05 - solar radiation

Upload: tiago-henriques

Post on 01-Jun-2018

232 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    1/12

    1

    Solar Radiation

     

    Interaction with the athmosphere

    Direct and diffuse radiation

    Geometry of  direct solar radiation

    Solar diagrams and determination of  shades

    Incident energy by radiation per day

    Influence of  clouds through clarity parameter

    Calculation of  contribution to solar pannels

    Wavelength of  Radiatoin

    •   Radiation can be addressed as a propagation of  photons or an electromagnetic wave with associated wavelength.

    •   The wavelength where radiation intensity is maximum is inverse to the absolute temperature of  the emitter.

    •   Solar radiation therefore has small wavelength while radiation from ambient and surfaces has larger. 

    •   The human eye is most sensible at 0.55 μm where solar intensity is 

    (300 K) the peak is at ~ 10 μm

    •   The emissivity is the energy emitted compared with that of  a black body

    •   The incident radiation is absorbed α, reflected ρ and transmitted τ.

    Incropera

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    2/12

    2

    Spectral properties•   The different wave length is important because the properties of  surfaces may change considerably with wavelength:

     –   Glass transmits most solar radiation and absorb ambient radiation

     –   The absorption coefficient for solar radiation αs can be significativelly different from the emissivity ε for the ambient temperature 

     –   The reflectivity of  the surfaces for solar radiation is also called albedo.

    Extraterrestrial Solar Radiation

    •   Radiation is directional but due to the large distance from the sun, solar radiation may be considered in a single direction.

    •   The intensity outside the athmosphere changes during the year due to the elliptic earth trajectory and is given aproximately by:

     

      

       

    365

    3360cos901367

      nG

    n is the day in the year and 

    the cos argument is in degrees

    •   Due to the variation of  the earth velocity in the trajectory the (True)Apparent Solar Time is corrected adding to time the Equivalent Time:

    The time correction is smaller than 15 min.

    )]sin(24.089 –)cos(21.4615 – 

    )sin(3.2077 –)cos(0.1868

    ..

     

     

    365360sin Duffie‐Beckman

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    3/12

    3

    Latitude and Longitude•   The AST is a function of  the longitude of  the place:

     –   LST  – Local standard time (In Summer the time is one advanced one hour) 

     –    –   ‐

      )1(60/º15   Summer inh ET SM ON  LST  AST        

      ‐

    for the time zone considered (In Portugal = Greenwich; Azores: 15oW)

     –   e.g. In Lisbon on 30th Sept. solar noon is at: 13h26m (see calculation)

    Hour = 12 + 1 ‐ (‐9o8’20”‐0)  – 10/60

    •   The latitude defines the position of  a location in angle from the equator line. The combination of  latitude and declination δ

    e nes  e ang e o  nc ence o  so ar ra a on. •   Declination in degrees is:

       

      

       

    365

    284360sin45.23

      no 

    Interaction with the athmosphere

    •   Depending on the latitude and time of  the day solar radiation has a different length to cross through the athmosphere. 

    •   At solar noon the sun altitude  α is hi her with a value in Lisbon of  75o in 21st June (δ=23,45o) and 28o in 21st December.

    •   In the athmosphere radiation is:

    •   Absorbed by gases decreasing the intensity.•   Scattered by particulates dispersing in all 

    directions forming a diffuse part.

    Rogério DuarteIncropera

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    4/12

    4

    Direct and diffuse radiation•   For a clear sky, ASHRAE defines the direct beam Gb and the 

    diffuse Gd  radiation by:

     sinexp   B AGb     bd    CGG  

    •   where the constants A, B and C have representative values on the 21st each month as presented in the following table:

    Month Jan. Feb. Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.

    decl. (º) -20 -10.8 0 11.6 20 23.45 20.6 12.3 0 -10.5 -19.8 -23.45

    G (W/m2)   1416 1404 1383 1360 1339 1330 1328 1343 1364 1386 1408 1417

      mB 0.142 0.144 0.156 0.18 0.196 0.205 0.207 0.201 0.177 0.16 0.149 0.142

    C 0.058 0.06 0.071 0.097 0.121 0.134 0.136 0.122 0.092 0.073 0.063 0.057

    These values were defined for an average situation in USA at sea level. 

