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Assignment 1-solar thermalsystem

Date post: 14-Apr-2015
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ms assignment
17
AS SOLA SUBMITT SSIG AR THER TED TO: Dr. A MEN RMAL SY ABDUL WAHEE NTYSTEMS ED BADAR IMR 1 S RAN SAJID 12SP D SHAHID PMSME002 10/15/201 D 2 2
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Page 1: Assignment 1-solar thermalsystem

 

 

ASSOLA SUBMITT   

    

 

SSIGAR THER

TED TO: Dr. A

MENRMAL SY

ABDUL WAHEE

NT‐YSTEMS

ED BADAR 

IMR

1S 

RAN SAJID12SP

D SHAHIDP‐MS‐ME‐002

10/15/201

 D2 2 

Page 2: Assignment 1-solar thermalsystem

 

2  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

QUESTION-1:

Using a spreadsheet program and the relations presented in this chapter, try to create a 

program that estimates all solar angles according to the latitude, day of year, hour, and slope of 

surface. 

Answer:

A MATLAB program was written to calculate the solar angles with latitude, day of year, hour 

and slope of surface as input. Copy the code lines in m‐file to run the program. M‐file is also 

attached with email. 

clc clear close all % This program Calculates the Solar angles as an output, includes; % Declination angle(delta), Altitude Angle(alpha_s), % Max. Altitude angle(alpha_smax), Hour Angle(omega), Day Length(N), % Zenith Angle(theta_z), Solar Azimuth angle(Gamma), Incident Angle(theta), % Surface Azimuth(Gamma_s), Solar-Surface Azimuth(Gamma_ss) % Solar_angles(40,6,15,14,0,0,90) disp('~INTRODUCTION:') disp('--------------') disp('This program Calculates the Solar angles as an output') disp('~INPUT FORMAT:') disp('-------------') disp('LATITUTDE, MONTH, DATE, SOLAR TIME HR., SOLAR TIME MIN., MERADIAN, SRF. TILT, SRF. AZIMUTH') disp('E.G; 35, 2, 13, 10, 30, am, 15, 45') disp('~OUTPUT:') disp('--------') disp('DELINATION ANGLE, ALTITUDE ANGLE, MAX. ALTITUDE ANGLE,') disp('HOUR ANGLE, DAY LENGTH, ZENITH ANGLE, SOLAR AZIMUTH,') disp('INCIDENT ANGLE, SURFACE AZIMUTH, SOLAR SRF.AZIMUTH,') disp('===================================================================') disp(' WRITTEN BY: IMRAN SAJID SHAHID ') disp(' REGISTRATION # 12SP-MS-ME-002 ') disp(' DATED:14th OCT 2012 ') disp('===================================================================') % !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! % ---------------------------------INPUT DECK------------------------------ disp('*******************************************************************') disp('************************** INPUT ******************************') disp('*******************************************************************') pHI = input('Enter the your Latitutde position:---> '); Month =input('Enter the desired month in number:--->'); Date=input('Enter the date of the desired month:--->'); Solar_Time_hr=input('Enter the Solar time hour,(10 from 10:30 time):--->'); Solar_Time_min=input('Enter the Solar time minute,(30 from 10:30 time ):--->'); mer=input('Enter am for a.m. & pm for p.m. in lowercase:--->','s');

Page 3: Assignment 1-solar thermalsystem

 

