Выпускная квалификационная работа. Тема: Определение поглощаемого теплового излучения, падающего на произвольно ориентированную площадку в стратосфере Земли (стр. 5 )

Рис.2.1 Вкладка 1

Вторая вкладка «Площадка» рис.2.2 содержит поля ввода всех параметров площадки. В поле «поглощение» вводятся коэффициенты поглощения площадки в длинноволновой и коротковолновой области спектра. Так как поставлена задача расчета поглощенного тепла произвольно ориентированной площадкой, то в поле «наклон» задаются углы, характеризующие направление нормали площадки, В полях «Площадь», «Температура» - площадь и температура соответственно, а в поле «высота» вводится высота над уровнем моря, которая для Стратосферы может принимать значения от 11 км до 50 км.

Рис.2.2 Вкладка 2

Вкладка «Атмосфера» рис.2.3 содержит параметры атмосферы и облачности.

Рис.2.3 Вкладка 3

Результаты работы

С использованием выше описанной программы были произведены некоторые расчеты. Координаты и часовой пояс были установлены в соответствии с координатами Москвы.

На рис.2.4 отраженны результаты освещенности приемной площадки прямой и рассеянной сверху солнечной радиацией в зависимости от времени суток для 31 мая. Синим цветом отображено прямое СИ, а красным рассеянное. Графики построены с шагом 5 км начиная с нулевой высоты над уровнем моря и заканчивая 50 км, что соответствует верхней границе стратосферы, углы  и равны нулю. С высотой компонента прямого СИ растет, а рассеянного уменьшается. Начиная с высоты 20 км освещенность прямым и рассеянным СИ практический перестает меняться, при этом, компонента рассеянной радиации становится пренебрежительно маленькой по сравнению с прямой.

Рис.2.4 Освещенность прямым и рассеянным СИ горизонтальной площадки 

На рис.2.5. отображена освещенность прямой солнечной радиации горизонтальной приемной площадки для разных высот z (11, 15, 20, 25, 30,40,45 км) в сравнении с 

Рис.2.5.

Для того же дня и местности в момент времени равный ровно 14 часам при полете ЛА над песчаной местностью в безоблачную погоду и высотой полета равной  20 км построена зависимость освещенности приемной площадки отраженным и нисходящим рассеянным солнечным излучением от угла рис.2.6, а так же прямым СИ рис.2.7

Рис.2.6. Зависимость отраженной (синий) и рассеянной (красный)

солнечной радиации от угла

Рис.2.7 Зависимость прямой солнечной радиации от угла

А при максимальном , такая же зависимость то угла

Рис.2.8 Зависимость прямой солнечной радиации от угла

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С помощью написанного программного обеспечения  в ходе выполнения данной работы, можно проводить анализ, необходимый при проектировании летательных аппаратов на солнечных энергетических установках. Оценивать количество тепла поступающего на обшивку летательного аппарата; рассчитывать оптимальное местоположения и общую площадь солнечных элементов, а также подобрать материалы с наиболее подходящими характеристиками теплопоглощения.

В результате было выявлено, что освещенность солнечной радиацией верхнюю часть аппарата находящегося в стратосфере очень большая, что доказывает целесообразность использование солнечной энергии. В северном полушарии максимальное количество энергии поглощается не горизонтальной приемной площадкой, а наклоненной к горизонту, причем в январе  над Москвой оптимальный угол оказался равен примерно 80о, а летом около 30о, однако в любом случае при таких значениях угла наклона к горизонту большое влияние оказывает ИК излучение Земли и отраженная солнечная радиация, особенно при полетах над заснеженными участками или облаками.  Самая большая освещенность ИК излучением у приемной площадки расположенной в нижней части ЛА, параллельно Земле, при этом освещенность СИ там мала, из чего можно сделать вывод, что для нижней части судна целесообразно использовать материалы с маленьким коэффициентом поглощения. Похожая ситуация и с наклоненными на Север площадками, СИ туда практически не попадает, а вот ИК Земли такое же как и при наклоне на Юг, хотя в этом случае  освещенность СИ максимальна.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] , , Малинин энергетика М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - 276 с.

