【太陽升起位置】驚!太陽升起位置居然會變?揭曉太陽方位角的秘密
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太陽路徑:太陽位置對建築設計的影響

太陽路徑,即地球圍繞太陽軌道運行導致的太陽在時間軸上的季節性位置變化,對於建築物的太陽能系統效能至關重要。精確瞭解太陽路徑對於經濟高效地安裝太陽能集熱器、確定建築物方位、規劃庭園設計、設計夏季遮陽板和太陽追蹤器至關重要。

太陽能集熱器必須位於陽光直射範圍內(通常在20度以內)才能有效收集太陽能。同時,需要設置遮陽板以避免夏季過熱導致冷卻需求增加。隨著太陽偏離垂直線,太陽能增益會遞減,超過35度偏角後,太陽能集熱器的表面將反射掉大量的陽光。

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有效的太陽能系統需要考慮太陽高度角和方位角的季節性變化,這些變化在不同季節的差異可以達到47度甚至更多。準確的太陽路徑模型和數學預測對於分析太陽能系統的年平均性能至關重要,例如,垂直於赤道面最大的經濟效益原因、冬季低太陽高度時關閉太陽能反射器的優點,以及斜玻璃屋頂在夏季的温室效應和在冬季的熱量損失。

由於地球自轉軸相對於其軌道平面大約傾斜23.5度,地球圍繞太陽公轉時,半球間的太陽高度角會在冬季和夏季產生最大47度的差別。在北半球,冬季太陽從東南方升起,低垂在南方地平線上,在西南方沒入。因此,在整個冬季,建築物的南方(赤道)是垂直朝南的玻璃表面的最佳朝向,以獲取太陽熱能。

太陽升起位置

在南半球的冬季(6月、7月和8月),太陽從東北方升起,幾乎直接越過天頂(具體取決於緯度),然後在西北方沒入。一個面向赤道的簡單懸臂裝置可以根據緯度而設計,以便在一年中最熱的時候完全阻絕朝向赤道的窗户的直接太陽光增益。可捲動的外遮陽屏、室內的半透明或不透明窗簾、百葉窗、可移動的爬藤等(無需任何主動的電動空調)可以用於每小時、每天或季節性的熱傳輸控制。

緯度(和半球)特定的太陽路徑差異是太陽能建築設計的關鍵因素。它們是設計適當的窗户和季節性旋臂的主要依據。太陽能設計師必須準確瞭解他們設計中每個位置的太陽路徑角度,以及如何調整季節性的取暖和製冷需求。

在美國,特定位置的太陽高度和方位角季節性太陽路徑的精確值可以從美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)獲得——在北半球,建築物的南側朝向赤道,在南半球,則朝向赤道以北;同時,太陽高度的峯值出現在夏至(6月21日,最大值)和冬至(12月21日,最小值)。除了高緯度的夏季和冬季,在地球上的任何地方,太陽都大約是從東方升起,從西方沒入。

季節 北半球太陽方位角 南半球太陽方位角 太陽高度角峯值
春分 東南 西南 相等
夏至 東北 西北 最大
秋分 東南 西南 相等
冬至 東南 西南 最小

太陽升起位置

太陽升起位置是指太陽在特定地點和時間出現於地平線上的位置。它的影響因素包括以下:

因素 影響説明
地球自轉 地球自轉軸傾斜,導致太陽升起位置在一年中變化。
經度 東經地區的太陽會比西經地區早升起。
緯度 高緯度地區的太陽升起位置會比低緯度地區偏北或偏南。
季節 不同季節,太陽升起點在東、西兩側的擺幅不同。
地勢 山脈或高樓等障礙物會影響太陽升起位置的視野。

地平座標系和太陽升起方位

地平座標系是一種基於觀察者所在地的天球座標系。太陽升起位置通常使用方位角(方)、高度角(仰)和時角(時)表示:

  • 方位角(方):從正北方向順時針量測的水平角度,表示太陽在水平面上相對於北方的位置。
  • 高度角(仰):垂直於水平面量測的垂直角度,表示太陽在地平線上的高度。
  • 時角(時):從子午圈順時針量測的水平角度,表示太陽相對於本地正午的位置。

計算太陽升起位置

計算太陽升起位置的方法有很多,可以使用以下公式:

恆星時角(h)

h = acos(-tan(δ) * tan(φ))

其中:

  • δ:太陽赤緯
  • φ:觀察者緯度

時角(時)

時 = 15° * (t - 12) - h

  • t:地方時間(小時)

方位角(方)

方 = atan(sin(時) / (cos(時) * sin(δ) - tan(φ) * cos(δ)))

太陽升起位置的應用

太陽升起位置的應用包括:

  • 建築規劃:最佳化採光和遮陽效果。
  • 農業:規劃作物種植和收穫時間。
  • 航海:協助船舶導航和定位。
  • 攝影:預知理想的拍攝光線時機。
  • 太陽能工程:設計和優化太陽能面板系統。

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alan1226a@gmail.com
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