太阳路径
太阳路径是指由于地球环绕太阳的轨道造成太阳季节性的每小时位置变化 (和日照长度)。太阳的相对位置是影响建筑物的太阳能系统获得热增益的性能最主要因素[1]。精确的知道太阳路径和气候条件是经济的设置太阳能集热器区域、定位、庭园设计、夏季遮阴、和太阳追踪器等，不可或缺的专门知识[2][3]。
收集太阳能
[编辑]要有效的收集太阳能，太阳能收集器 (玻璃、太阳能电池板等) 必须在阳光直射角度范围的20度以内。同时，也必须设置遮棚，这样建筑物在夏天才不会因为太热而需要冷却。与阳光的垂线偏离越远，太阳增益越低，偏离垂线35度以上，会造成大部分的太阳光被太阳能集热器的表面反射掉。
有效的太阳能系统 (被动太阳能、主动太阳能、建筑物、设备等等)，需要考虑到从夏天到冬天，太阳高度角和日出和日落在地平线上的太阳方位角 都会随着季节产生47度，甚至更大的变化。
精确的知道太阳路径需要准确的模型和数学预测，分析太阳能系统年均性能 － 来解释，例如：为什么垂直于赤道面有最大的经济效益？在冬季下雪与太阳高度很低时，关闭太阳能反射器的好处，和斜玻璃屋顶 (在温室、天窗和暖房) 在夏天可以成为暖炉 (当太阳机乎垂直于玻璃时)，而在冬天会失去比它所能收集到的更多的能量 (当太阳在地平线上的高度低于47度时，和在寒冷的冬天夜晚，温暖的室内空气会上升和从建筑物内转换热到户外)[1]。
地球的倾斜
[编辑]地球从一个极至另一个极的自转轴相对于地球在太阳系绕太阳公转的轨道平面倾斜约23.5度。当地球环绕着太阳时，这将在半球的冬天和夏天，创造出太阳高度角会有最大47度的具体区别。
在北半球，冬天的太阳从东南方升起，达到最大高度是低垂在南方地平线上，然后在西南方没入。它整天都在建筑物的南方 (赤道)，垂直朝南的玻璃面是补获太阳热能的优良建材。
在南半球的冬天 (6月、7月和8月)，太阳从东北方升起，几乎会直接越过天顶 (具体取决于纬度)，然后在西北方没入。一个依据纬度设计面向赤道的简单悬臂装置可以很容易的在一年中最热的日子将面向赤道的窗户垂直进入的太阳增益百分百的直接阻绝掉。可卷动的外遮阳屏、室内半透明或不透明的窗帘、百叶窗、可移动的爬藤等 (没有任何主动的电动空调)，可以用来做为每天、每小时或季节性的热传输控制。
纬度 (和半球) 特定的太阳路径差异是被动式太阳能建筑设计的关键。它们是设计适宜的窗户和季节性旋臂最主要的资料。太阳能设计者必须精确的知道在他们的设计中，每个位置的太阳路径角度，和如何比较依据季节的加热和冷却需求。
在美国，特定位置的太阳高度和方位角的季节性太阳路径精确数值，可以从NOAA获得 － 在北半球建筑物的南侧是朝向赤道，在南半球则是北方朝向赤道；同时太阳高度的峰值出现在夏至的6月21日 (最大值) 与冬至的12月21日 (最小值)。除了高纬度的冬季和夏季，在地球上的任何地点，太阳都大约是从东方升起，从西方没入。
在赤道，每年的春分(大约3月21日)和秋分 (大约9月23日)，太阳将在正午 (太阳时) 越过天顶并出现垂直的棍棒没有影子的现象；在北纬23.5度的北回归线，会在夏至日 (大约6月21日) 发生相同的现象。在一年中的其他日子，正午的影子将指向北极。同样的，在赤道以南23.5度的南回归线，会在南半球的夏至 (大约12月21日)，出现垂直的棍棒在正午没有影子的现象，并且在一年中其它的日子，正午的影子会指向南极。在北回归线以北，正午的影子永远指向北极；与此相反的，在南回归线以南，正午的影子永远指向南极。在北极圈和南极圈内，一年当中至少会有一天太阳会连续24小时不出现在地平线上，和连续在地平线上出现24小时 (六个月后)。
在适宜的纬度 (在极区和热带地区之间，大部分人类生活的地区)，白天的长度、太阳的高度和方位、都随着季节在变化。离赤道越远，夏季漫长的白天相对于冬季简短的白昼之间的差异也将越大[2]。
太阳路径建筑设计模拟
[编辑]在现代化之前，廉价的、3D电脑图形、日影仪 (准确的可移动光源) 的物理模型被用来模拟建筑物的太阳角度。今天，数学电脑模型计算特定位置的太阳增益 (遮屏) 和季节性的热性能，并且有能力就提案的建筑设计以旋转和动画呈现3D彩色图模型。
被动式太阳能建筑设计对加热和冷却问题是直觉的 (如屋顶倾斜的玻璃)，精确的性能计算和模拟可以从本质上协助避免回顾和复制以前做过的昂贵实验的建筑错误 (像是夏天的太阳炉)。
参考资料
[编辑]- ^ Solar Resource Information. National Renewable Energy Laboratory. [2009-03-28]. （原始内容存档于2009-02-18）.
- ^ 2.0 2.1 Khavrus, V.; Shelevytsky, I. Introduction to solar motion geometry on the basis of a simple model. Physics Education. 2010, 45 (6): 641 [2011-07-22]. doi:10.1088/0031-9120/45/6/010. （原始内容存档于2016-09-16）.
- ^ Khavrus, V.; Shelevytsky, I. Geometry and the physics of seasons. Physics Education. 2012, 47 (6): 680 [2013-03-02]. doi:10.1088/0031-9120/47/6/680. （原始内容存档于2013-06-03）.