[2] Сивков расчета характеристик солнечной радиации, г. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1968.-218 с.

[3] Хргиан атмосферы, г. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1969.-636с.

[4] Матвеев общей метерологии. Физика атмосферы, г. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1984.-738 с.

[5]  Greenhalgh D., Tatnall A. R. Thermal model of an airship with solar arrays and a ballonet  UK, IJRET, 2014.-79с.

[6] Петров по вычислительной математике М.: Бином, 2006 – 523 с.

[7] Савельев общей физики, том I. Механика, колебания и волны, молекулярная физика. М.: Наука, 1970. – 504 с.

[8] Сивухин курс физики М.: Наука. Физмалит 1996

[9] зык программирования С++. М.: Бином, 2011, - 1136 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Подпрограмма integral:

#ifndef integral_for_P_H

#define integral_for_P_H

#include<math. h>

double g(double z) {

  return 398.42825 / pow((6.367 + (z / 1000.0)), 2.0);

}

double T(double z) {

  if (z >= 11.0 && z <= 20.0) return (-56.5 + 273.0);

  else if (z > 20.0 && z < 47.4) return (-56.5 + 273.0 + (54.0 / 27.4)*(z - 20.0));

  else if (z >= 47.4 && z <= 50.0) return (-2.5 + 273.0);

  else if (z >= 0 && z < 11.0) return (15.0 + 273.0 -6.5*z);

  else return 273.0;

}

double f(double z) {

  return g(z) / T(z);

}

double p(double z) {

  double I_sim = 0.0;

  double a = 0.0;

  double b = z;

  double p0 = 100000.0;

  if (z>=11.0){

  a = 11.0;

  p0=22699.9;

  }

  //разбиение

  double h_1 = 0.001;

  int N = (b - a) / h_1;

  int n = N + 1;

  double *x = new double[n];

  double h = (b - a) / N;

  x[0] = a;

  for (int i = 1;i<n;i++) {

  x[i] = x[i - 1] + h;

  }

  for (int i = 1;i<n;i++) { //формула Симпсона

  I_sim += (1.0 / 6.0)*h*(f(x[i - 1]) + 4.0*(f((x[i - 1] + x[i]) / 2.0)) + f(x[i]));

  }

  delete[]x;

  return (p0*exp((-28.98*I_sim) / 8.314));

}

#endif

Подпрограмма radius:

#include "radius. h"

#include<cmath>

const double PI = 3.1415926535;

class Kvadratnoe_uravn{

  double A, B, C;

  const double a = 149.59826;

  const double b = 149.57624;

public:

  void set_A(double phi){

  A=((pow(cos(phi), 2.0) / pow(a, 2.0)) + (pow(sin(phi), 2.0) / pow(b, 2.0)));

  }

  void set_B(double phi) {

  B = (5.0* cos(phi)/ pow(a, 2.0));

  }

  void set_C() {

  C = (6.25/ pow(a, 2.0))-1.0;

  }

  double solve(double phi) {

  set_A(phi);

  set_B(phi);

  set_C();

  double r1, r2;

  r1 = (-B + pow((pow(B, 2) - 4.0 * A*C), 0.5)) / (2.0 * A);

  r2 = (-B - pow((pow(B, 2) - 4.0 * A*C), 0.5)) / (2.0 * A);

  if (r1 > 0) {

  return r1;

  }

  else if (r2 > 0) {

  return r2;

  }

  else {

  return 0;

  }

  }

};

double solar_const(double n){

  double phi;

  Kvadratnoe_uravn urav;

  phi = (2.0*PI/360.0)*((360.0 / 365.0)*(n - 4.0));//пусть 4 января

  return pow((149.6 / urav. solve(phi)), 2.0) * 1367.0;

}

Подпрограмма time1:

#ifndef time1_H

#define time1_H

class My_Time {

  int hour;

  int min;//double min;

public:

  My_Time();

  My_Time(int x, double y);

  const My_Time operator+(const My_Time& t) const;

  const My_Time operator-(const My_Time& t) const;