3  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

bETA=input('Enter the tilt of surface in degrees:--->'); gAMMA=input('Enter the surface azimuth in degrees:--->'); % !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! % DAY OF YEAR, n % n for ith Day of Month i=Date; n_i = [i 31+i 59+i 90+i 120+i 151+i 181+i 212+i 243+i 273+i 304+i 334+i]; n = n_i(1,Month); % DECLINATION ANGLE, dELTA FROM EQ. OFCOPPER(1969) dELTA = 23.45 * sind( 360* ((284 + n) / 365) ); % HOUR ANGLE, oMEGA Solar_Time_min= Solar_Time_min/60; Solar_Time=Solar_Time_hr+Solar_Time_min; if ischar(mer) == 1; if strcmp(mer,'am') == 1; oMEGA = 15 * (Solar_Time - 12); else strcmp(mer,'pm') == 1; if Solar_Time_hr == 12; oMEGA = 15 * (Solar_Time - 12); else oMEGA = 15 * (Solar_Time); end end else break; fprintf(1,'PLEASE CHECK YOUR INPUT!!!.\n') end % ALTITUDE ANGLE,aLPHA_s aLPHA_s = asind([cosd(pHI)*cosd(oMEGA)*cosd(dELTA)]+[sind(pHI)*sind(dELTA)]); % MAX. ALTITUDE ANGLE,aLPHA_smax if Solar_Time_hr == 12 && Solar_Time_min == 0.000 aLPHA_smax = aLPHA_s else aLPHA_smax = 90 - abs(pHI-dELTA); end % INCIDENT ANGLE, tHETA and ZENITH ANGLE, tHETA_s % for Horizontal Surface incident angle becomes equal to Zenith Angle %if bETA > 0 c_tHETA = (sind(dELTA) * sind(pHI) * cosd(bETA)) - ... (sind(dELTA)* cosd(pHI)* sind(bETA)* cosd(gAMMA)) + ... (cosd(dELTA)* cosd(pHI)* cosd(bETA)* cosd(oMEGA)) + ... (cosd(dELTA)* sind(pHI)* sind(bETA)* cosd(gAMMA)* cosd(oMEGA)) + ... (cosd(dELTA)* sind(bETA)* sind(gAMMA)* sind(oMEGA)); tHETA = acosd(c_tHETA); % SOLAR AZIMUTH ANGLE, gAMMA_s gAMMA_s = asind([cosd(dELTA)*sind(oMEGA)]/cosd(aLPHA_s)); % SURFACE-SOLAR AZIMUTH ANGLE, gAMMA_s gAMMA_ss = gAMMA + gAMMA_s; % SUNRISE/SUNSET HOUR ANGLE, oMEGA_s & DAY LENGTH oMEGA_s = acosd(-tand(pHI)*tand(dELTA)); N = (2/15)*acosd(-tand(pHI)*tand(dELTA)); % !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! % ---------------------------------OUTPUT---------------------------------- disp('*******************************************************************') disp('************************** OUTPUT *****************************') disp('*******************************************************************') fprintf(1,'Declination Angle = %6.2f deg\n',dELTA) fprintf(1,'Hour Angle = %6.2f deg\n',oMEGA)

Page 4: Assignment 1-solar thermalsystem

 

4  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

fprintf(1,'Altitude Angle = %6.2f deg\n',aLPHA_s) fprintf(1,'Incident Angle = %6.2f deg\n',tHETA) fprintf(1,'Max. Altitude Angle = %6.2f deg\n',aLPHA_smax) fprintf(1,'Solar Azimuth Angle = %6.2f deg\n',gAMMA_s) fprintf(1,'Surface-Solar Azimuth Angle = %6.2f deg\n',gAMMA_ss) fprintf(1,'Sunset hour angle = %6.2f deg\n',oMEGA_s) fprintf(1,'Day Length = %6.2f hours\n',N) fprintf(1,'NOTE: Read incident angle as zeinth angle for 0.0deg Surface tilt\n') % !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!  

Test Run: Calculate the solar angles for Latitude is 43° at 9:30am on February 13? 

Run the solar_angles.m program in MATLAB. Input and output of the program is shown below: 

!*****************************************************************************

~INTRODUCTION: -------------- This program Calculates the Solar angles as an output ~INPUT FORMAT: ------------- LATITUTDE, MONTH, DATE, SOLAR TIME HR., SOLAR TIME MIN., MERADIAN, SRF. TILT, SRF. AZIMUTH E.G; 35, 2, 13, 10, 30, am, 15, 45 ~OUTPUT: -------- DELINATION ANGLE, ALTITUDE ANGLE, MAX. ALTITUDE ANGLE, HOUR ANGLE, DAY LENGTH, ZENITH ANGLE, SOLAR AZIMUTH, INCIDENT ANGLE, SURFACE AZIMUTH, SOLAR SRF.AZIMUTH, =================================================================== WRITTEN BY: IMRAN SAJID SHAHID REGISTRATION # 12SP-MS-ME-002 DATED:14th OCT 2012 =================================================================== ******************************************************************* ************************** INPUT ****************************** ******************************************************************* Enter the your Latitutde position:---> 43 Enter the desired month in number:--->2 Enter the date of the desired month:--->13 Enter the Solar time hour,(10 from 10:30 time):--->9 Enter the Solar time minute,(30 from 10:30 time ):--->30 Enter am for a.m. & pm for p.m. in lowercase:--->am Enter the tilt of surface in degrees:--->0 Enter the surface azimuth in degrees:--->90 ******************************************************************* ************************** OUTPUT ***************************** ******************************************************************* Declination Angle = -13.95 deg