    There are also tables for specific locations.

    In 2009 edition there is a further detailed model with parameters for USA.

    Information for Portugal•   The information that is regularly registered is the solar 

    radiation intensity in an horizontal surface Gh  (Why hor. ?)

    •   Clarity index defined from 0 to 1 with 1 for clear sky.(

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    5/12

    5

    Radiation observations (Mainland)

    i l

    Gh  – Horizontal solar radiation energy (Wh/m2 day).

    Kt  – Clarity Index  – Characterizes the level of  sky clarity 

    Tg  – Average gas temperature (oC)

    Azores and Madeira 

    have also studies to 

    be included later.

    an ev ar br ai un ul go e u ov ez

    Gh   1638 2653 3844 5455 6640 7260 7838 6762 4939 3205 2087 1414Bragança   Kt   0.416 0.492 0.515 0.578 0.610 0.632 0.703 0.680 0.607 0.531 0.484 0.406

    Tg   2.5 5 7.5 10 12.5 15 20 20 15 12 5 4Gh   1806 2741 3974 5780 6668 7332 7526 6613 4956 3384 2184 1701

    Porto   Kt   0.445 0.498 0.526 0.609 0.611 0.638 0.675 0.663 0.603 0.551 0.492 0.472Tg   8 10 12.5 14 15 18 20 20 17.5 15 12.5 10Gh   2022 2970 4095 5480 6212 6534 6872 6244 4829 3557 2428 2027

    Coimbra   Kt   0.480 0.526 0.534 0.574 0.569 0.569 0.615 0.623 0.581 0.567 0.531 0.541Tg   9 10 12.5 15 15 18 20 20 20 15 12.5 10Gh

    Lisboa   Kt   0.490 0.540 0.553 0.611 0.626 0.660 0.709 0.700 0.639 0.584 0.529 0.505Tg   9 11 13 15 17 20 22.5 22.5 20 1.5 15 10Gh   1988 2949 4022 5610 6655 7322 7816 6867 5101 3558 2358 1879

    Évora   Kt   0.443 0.500 0.511 0.580 0.607 0.638 0.699 0.679 0.602 0.546 0.486 0.466Tg   9 10 12.5 14 17.5 20 24 24 21 17.5 12.5 9Gh   2402 3362 4560 6198 7329 7895 7979 7094 5713 4038 2731 2244

    Faro   Kt   0.505 0.547 0.566 0.634 0.667 0.689 0.714 0.697 0.662 0.600 0.535 0.522Tg   12.5 12.5 13 15.5 17.5 21 23 23 22.5 20 15 12.5

    Direct solar radiation geometry

    •   While diffuse radiation may be considered uniform from all directions in an horizontal plane, direct radiation has a single 

    direction that can be well characterised by angles.

    Figure from Renewable Energy using the same nomenclature

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    6/12

    6

    List of  relevant angles•   Latitude L and longitude λ

    •   o ar a t tu e α   eam an   or zonta  pro ect on

    •   Solar azimuth as (horizontal projection and south)

    •   Surface azimuth aw (hor. projection of  normal and S)

    •   Surface inclination β (surface and horizontal)

    •   Incidence an le i  normal to surface and sun beam

    •   Solar hour (hs) (Solar hour negative at sun rise and zero at noon to be similar to azimuth referential)

    24

    36012   AST hs

    Solar Geometry

    •   Solar height can be related to latitude, declination and solar hour. That is for a given place and time. 

