Wie hängt gemäß Abstandsgesetz die Bestrahlungsstärke vom Abstand zum Strahler ab?
Das Abstandsgesetz besagt, dass die Bestrahlungsstärke mit dem Quadrat des Abstands abnimmt.
Beschreiben Sie, was unter der Solarkonstante zu verstehen ist, wie groß ist sie ungefähr (Einheit)?
Die Solarkonstante bezeichnet die mittlere Strahlungsleistung, die von der Sonne auf eine senkrecht zur Sonnenstrahlung stehende Fläche außerhalb der Erdatmosphäre trifft. Sie gibt also an, wie viel Sonnenenergie pro Sekunde und Quadratmeter im Weltall auf die Erde gelangt.
Die Solarkonstante beträgt etwa:
—> I_null ≈ 1367 W/m²
Es handelt sich um einen Mittelwert, da der tatsächliche Wert durch den Abstand zur Sonne und durch die Sonnenaktivität schwankt.
Wie lässt sich bei gegebenen Einfallswinkel die winkelbedingte Schwächung der Bestrahlungsstärke errechnen?
Die Bestrahlungsstärke, die auf eine horizontale Ebene einfällt, lässt sich mittels der Solarkonstanten und dem Einfallswinken mit folgender Formel berechnen:
Beschreiben Sie in ein paar Sätzen, welchen Einfluss die Erdatmosphäre auf die Sonnenstrahlung hat.
Staub, Wolken und andere Partikel in der Atmosphäre absorbieren und reflektieren zum einen die Solarstrahlung. Die Strahlung wird zum Teil in alle Richtungen reflektiert, sodass ein Teil der reflektierten Strahlung als diffuse Strahlung auf die Erde gelangt.
Was ist unter Diffusstrahlung zu verstehen?
Unter Diffusstrahlung versteht sich die Reflexion von Strahlung in viele verschiedene Richtungen. Somit gibt es keine direkte Reflexion sondern eine gestreute Reflexion.
Was ist unter Air‐Mass zu verstehen?
Air-Mass ist das Verhältnis, dass die Sonnenstrahlen durch die Atmopshäre zurücklegen müssen im Verhältnis zum kürzesten Weg durch die Atmosphäre.
Was setzt der Clearness‐Index zueinander ins Verhältnis?
Der Clearness-Index (KtK_tKt) gibt das Verhältnis zwischen der tatsächlich auf der Erdoberfläche ankommenden Globalstrahlung und der theoretisch möglichen extraterrestrischen Strahlung (also der Strahlung außerhalb der Atmosphäre) an.
Der Clearness-Index gibt an, wie stark die Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre abgeschwächt wird.
Wie stehen die Bestrahlungsstärke und die Bestrahlungsenergie zueinander im Verhältnis?
Die Bestrahlungsstärke ist Leistung pro Fläche. Es handelt sich somit um eine Momentaufnahme.
Möchte man jedoch die Bestrahlungsenergie wissen, dann muss man die Bestrahlungsstärke auf einer gewissen Fläche über einen bestimmten Zeitraum integrieren.
Was lässt sich über den Sonnenstand sagen, wenn die Sonne den Meridian durchläuft? Machen Sie eine Skizze.
Zenit = Schnittpunkt der Senkrechten des Betrachters mit der Hemisphäre
Meridian = Senkrechte Projektion auf der Nord-Süde-Linie entlang dieser Hemisphäre
Auf der Nordhalbkugel ergibt sich der höchste Sonnenstand, wenn der Tagesbogen der Sonne am Tag der Sommersonnenwende den Meridian durchläuft. Die Sonne erreicht ihren Höchststand generell unabhängig der Jahreszeit, wenn sie den Meridian durchläuft bzw. kreuzt.
Wie sind Sonnenzenitwinkel und Höhenwinkel mathematisch miteinander verknüpft?
Der Höhenwinkel und der Sonnenzenitwinkel ergeben zusammen immer 90 °. Der Höhenwinkel ist der Einfallswinkel der Sonne vom Boden aus gemessen und der Sonnenzenitwinkel ist der Einfallswinkel der Sonne vom Zenit aus gemessen.
In welchem Fall ist der Einfallswinkel gleich dem Zenitwinkel?
Der Einfallswinkel ist der Winkel zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung und der Lotrechten zur Oberfläche.
Der Zenitwinkel ist der Winkel zwischen der Sonne und dem Zenit (also der Senkrechten über dem Beobachter).
Das Bedeutet, der Einfallswinkel kann einen anderen Wert haben, wenn er auf eine geneigte Oberfläche trifft. Wenn die Oberfläche jedoch horizontal ist, dann sind beide Werte gleich groß.