Page 5: Assignment 1-solar thermalsystem

 

5  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

Hour Angle = -37.50 deg Altitude Angle = 23.50 deg Incident Angle = 66.50 deg Max. Altitude Angle = 33.05 deg Solar Azimuth Angle = -40.11 deg Surface-Solar Azimuth Angle = 49.89 deg Sunset hour angle = 76.61 deg Day Length = 10.21 hours NOTE: Read incident angle as zeinth angle for 0.0deg Surface tilt !*****************************************************************************

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 6: Assignment 1-solar thermalsystem

 

6  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

QUESTION-2:

Calculate the sunrise and sunset times and altitude and azimuth angles for London, England, on 

March 15 and September 15 at 10:00 am and 3:30 pm solar times? 

Given:

Latitude of London, England = 51°30’28.23’’ [1] = 51.5078° 

Day of Year = (i) March 15 (ii) September 15  

Solar Time = (i) 10:00am (ii) 3:30pm 

Find:

(a) Sunrise Time, Sunset time, Altitude angle, Azimuth Angle on 15th March at 10:00am =? 

(b) Sunrise Time, Sunset time, Altitude angle, Azimuth Angle on 15th March at 3:30am =? 

(c) Sunrise Time, Sunset time, Altitude angle, Azimuth Angle on 15th Sept at 10:00am =? 

(d) Sunrise Time, Sunset time, Altitude angle, Azimuth Angle on 15th Sept at 3:30am =? 

Solution:

(a) On 15th March at 10:00am, Day of the year can be obtained with the help of Table 

1.6.1[2]. 

59 15 74 The Declination angle can be found from the equation of Copper (1969) 

23.45 sin 360284

365 

After substituting the value of n, will give us    . °. 

Under given conditions hour angle is 

15° 2 . ° . 

By substituting the value of latitude angle (  ), declination ( ), and hour angle ( ), in 

following relation, altitude angle can be calculated: 

sin

Page 7: Assignment 1-solar thermalsystem

 

7  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

sin cos 51.5078 cos 30 cos 2.82 sin 51.5078 sin 2.82°

Solar azimuth angle can be calculated form following equation: 

sin

 

sincos 2.82 sin 30

cos 29.99 . ° 

Using a latitude and declination in following equation for calculating sunset hour 

angle: 

cos  

cos tan 51.5078 tan 2.82 . ° 

It also follows that number of daylight hours is given by: 

2

152

1587.45 .  

Sunrise time = 12 6.235 :  

Sunset time = 12 17.765 :  

 

(b) On 15th March at 3:30pm, Day of the year can be obtained with the help of Table 

1.6.1[2]. 

59 15 74 The Declination angle can be found from the equation of Copper (1969) 

23.45 sin 360284

365 

After substituting the value of n, will give us    . °. 

Under given conditions hour angle is 

15° 3.5 . ° . 

By substituting the value of latitude angle ( ), declination ( ), and hour angle ( ), in 

following relation, altitude angle can be calculated: 

sin

Page 8: Assignment 1-solar thermalsystem

 

8  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

sin cos 51.5078 cos 52.5 cos 2.82 sin 51.5078 sin 2.82. °

Solar azimuth angle can be calculated form following equation: 

sin

 

sincos 2.82 sin 30

cos 19.87 . ° 

Using a latitude and declination in following equation for calculating sunset hour 

angle: 

cos  

cos tan 51.5078 tan 2.82 . ° 

It also follows that number of daylight hours is given by: 

2

152

1586.45 .  

Sunrise time = 12 6.235 :  

Sunset time = 12 17.765 :  

 

(c) On 15th Sept at 10:0am, Day of the year can be obtained with the help of Table 

1.6.1[2]. 