    •   From this equation the sun rise/sun set time can be obtained (from the condition α=0):

    sss   h L L   coscoscossinsin)sin(        

     Ltgtghh ssSS sSR       coscos

     

    •   The sun position is represented in two types of  sun trajectory diagrams: Circular and planar.

         cossincos)sin( sss   ha  

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    7/12

    7

    Circular sun diagram(Sun trajectory seen from top)

    Depends on 

    latitude

    José Luis Alexandre, FEUP

    Calculations in diagram

    •   For shadows the angles can be represented as 

    a function of  profile Azimute

    00

    N

    ang e γ an   az mu   asAltitude

    90

    20

    40

    60

    80 EW

    270

    21 Jun

    21 Jul/Mai

    21 Ago/Abr 

    21 Set/Mar 

    21 Out/Fev

     

    sa

    tgtg

    cos

        

    180S

    HorasDias ou

    declinações

      ov an

    21 Dez

    8h

    10h

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    8/12

    8

    Planar solar diagramSun trajectory seen 

    the observer

    Altitude

    Hor a

    Dia

    21 Jun

    21 Jul/Mai

    21 Ago/Abr 

    21 Set/Mar 

    asAzimute

    Horas

    21 Out/Fev

    21 Nov/Jan

    21 Dez

    90º Este 180º Sul 270º Oeste

    Solar Diagrams

    Circular Sun diagram (Sun 

    tra ector   seen from to

    Plane Sun diagram (Sun 

    trajectory seen in a circle 

    around the observer)

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    9/12

    9

    Radiation incident in surfaces•   The radiation incident in a surface is the sum of  

     –  Direct radiation that depends on the direct intensity and on 

     –  Diffuse radiation that is coming from all directions.

     –  Reflected radiation from the ground, depends on albedo

     –  Radiation from other surfaces in the view field of  the surface.

    The last is usually neglected when temperatures are similar and 

    the diffuse/reflected contributions depend on the view factor 

    •   The geometrical characteristics of  the surface are defined by the angle with the horizontal plane (β) and 

    the azimuth (aw) 

    Incident direct radiation•   Can be calculated from the cosine of  the incidence angle i:

             cossinsincoscoscos     ws   aai

    expresse   ere as a  unc on o  so ar a u e an   az mu

    •   This can also be represented as a function of  latitude, declination, solar time and surface azimuth:

    sws

    w

    hah L

    a L Li

    sinsinsincoscoscoscoscos

    cossincossincossinsincos

          

          

    •   For a vertical surface (β=90o) facing south (aw=0) then:sw

     Lh Li s   cossincossincoscos       

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    10/12

    10

    Relation with horizontal radiation•   From the horizontal radiation the direct solar beam 

    contribution can be calculated   sind hb   GGG   •   The direct radiation incident in a surface can thus be 

    calculated from:

    •   Although instant values can be defined it is usual to define an average value as the clarity is also an average value.

     sincoscos   iGGiGG d hbbs  

     

    south can be expressed as:

    ssss

    ssSS sSS b

     Laa L

     Laa L R

       

           

    sinsin180/sincoscos

    sinsin180/sincoscos

    and are represented in diagrams for diferent values of  L‐β ( φ‐β )

    Graphical representation of  Rb.

    •   These values are monthly averaged values for the Rb factor.•   There are graphs for other orientations including vertical surfaces

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    11/12

    11

    Total radiation in surfaces•   The radiation incident in a surface is the sum of  the 

    direct, diffuse and reflected components.

    •   The diffuse and reflected components depend on the view factor of  the sky and the ground taken as 

    respectively: (1+cosβ)/2 and (1‐cosβ)/2.

     

    2

    cos1

    2

    cos1        

      r d bd hrsdsbss   GG RGGGGGG

     

     

      

     

    2

    cos1

    2

    cos11

         

      ground 

    h

    d b

    h

    d hs

    G

    G R

    G

    GGG

    Ratio defined from Clarity Index

    AlbedoGround reflectivity 

    of  solar radiation

    Albedo or Ground Reflectance

  • 8/9/2019 05 - Solar Radiation

    12/12

    12

    Information in RCCTE•   For calculation of  heat loads through the windows and 

    opaque surface over‐heating the heat flux in (kWh/m2) is given as a function of  orientation for summer (122 days).

    The heat flux is also given for 

    a vertical surface facing south 

    during the heating period.

    Energia solar média incidente numa superfície vertical 

    orientada a sul na estação de aquecimento Gsul (kWh/m2 mês)

    Regiões I1 I2 I3

    Continente 108 93 90

    Açores 70 50 50

    Madeira 100 80 80

     

         R     C     C     T     E

     

         C    a      l    c    u      l    a

         t     i    o    n     i

         S      h    a     d    o