Von welchen Faktoren hängt der Höhenwinkel ab?
Der Höhenwinkel hängt lediglich vom Sonnenstand ab. Diese hängt aber von der Jahreszeit, vom Ort, etc. ab
Was wird in der Solarthermie unter einer Aperturfläche verstanden?
Die Aperturfläche ist die Fläche eines Solarkollektors, durch die Sonnenstrahlung aufgenommen wird.
Welchen Winkel bezeichnet in der Solarthermie der Orientierungswinkel? Machen Sie eine Skizze.
In der Solarthermie bezeichnet der Orientierungswinkel den Winkel, den die Solarkollektoren relativ zur geografischen Südrichtung haben. Er gibt also an, wie stark die Kollektoren von der idealen Südausrichtung abweichen.
Wie hängen Stundenwinkel, Wahre Ortszeit und Sonnenzeit zusammen?
Sonnenzweit bzw. wahre Ortszeit:
—> Wenn die Sonne den lokalen Meridian durchläuft ist 12.00 Uhr
Stundenwinkel:
—> Die Sonne legt alle vier Minuten 1° Winkel zurück
—> Das ist in einer Stunde 15°
—> Man nimmt man, dass um 0:00 Uhr der Wert bei -180° liegt, um 12:00 Uhr bei 0° und bis 0:00 Uhr dann wieder bis +180° ansteigt
Was wird unter Tagundnachtgleiche verstanden?
Das sind die Tage an denen der Tag und die Nacht in etwa gleich lang sind. Das passiert zwei mal im Jahr:
Frühlingstagundnachtgleiche: Etwa am 20. oder 21. März.
Herbsttagundnachtgleiche: Etwa am 22. oder 23. September.
Alle Kurven des über den Stundenwinkels aufgetragenen Nachführwinkels eines ost‐west‐nachgeführten Kollektors schneiden sich in einem Punkt. In welchem Punkt schneiden sie sich? Erklären Sie die Hintergründe.
Alle Kurven des über den Stundenwinkel aufgetragenen Nachführwinkels eines ost-west-nachgeführten Kollektors schneiden sich in einem Punkt, und dieser Punkt ist der Mittagspunkt (12:00 Uhr Ortszeit), wenn die Sonne ihren höchsten Stand erreicht.
Nachführwinkel und Stundenwinkel:
Der Nachführwinkel ist der Winkel, um den der Kollektor zur horizontalen Ebene geneigt wird, um der Sonne zu folgen. Der Kollektor passt sich also in Richtung der Sonne an.
Der Stundenwinkel gibt die Uhrzeit im Verhältnis zum solar mittleren Zeitrahmen an, wobei er zu 12:00 Uhr (Mittag) den Wert 0° hat und sich mit der Erdrotation verändert. Der Stundenwinkel nimmt bei jeder Stunde um 15° zu (positiv für den Nachmittag, negativ für den Morgen).
Warum ist der Einfallswinkel eines ost‐west‐nachgeführten Kollektors in den sehr frühen Morgenstunden im Sommer zunächst groß, wird dann wieder kleiner, um mittags ein Maximum zu erreichen?
In unseren Breiten geht die Sonne im Sommer sogar nicht nur im Osten, sondern eher schon Richtung Nord-Osten auf. Daher ist der Einfallswinkel früh am morgen bei einer Ost-West-nachgeführten Anlage größer, sinkt dann in der Zeit wo die Sonne Richtung Osten steigt. Dort ist der Einfallswinkel minimal.
Dann steigt die Sonne weiter in Richtung Süden. Dort ist der Einfallswinkel in der mittagszeit dann maximal und fällt dann wieder ab in der Zeit wo die Sonne Richtung Westen absinkt.
Wo entspricht die wahre Ortszeit genau der gesetzlichen Zeit einer Zeitzone?
Die wahre Ortszeit entspricht genau der gesetzlichen Zeit einer Zeitzone am Bezugsmeridian dieser Zeitzone.
Der Bezugsmeridian ist der Längengrad, nach dem die gesetzliche Zeit der jeweiligen Zeitzone festgelegt wird. Er liegt jeweils ein Vielfaches von 15° östlicher oder westlicher Länge von Greenwich entfernt, da die Erde in 24 Zeitzonen à 15° aufgeteilt ist.
