горизонтального сонячного годинника та для визначення областей затінення. Прочитати детальніше Ви можете тут (http://sites.google.com/site/khavrus/public-activities/solarukr), а поки що зупинимося на деяких корисних для кожного з нас застосуваннях.

Наша модель дає координати Сонця на небесній сфері в будь-який момент часу. Таким чином, можна оцінити максимальну енергію, яка може бути поглинена на спеціально розташованих площинах, орієнтованих на північ, південь, схід, захід чи паралельно горизонталі. Для порівняння значень енергії, яка поглинається кожною площиною, введемо поняття "сонячного куба" з довжиною ребер 1 м (Рис. 1(а)). Як приклад ми обрали широти, в яких знаходиться територія України, аби продемонструвати різницю в поглинанні сонячного тепла. Рис. 1(b) демонструє річні діаграми щоденної кількості променевої енергії, що досягає кожної грані куба в ідеальному випадку. В рамках нашої моделі східна та західна грані завжди поглинають однакові кількості енергії, хоча насправді між ними існує невелика різниця через повільну поступову зміну схилення протягом дня. Аналіз представлених даних для горизонтальної грані куба (верхня грань на Рис.1(а)) кількісно пояснює причину зміну пір року. А саме, стає зрозумілим, що влітку горизонтальна грань поглинає в кілька разів більше енергії, ніж узимку, бо день триває довше, і, особливо, тому що Сонце досягає кутів δ близьких до 90о. Відношення максимальної енергії влітку до мінімальної енергії взимку для горизонтальній площині сильно залежить від широти φ і зростає при переході до її вищих значень.
alt
  Рисунок 1. (a) ‘Сонячний куб’ та (b) внесок його граней до загального добового поглинання променистої енергії, яка може бути поглинена в ідеальному випадку на двох різних широтах України φ протягом усього року. Внесок південної грані є найзначнішим між осіннім та весняним рівноденнями. Приклад: 19 червня на широті φ=52º південна, горизонтальна, східна, західна та північна грані куба поглинають відповідно 4.0, 11.9, 7.4, 7.4 та 3.2 кВт•год/м2 променистої енергії в сонячний безхмарний день.

Північна грань робить невеликий внесок в загальну енергію, яка може бути зібрана з усього куба, лише в період між весняним і осіннім рівноденнями, взимку ж Сонце взагалі не освітлює її поверхню. Але головний практично важливий висновок можна зробити з внеску південної грані. В зимовий час, коли додатковий обігрів наших будинків є вкрай важливим, південна грань поглинає близько половини енергії, яку збирає "сонячний куб" в цілому. Таким чином, в зимовий час вертикальні поверхні, орієнтовані на південь, забезпечують найбільш ефективний та практичний шлях для поглинання сонячної енергії та додаткового обігріву наших будинків наприклад через вікна або спеціальні колектори сонячного тепла, як-от стіни Тромба (див. http://en.wikipedia.org/wiki/Trombe_wall).

Представлені вище ідеї стосовно обігріву північної і південної сторін "сонячного куба" було інтуїтивно зрозумілі і  давно використовувані селянами в  Україні для побудови сільських хат. Їхні довші стіни були орієнтовані в напрямку зі сходу на захід, а більшість вікон були на південному боці. Вікна з північного боку були відсутні або досить малі, аби зменшити втрати тепла. Додатковою рисою таких будинків були широкі піддашки з південного боку, які захищали хати від перегріву влітку, але не заважали обігріву внутрішніх приміщень через вікна взимку. Ширину піддашку S можна легко порахувати, якщо знати відстань H між верхнім краєм вікна і дахом, а також широту місцевості φ (Рис. 2(а)). Очевидно, що внутрішні приміщення будинку потребують доступу сонячного світла між осіннім та весняним рівноденнями, коли висота Сонця в будь-який день не перевищує (90◦−φ). Таким чином, ширина піддашку S повинна бути обрана таким чином, аби дозволити сонячному світлу проходити через південні вікна будинку в холодну пору року і захистити від перегріву влітку (див. Рис.2(а)):

S = H tgφ 

 Аналогічні міркування можуть бути використані для створення новітніх теплиць з врахуванням сектора, де сонце з'являється в зимовий час. Дах теплиці має бути нахиленим під кутом (90◦–φ) (нагадаємо, що φ – це широта місцевості) по відношенню до горизонтальної площини, наприклад, це приблизно 40° для широти Києва, Львова, Харкова. Дві стіни теплиці повинні бути спрямовані наприклад до напрямку сходу й заходу сонця, розрахованим для зимового сонцестояння, аби компоненти теплиці не давали тіней всередину теплиці протягом найкоротшого дня року (див. повну версію статті). Доступ сонячної енергії в теплицю повинен бути забезпечений вертикальною прозорою скляною панеллю, розташованою лише з південного (!!!) боку (при потребі це може бути кількакамерний скляний пакет для зниження втрат тепла); теплова енергія Сонця має поглинатися і накопичуватися матеріялом стін (їх можна наприклад пофарбувати в чорний колір), які до того ж мають бути добре ізольованими з північного боку від втрат тепла (див. зображення збоку на Рис.2(b)).

У будь-якому випадку, для розробки теплиць або енергоефективних будинків необхідно враховувати шлях Сонця на небесній сфері для забезпечення оптимального поглинання та збереження сонячної енергії інтер'єром будівлі в холодну пору року. Нагадаємо, що повний текст статті (не забудьте проглянути анімовані зображення!) доступний для Вашої уваги тут: http://sites.google.com/site/khavrus/public-activities/solarukr










 


  

Рисунок 2. Принципи побудови конструкцій для поглинання сонячного тепла з урахуванням геометрії руху Сонця: (а) будинок з орієнтованим на південь піддашком для допуску сонячного тепла крізь вікна взимку та затінення південної стінки в літній час. Ширина S піддашку може бути визначена з максимальної висоти Сонця в день рівнодення; (b) Ідея новітньої теплиці, конструкція якої враховує параметри сектора, де з"являється Сонце. Нахил даху і оптимальне розташування стін (див. повну версію статті) можуть бути додатково оптимізовані у відповідності до практичних потреб.
Максимально можливі значення енергії, яка може пройти в теплицю через відкриту для Сонця південну скляну панель, можна оцінити для в різних пір року з використанням даних, представлених на Рис.1.

 

Коментарі