243 15 258 The Declination angle can be found from the equation of Copper (1969) 

23.45 sin 360284

365 

After substituting the value of n, will give us    . °. 

At 10:0am hour angle is; 

15° 2.5 . ° . 

By substituting the value of latitude angle ( ), declination ( ), and hour angle ( ), in 

following relation, altitude angle can be calculated: 

Page 9: Assignment 1-solar thermalsystem

 

9  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

sin

sin cos 51.5078 cos 30 cos 2.22 sin 51.5078 sin 2.22. °

Solar azimuth angle can be calculated form following equation: 

sin

 

sincos 2.22 sin 30

cos 34.67 . ° 

Using a latitude and declination in following equation for calculating sunset hour 

angle: 

cos  

cos tan 51.5078 tan 2.22 . ° 

It also follows that number of daylight hours is given by: 

2

152

1592.79 .  

Sunrise time = 12 5.815 :  

Sunset time = 12 18.185 :  

 

 

(d) On 15th Sept at 3:30pm, Day of the year can be obtained with the help of Table 

1.6.1[2]. 

243 15 258 The Declination angle can be found from the equation of Copper (1969) 

23.45 sin 360284

365 

After substituting the value of n, will give us    . °. 

At 3:30pm hour angle is; 

15° 3.5 . ° . 

Page 10: Assignment 1-solar thermalsystem

 

10  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

10 

By substituting the value of latitude angle ( ), declination ( ), and hour angle ( ), in 

following relation, altitude angle can be calculated: 

sin

sin cos 51.5078 cos 52.5 cos 2.22 sin 51.5078 sin 2.22. °

Solar azimuth angle can be calculated form following equation: 

sin

 

sincos 2.22 sin 52.50

cos 24.14 . ° 

Using a latitude and declination in following equation for calculating sunset hour 

angle: 

cos  

cos tan 51.5078 tan 2.22 . ° 

It also follows that number of daylight hours is given by: 

2

152

1592.79 .  

Sunrise time = 12 5.815 :  

Sunset time = 12 18.185 :  

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 11: Assignment 1-solar thermalsystem

 

11  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

11 

QUESTION-3:

A flat‐plate collector in Nicosia, Cyprus, is tilted at 40° from horizontal and pointed 10° east of 

south. Calculate the solar incidence angle on the collector at 10:30 am and 2:30 pm solar times 

on March 10 and September10? 

Given:

Latitude of Nicosia, Cyprus = 35° 10’00.66’’ [1] = 35.1668° 

Surface Tilt angle =   = 40° 

Surface Azimuth angle =  = ‐10° 

Day of Year = (a) March 10 (b) September 10 

Solar Time = (a) 10:30am (b) 2:30pm 

Find:

(a) Solar Incident Angle on 15th March at 10:30am =? 

(b) Solar Incident Angle on 15th March at 2:30am =? 

(c) Solar Incident Angle on 15th Sept at 10:30am =? 

(d) Solar Incident Angle on 15th Sept at 2:30am =? 

Solution:

(a) On 10th March at 10:30am, Day of the year can be obtained with the help of Table 

1.6.1[2]. 

59 10 69 The Declination angle can be found from the equation of Copper (1969) 

23.45 sin 360284

365. ° 

At 10:30am, hour angle is: 

  15° 1.5 . ° . 

By substituting the value of latitude angle ( ), declination ( ), and hour angle ( ), in 

following relation, altitude angle can be calculated: 

Page 12: Assignment 1-solar thermalsystem

 

12  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

12 

sin

sin cos 35.1668 cos 22.5 cos 4.81 sin 35.1668 sin 4.81. °

Solar azimuth angle can be calculated form following equation: 

sin

 

sincos 4.81 sin 22.5

cos 44.77 . ° 

Using a latitude and declination in following equation for calculating solar incidence 

angle: 

cos  

cos sin 4.81 sin 35.1668 cos 40 4.81 35.1668 40 cos 10

4.81 35.1668 40 22.54.81 35.1668 40 10 cos 22.54.81 40 10 22.5  

Implies that;   . °   

 

(b) On 10th March at 2:30pm, Day of the year can be obtained with the help of Table 

1.6.1[2]. 