Beispiele für Bezugsmeridiane einiger Zeitzonen:
• Mitteleuropäische Zeit (MEZ, UTC+1): 15° Ost (z. B. in Görlitz, Deutschland)
• Westeuropäische Zeit (WEZ, UTC+0): 0° (Greenwich)
• Osteuropäische Zeit (OEZ, UTC+2): 30° Ost
An diesen Längengraden ist die mittlere Sonnenzeit (also die wahre Ortszeit im Durchschnitt über das Jahr) genau gleich der gesetzlichen Zeit.
Was kann über die Deklination der Erde am Tag des Sommer Sonnenwende gesagt werden?
Am Tag der Sommersonnenwende (in der Nordhalbkugel meist um den 21. Juni) erreicht die scheinbare Sonnenbahn ihren höchsten nördlichen Punkt. Das bedeutet:
• Maximale Deklination: Die Deklination der Sonne beträgt etwa +23,44°.
• Bedeutung: An diesem Tag steht die Sonne senkrecht über dem Wendekreis des Krebses (23,44° nördliche Breite).
Dieser maximale Deklinationswert entspricht dem Neigungswinkel der Erdachse relativ zur Bahnebene um die Sonne und bewirkt, dass in den nördlichen Breiten die Tage am längsten und in den südlichen am kürzesten sind.
Liegt der Standardlängengrad der Sommerzeit westlich oder östlich vom Standardlängengrad der Winterzeit?
Der Standardlängengrad der Sommerzeit liegt östlich vom Standardlängengrad der Winterzeit.
Warum?
• Die gesetzliche Zeit einer Zeitzone basiert auf einem Bezugsmeridian (Standardlängengrad).
• Im Winter gilt die Normalzeit (Standardzeit), die sich nach dem regulären Bezugsmeridian der Zeitzone richtet.
• In der Sommerzeit wird die Uhr eine Stunde vorgestellt, was einer Verschiebung um +15° östlicher entspricht (da eine Zeitzone 15° pro Stunde umfasst).
Beispiel: Mitteleuropäische Zeit (MEZ) und Mitteleuropäische Sommerzeit (MESZ)
• MEZ (Winterzeit) basiert auf 15° Ost (z. B. Görlitz, Deutschland).
• MESZ (Sommerzeit, UTC+2) entspricht der Zeitzone mit Bezugsmeridian 30° Ost (z. B. Kiew, Ukraine).
Da die Zeitumstellung die gesetzliche Zeit um eine Stunde nach vorne verschiebt, entspricht dies einer Bewegung in östliche Richtung in der Zeitzonenordnung.
Warum ist bei einem ost-West-nachgeführten Kollektor der einstrahlungswinkel in den morgen und Abendstunden am kleinsten?
Ein Ost-West-nachgeführter Kollektor folgt der Sonne über den Tag hinweg, indem er sich um eine vertikale Achse dreht, sodass die Kollektorfläche möglichst senkrecht zur direkten Sonnenstrahlung steht.
Warum ist der Einstrahlungswinkel morgens und abends am kleinsten?
1. Definition des Einstrahlungswinkels:
• Der Einstrahlungswinkel ist der Winkel zwischen der Sonnenstrahlung und der Kollektorfläche.
• Ein kleiner Einstrahlungswinkel bedeutet, dass die Sonne relativ flach auf den Kollektor trifft.
2. Bewegung der Sonne über den Tag:
• Morgens befindet sich die Sonne im Osten, steigt im Tagesverlauf höher und wandert nach Westen.
• Ein Ost-West-nachgeführter Kollektor kann sich drehen, um der Sonne zu folgen, aber seine Neigung zur Horizontalen bleibt unverändert.
3. Geometrischer Effekt am Morgen und Abend:
• In den frühen Morgen- und späten Abendstunden steht die Sonne niedrig über dem Horizont.
• Auch wenn der Kollektor der Sonne nachgeführt wird, bleibt die Sonnenhöhe (Elevation) gering.
• Dadurch trifft das Sonnenlicht in einem flachen Winkel auf die Kollektorfläche, sodass der Einstrahlungswinkel (zwischen der Normalen des Kollektors und der Sonnenstrahlung) klein ist.
Konsequenz:
• In den Mittagsstunden, wenn die Sonne hoch am Himmel steht, kann der Kollektor die Sonnenstrahlen nahezu senkrecht einfangen → größter Einstrahlungswinkel (nahe 90°).
• In den Morgen- und Abendstunden trifft das Licht in einem flachen Winkel auf → kleiner Einstrahlungswinkel.
Dieser Effekt ist ein geometrisches Problem und gilt unabhängig von der Nachführmechanik, solange die Nachführung nur in der Ost-West-Richtung erfolgt und keine Neigungsänderung (Tilt) beinhaltet.
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