Анализ солнца и тени на рельефе
Сколько солнца реально получает этот склон? Анализ солнца и тени отвечает на него по самому рельефу — это решающий вопрос для выбора площадки под солнечную электростанцию, для садов и морозобойных ложбин, и для тех, кто планирует работу на борту карьера, который оттаивает только после десяти утра. Этот материал объясняет, что он считает, чего не считает, и какие входные данные важны.
Шаг 1: где находится солнце
Положение солнца — азимут и высота солнца — следует из даты, времени суток и географического положения. Это чистая и точная астрономия; ничто в ваших данных на неё не влияет.
Именно поэтому географические координаты вашего проекта важны для солнечного анализа, даже если все ваши измерения в проекционной сетке. Объект, помещённый на неверной долготе, получает правильную траекторию солнца, но в неверное время суток.
Шаг 2: что в тени
Для заданного положения солнца проверяется каждая ячейка: поднимается ли рельеф между этой ячейкой и солнцем достаточно, чтобы перекрыть луч? Если да, ячейка затенена.
Отсюда возникают два разных эффекта. Самозатенение, когда склон отвёрнут от солнца и не получает прямого света независимо от окружения. И падающая тень, когда гребень или борт карьера бросает тень на в остальном хорошо ориентированный участок.
Именно падающая тень удивляет людей. Южный склон в северном полушарии выглядит идеальным, пока не заметишь, что гребень к востоку задерживает там восход на два часа каждый день в году.
Шаг 3: часы, а затем энергия
Повторите проверку тени в течение дня с фиксированным шагом по времени и посчитайте шаги, в которые каждая ячейка была освещена. Этот счёт, приведённый к масштабу, и есть часы солнечного света — самый простой и интуитивный результат.
Инсоляция идёт дальше. Вместо подсчёта того, пришёл ли свет, она накапливает сколько именно: интенсивность зависит от угла между солнцем и поверхностью, поэтому крутой склон, ловящий солнце по касательной, получает меньше энергии на квадратный метр, чем плоская земля под тем же солнцем.
Используйте часы, когда вопрос о продолжительности — будет ли эта берма пригодна для работы к 9 утра, получает ли этот ряд сада шесть часов. Используйте инсоляцию, когда вопрос об энергии — какой из этих двух склонов даст больше при одних и тех же панелях.
STREAM считает на рельефе и часы солнечного света, и солнечную инсоляцию.
Входные данные, меняющие результат
Дата. Единого результата «солнце» не существует. Зимнее солнцестояние — худший случай, и именно он определяет проектирование системы; равноденствие — сбалансированный случай; летнее солнцестояние приукрашивает всё. Анализировать одну дату и выдавать это за ответ — самая частая ошибка.
Шаг по времени. Грубый шаг пропускает узкие тени от тонких препятствий. Очень мелкий шаг стоит времени, почти ничего не добавляя, как только он оказывается заметно меньше длительности интересующих вас теней.
Охват. Затенение может исходить от рельефа далеко за пределами вашей зоны интереса — гора в 5 км к востоку всё равно задержит ваш восход. Если ваш DEM обрывается на границе участка, ваши утра будут казаться солнечнее, чем есть на самом деле.
Поверхность. На «голой земле» здания и деревья не отбрасывают тени. Это верно для оценки самого рельефа и неверно для оценки конкретной крыши.
Для чего это используется
Выбор площадки под солнечную энергетику: ранжирование участков-кандидатов по реально получаемой энергии, а не только по экспозиции, и поиск рядов, которые гребень будет затенять каждое утро.
Сельское хозяйство: морозобойные ложбины, ориентация рядов сада и виноградника, и какие поля прогреваются первыми весной.
Горные работы и карьеры: когда уступ или борт выходит на солнце — это важно для льда, оттаивания и планирования графика.
Планирование участка и здания: затенение соседей, и где рекреационная зона будет реально солнечной.
Снег и гидрология: сроки таяния на сложном рельефе тесно следуют за инсоляцией.
Границы применимости
Это геометрическая модель прямого солнечного света на поверхности. Она не знает об облаках, дымке или рассеянном свете, который реальное небо даёт даже в тени, — поэтому полностью затенённая ячейка на самом деле не находится при нулевой энергии.
Она также не моделирует панели, трекеры, загрязнение или температурные потери. Солнечный анализ рельефа сообщает, что рельеф делает с солнечным светом. Превращение этого в прогнозируемую выработку — отдельный расчёт со своими допущениями.
Частые вопросы
В чём разница между самозатенением и падающей тенью в анализе солнца на рельефе?
Самозатенение — это когда склон отвёрнут от солнца и не получает прямого света независимо от окружения; падающая тень — когда удалённый элемент, например гребень, перекрывает солнце для участка — так, южный склон может получить восход на два часа позже из-за гребня к востоку.
В чём разница между часами солнечного света и инсоляцией?
Часы солнечного света считают, в скольких временных шагах в течение дня точка на рельефе была освещена; инсоляция накапливает, сколько энергии реально пришло, в зависимости от угла между солнцем и поверхностью. Часы подходят, когда вопрос о продолжительности, инсоляция — когда вопрос об энергии.
Какие входные данные меняют результат анализа солнца и тени?
Основные входные данные — дата анализа (зимнее солнцестояние обычно худший случай), шаг по времени для выборки дня, охватываемая пространственная область (потому что даже удалённый рельеф может отбрасывать тень) и используемая поверхность — модели «голой земли» не учитывают тени от зданий или деревьев.
Каковы ограничения этой модели солнца и тени?
Это полностью геометрическая модель прямого солнечного света, поэтому она не учитывает атмосферные эффекты вроде облаков, дымки или рассеянного света, а также факторы, специфичные для оборудования, такие как ориентация солнечных панелей, трекеры, загрязнение или температурные потери.
Источники
Запустите анализ солнца и тени в STREAM
Нативное Windows-приложение · полностью офлайн · бесплатная бета