59 10 69 The Declination angle can be found from the equation of Copper (1969) 

23.45 sin 360284

365. ° 

At 2:30pm, hour angle is: 

  15° 2.5 . ° . 

By substituting the value of latitude angle ( ), declination ( ), and hour angle ( ), in 

following relation, altitude angle can be calculated: 

Page 13: Assignment 1-solar thermalsystem

 

13  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

13 

sin

sin cos 35.1668 cos 37.5 cos 4.81 sin 35.1668 sin 4.81. °

Solar azimuth angle can be calculated form following equation: 

sin

 

sincos 4.81 sin 37.5

cos 36.72 . ° 

Using a latitude and declination in following equation for calculating solar incidence 

angle: 

cos  

cos sin 4.81 sin 35.1668 cos 40 4.81 35.1668 40 cos 10

4.81 35.1668 40 37.54.81 35.1668 40 10 cos 37.54.81 40 10 37.5  

Implies that;   . °   

 

(c) On 10th Sept at 10:30am, Day of the year can be obtained with the help of Table 

1.6.1[2]. 

243 10 253 The Declination angle can be found from the equation of Copper (1969) 

23.45 sin 360284

365. ° 

At 10:30am, hour angle is: 

  15° 1.5 . ° . 

By substituting the value of latitude angle ( ), declination ( ), and hour angle ( ), in 

following relation, altitude angle can be calculated: 

Page 14: Assignment 1-solar thermalsystem

 

14  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

14 

sin

sin cos 35.1668 cos 22.5 cos 4.22 sin 35.1668 sin 4.22. °

Solar azimuth angle can be calculated form following equation: 

sin

 

sincos 4.22 sin 22.5

cos 52.71 . ° 

Using a latitude and declination in following equation for calculating solar incidence 

angle: 

cos 0.8927 

cos sin 4.22 sin 35.1668 cos 40 4.22 35.1668 40 cos 10

4.22 35.1668 40 cos 22.54.22 35.1668 40 10 cos 22.54.22 40 10 22.5  

Implies that;  . °   

 

(d) On 10th Sept, Day of the year can be obtained with the help of Table 1.6.1[2]. 

243 10 253 The Declination angle can be found from the equation of Copper (1969) 

23.45 sin 360284

365. ° 

At 2:30pm, hour angle is: 

  15° 2.5 . ° . 

By substituting the value of latitude angle ( ), declination ( ), and hour angle ( ), in 

following relation, altitude angle can be calculated: 

sin

Page 15: Assignment 1-solar thermalsystem

 

15  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

15 

sin cos 35.1668 cos 37.5 cos 4.22 sin 35.1668 sin 4.22. °

Solar azimuth angle can be calculated form following equation: 

sin

 

sincos 4.22 sin 37.5

cos 43.56 . ° 

Using a latitude and declination in following equation for calculating solar incidence 

angle: 

cos 0.8927 

cos sin 4.22 sin 35.1668 cos 40 4.22 35.1668 40 cos 10

4.22 35.1668 40 cos 37.54.22 35.1668 40 10 cos 37.54.22 40 10 37.5  

Implies that;  . °   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 16: Assignment 1-solar thermalsystem

 

16  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

16 

QUESTION-4:

Assuming that the sun is a blackbody at 5777 K, at what wavelength does the maximum 

monochromatic emissive power occur? What fraction of energy from this source is in the visible 

part of the spectrum in the range 0.38–0.78 μm? 

Answer:

(a) Monochromatic emissive power is defined as the energy emitted per unit surface area 

at specific wavelength. The wavelength at maximum monochromatic emissive power is 

0.48, from Table 1.3.1(a)[2]. 

(b) The fractions corresponding to wavelength of 0.38 and 0.78 μm are 0.064 and 0.544 

respectively [2]. Thus the fraction in the visible range is 0.544 ‐ 0.065 = 0.479. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 17: Assignment 1-solar thermalsystem

 

17  IMRAN SAJID SHAHID | 12SP‐MS‐ME‐002 

 

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REFERENCES 

[1]  GoogleEarth Software 6.2.2.6613;  kh.google.com 

[2]  John S. Duffie & William A. Beckman, “Solar Engineering of Thermal Processes”, Second 

Edition 


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