Путь Солнца , иногда также называемый дневной дугой , относится к дневному и сезонному дугообразному пути, по которому Солнце, кажется, следует по небу , когда Земля вращается и вращается вокруг Солнца. Путь Солнца влияет на продолжительность дневного времени и количество дневного света , получаемого на определенной широте в течение данного сезона.
Относительное положение Солнца является основным фактором притока тепла в зданиях и производительности солнечных энергетических систем. [1] Точные знания о траектории движения солнца и климатических условиях в зависимости от местоположения необходимы для принятия экономических решений относительно площади солнечного коллектора , ориентации, ландшафтного дизайна, летнего затенения и экономически эффективного использования солнечных трекеров . [2] [3]
Траектории солнца на любой широте и в любое время года можно определить на основе базовой геометрии . [7] [ ненадежный источник? ] Ось вращения Земли наклоняется примерно на 23,5 градуса относительно плоскости орбиты Земли вокруг Солнца . Поскольку Земля вращается вокруг Солнца, это создает разницу в склонении в 47 ° между путями Солнца в период солнцестояния , а также специфичную для полушария разницу между летом и зимой.
В Северном полушарии зимнее солнце (ноябрь, декабрь, январь) восходит на юго-востоке, проходит небесный меридиан под небольшим углом на юге (более 43° над южным горизонтом в тропиках), а затем заходит в северном полушарии. юго-запад. Весь день он находится на южной (экваториальной) стороне дома. Вертикальное окно, выходящее на юг (сторона экватора), эффективно улавливает солнечную тепловую энергию . Для сравнения: зимнее солнце в Южном полушарии (май, июнь, июль) восходит на северо-востоке, достигает максимума под небольшим углом на севере (более чем на полпути от горизонта в тропиках), а затем заходит на северо-западе. . Окно, выходящее на север, пропускало в дом большое количество солнечной тепловой энергии.
В Северном полушарии летом (май, июнь, июль) Солнце восходит на северо-востоке, достигает максимума немного южнее верхней точки (ниже на юге и на более высоких широтах ), а затем заходит на северо-западе, тогда как в Южном полушарии летом (ноябрь, декабрь, январь) Солнце восходит на юго-востоке, достигает пика немного севернее верхней точки (ниже на севере и на более высоких широтах), а затем садится на юго-западе. Простой навес со стороны экватора, зависящий от широты, можно легко спроектировать так, чтобы блокировать 100% прямого солнечного света от попадания в вертикальные окна, обращенные к экватору, в самые жаркие дни года. Свертывающиеся наружные шторы, внутренние полупрозрачные или непрозрачные оконные одеяла, шторы, ставни, подвижные решетки и т. д. могут использоваться для ежечасного, ежедневного или сезонного контроля солнечного света и теплопередачи (без какого-либо активного электрического кондиционирования воздуха).
Во всем мире во время равноденствий (20/21 марта и 22/23 сентября), за исключением полюсов, солнце восходит строго на востоке и садится строго на западе. В Северном полушарии пик солнца в день равноденствия приходится на южную половину (примерно на полпути от горизонта на средней широте) неба, а в Южном полушарии пик Солнца приходится на северную половину неба. Когда солнце обращено к экватору, кажется, что оно движется слева направо в северном полушарии и справа налево в южном полушарии.
Различия в пути солнечной энергии, специфичные для широты (и полушария), имеют решающее значение для эффективного проектирования пассивных солнечных зданий . Это важные данные для оптимального сезонного оформления окон и свесов. Проектировщики солнечной энергии должны знать точные углы прохождения солнечной энергии для каждого места, для которого они проектируют, и как они соотносятся с сезонными требованиями к отоплению и охлаждению в зависимости от места.
В США точные значения сезонной траектории движения Солнца по высоте и азимуту для конкретного местоположения можно получить в NOAA : «экваторная сторона» здания находится на юге в северном полушарии и на севере в южном полушарии , где происходит пик летнего солнцестояния . Высота Солнца наступает 21 декабря.
На экваторе полуденное Солнце будет находиться прямо над головой, и поэтому в дни равноденствий вертикальная палка не будет отбрасывать тени . На тропике Рака (23,4° с.ш.) вертикальная палка не будет отбрасывать тень во время июньского солнцестояния ( лето в северном полушарии ), а в остальное время года ее полуденная тень будет указывать на Северный полюс. На тропике Козерога (23,4° ю.ш.) вертикальная палка не будет отбрасывать тень во время декабрьского солнцестояния ( лето в южном полушарии ), а в остальное время года ее полуденная тень будет указывать на Южный полюс. К северу от тропика Рака полуденная тень всегда будет указывать на север, а к югу от тропика Козерога полуденная тень всегда будет указывать на юг.
В пределах полярных кругов (к северу от Полярного круга и к югу от Полярного круга ) каждый год будет по крайней мере один день, когда Солнце остается ниже горизонта в течение 24 часов (в день зимнего солнцестояния ), и по крайней мере один день, когда Солнце остается над горизонтом 24 часа (в день летнего солнцестояния ).
В средних широтах продолжительность дня , а также высота и азимут Солнца меняются изо дня в день и от сезона к сезону. Разница между продолжительностью длинного летнего дня и короткого зимнего дня увеличивается по мере удаления от экватора . [2]
На изображениях ниже показаны следующие виды с Земли, на которых отмечены почасовые положения Солнца в оба дня солнцестояния . Соединившись, солнца образуют две дневные дуги — пути, по которым Солнце движется по небесной сфере в своем суточном движении . Более длинная дуга всегда представляет собой путь середины лета, а более короткая дуга — путь середины зимы. Две дуги находятся на расстоянии 46,88 ° (2 × 23,44 °) друг от друга, что указывает на разницу в склонении между солнцами солнцестояния.
Кроме того, некоторые «призрачные» солнца видны ниже горизонта , на глубине до 18°, во время которых наступают сумерки . Снимки могут быть использованы как для северного, так и для южного полушария Земли . Теоретический наблюдатель должен стоять возле дерева на небольшом острове посреди моря. Зеленые стрелки обозначают стороны света .
Изображены следующие случаи:
В публикации 2021 года [8] о солнечной геометрии сначала рассчитываются x-, y- и z-компоненты солнечного вектора, который представляет собой единичный вектор, хвост которого зафиксирован в местоположении наблюдателя, а голова продолжает указывать на Солнце, и затем использует эти компоненты для расчета угла зенита Солнца и угла азимута Солнца . Рассчитанный солнечный вектор с шагом в 1 час за весь год как в дневное, так и в ночное время можно использовать для эффективной визуализации траектории Солнца.
На следующих рисунках начало системы координат — это местоположение наблюдателя, положительное значение x — восток, положительное значение y — север, положительное значение z — вверх; на Северном полюсе y-отрицательный касается нулевого меридиана; на Южном полюсе положительный знак Y касается нулевого меридиана; z-положительный — дневное время, z-отрицательный — ночное время; шаг по времени составляет 1 час.
Каждая цифра «8» на всех рисунках представляет собой аналемму , соответствующую определенному часу каждого дня года; все 24 часа в определенный день года изображают путь солнца в этот день.