Поступающее солнечное излучение (инсоляция) исходит от солнца; изменяется по мере прохождения через атмосферу; дополнительно изменяется в зависимости от рельефа и особенностей поверхности; и улавливается на поверхности Земли в виде прямых, рассеянных и отраженных компонентов. Прямое излучение беспрепятственно улавливается по прямой линии от солнца. Рассеянное излучение рассеивается составляющими атмосферы, такими как облака и пыль. Отраженное излучение отражается от объектов поверхности. Сумма прямого, рассеянного и отраженного излучения называется общим или глобальным солнечным излучением.
Обычно, прямое излучение представляет наибольшую составляющую общего излучения, рассеянное излучение - вторая по величине большая составляющая. Отраженное излучение обычно составляет лишь небольшую долю от общего излучения, за исключением мест, окруженных поверхностями высокого отражения, такими как снежный покров. Инструменты солнечного излучения не включают отраженное излучение в вычисления общего излучения. Поэтому общее излучение вычисляется как сумма прямого и рассеянного излучения.
Инструменты солнечного излучения могут выполнять вычисления для точечных местоположений или для целых географических областей. Они включают четыре шага:
- Вычисление направленной вверх полусферической области видимости на основе топографии.
- Наложение области видимости на карту прямого солнечного излучения для оценки прямого излучения.
- Наложение области видимости на карту неба рассеянного излучения для оценки рассеянного излучения.
- Повторение процесса для каждого местоположения интереса для получения карты инсоляции.
Поскольку на излучение может сильно повлиять топография и особенности поверхности, ключевой составляющей алгоритма вычисления необходимо построение направленной вверх полусферической области видимости для каждого местоположения на цифровой модели рельефа (ЦМР). Полусферическая область видимости похожа на фотографии, полученные с помощью смотрящего вверх широкоугольного объектива типа «рыбий глаз», показывающие все небо с земли, аналогично виду в планетарии. Величина видимого неба играет важную роль в инсоляции местоположения. Например, датчик, расположенный на открытой местности получает больше солнечного излучения, чем датчик, расположенный в глубоком каньоне.
На следующем рисунке показана направленная вверх полусферическая фотография, предоставляющая вид видимого неба и направлений на небе, закрытых окружающей топографией и объектами поверхности. Это похоже на вид, который вы могли бы получить с земли, глядя вверх во всех направлениях.
Вычисление области видимости
Область видимости - это растровое представление всего неба, видимого или закрытого, при взгляде из определенного местоположения. Область видимости вычисляется путем поиска в заданных направлениях вокруг местоположения интереса и определения максимального угла препятствий, закрывающих небо, или угла горизонта. Для всех других направлений, не участвующих в поиске, углы горизонта интерполируются. Затем углы горизонта конвертируются в систему координат полусферы, тем самым представляя трехмерную полусферу направлений как двумерное растровое изображение. Каждой ячейке растра видимости присваивается значение, соответствующее тому, видимо ли направление или встречает препятствия. Местоположения выходных ячеек (строка и столбец) соответствуют зенитному углу θ (углу относительно направления вверх) и азимутальному углу α (углу относительно направления на север) на полусфере направлений.
На рисунке ниже показан расчет видимости для одной ячейки ЦМР. Углы горизонта рассчитываются по заданному числу направлений и используются для создания полусферического представления неба. Результирующая область видимости характеризует, видны ли направления неба (показаны белым цветом) или закрыты (показаны серым цветом). Область видимости показана наложенной на полусферическую фотографию, чтобы продемонстрировать теорию.
Области видимости используются в сочетании с информацией о положении солнца и направлении неба (представленной картой солнца и картой неба соответственно) для расчета прямого, рассеянного и суммарного (прямое + рассеянное) излучения для каждого местоположения и для создания точной карты инсоляции.
Вычисление карты солнца
Прямое солнечное излучение, исходящее из каждого направления неба, вычисляется при помощи карты солнца в той же полусферической проекции, что и зоны видимости. Карта солнца - это растровое представление, отображающее трек солнца, или видимое положение солнца, изменяющееся в зависимости от времени суток и дней года. Это похоже на то, как вы смотрите вверх и наблюдаете, как положение солнца изменяется на небе в течение определенного периода времени. Карта солнца состоит из дискретных секторов, определяемых положением солнца в определенные интервалы в течение дня (часы) и времени года (дни или месяцы). Трек солнца вычисляется на основе широты изучаемой области и конфигурации времени, которые определяют сектора карты солнца. Для каждого сектора карты солнца задается уникальное определяющее значение, наряду с зенитом центроида и азимутальным углом. Солнечное излучение, исходящее из каждого сектора, вычисляется по отдельности, и зона видимости накладывается на карту солнца для вычисления прямого излучения.
На следующем рисунке карта солнечного освещения для 45º северной широты вычисляется от зимнего солнцестояния (21 декабря) до летнего солнцестояния (21 июня). Каждый солнечный сектор (цветной квадрат) представляет положение солнца с использованием интервалов в 1/2 часа в течение дня и месячных интервалов в течение года. Следует отметить, что изображение находится в той же полусферической проекции, что область видимости при взгляде вверх. Положение солнца представлено по мере его движения по небу в течение времени дня и времени года.
Вычисление карты неба
Рассеянное излучение исходит из всех направлений на небе в результате рассеяния компонентами атмосферы (облаками, частицами и т.п.). Для вычисления рассеянного излучения для определенного местоположения создается карта неба, представляющая полусферический вид всего неба, разделенный на серии небесных секторов, которые задаются зенитным и азимутальным углами. Каждому сектору назначается значение уникального идентификатора, а также зенитный и азимутальный углы центроида. Рассеянное излучение вычисляется для каждого сектора неба на основании направления (зенита и азимута).
На следующем рисунке показана карта неба с секторами неба, определенные по 8 делениям зенита и 16 делениям азимута. Каждый цвет представляет уникальный сектор или часть неба, из которого исходит рассеянное излучение.
Наложение области видимости с картой солнца и картой неба
В процессе вычисления инсоляции, растр видимости накладывается на растры карт солнца и неба для расчета рассеянного и прямого излучения, полученного из каждого направления на небе. Доля видимой области неба в каждом секторе вычисляется путем деления количества ячеек, не встречающих препятствия, на общее количество ячеек каждого сектора. Допускаются частично закрытые сектора неба.
На следующем рисунке показано наложение области видимости с картой солнца и картой неба. Серым показаны закрытые направления неба. Солнечное излучение вычисляется путем суммирования прямой и рассеянной инсоляции, исходящей из не закрытый направлений неба.
Более подробно об уравнениях, используемых в вычислении солнечного излучения