函数表达式L=arcos[sinHsin39.03-sin1.6811185)/cosHcos39.03 ]
由此,也就可以得到太阳能电池版面的指向:倾斜角(与水平面的夹角)等于太阳高度角,旋转角(与正南方向的夹角,向西偏为正)。等于太阳方位角。
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5.将函数图象转化为三维直观图
根据公式可依次算出在一天内每一个整点时刻太阳的高度角和方位角。如下图所示三维直观图像,o点为大连海事大学综合楼所在处,从左至右圆点分别表示6时至12时,太阳直射光线上的点,模拟出太阳直射光线的运动轨迹。
y 65° 45° x M z 12时到18时的图像应与上图对称。
每一时刻,由于太阳光垂直照射,则太阳能电池板方向应与轨迹
上点与原点间连线垂直。太阳能电板与水平面所夹角度即为太阳高度角,东西方向偏转角度,即为太阳方位角。
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5.检验模型解
已经得到了模型解,下一步的工作就是检验数据。我们采用了“立竿见影”法,具体步骤见下文:
如图所示,将一支长度为178mm的中华2B铅笔直立于综合楼门前,图中用线段AB表示。记录12点整是,该铅笔再水平地面上的投影BA0,于是角H0即为正午太阳高度角,A0。任意X时刻,该铅笔在水平地面上的投影为BAx,则角H即为该时刻太阳的高度角,角,H=arctan(AB/BAx)。角L即为该时刻太阳的方位角,用量角器直接量取。
将按公式计算出的数据与实地测量的数据进行对比,绘制成如下表格:(由于时间有限,所以我们值测量了8到17时的数据。)
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时刻 影长实地测量H (度) 模型计算H 实地测量L 模型计算L (度) 1.05855 12.6763 23.9987 34.5782 43.7036 50.2192 52.6511 50.2192 43.7036 34.5782 23.9987 12.6763 1.05855 (度) 未测量 未测量 (h) (cm) 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 (度) 91.3061 81.7422 71.3635 59.1423 43.7361 23.8488 0 23.8488 43.7361 59.1423 71.3635 81.7422 91.3061 未测量 未测量 未测量 未测量 40.1 25.5 18.6 15.2 13.5 15.3 18.2 24.2 39.6 79.1 23.9359 34.9165 43.7409 49.5049 52.8223 49.3192 43.3634 36.3358 24.2036 12.6821 72 60 45 23 未测量 24 44 59 70 81 未测量 未测量 未测量 (由于时间有限,所以我们值测量了8到17时的数据。)
计算平均相对误差(及每项相对误差的平均值,计算公式以省略。)
EH=1.17% EL=1.92%
所计算的平均误差在科学允许的误差范围之内,因此此模型可以使用。
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五、模型的评价与改进
在建模的过程中,我们没有充分的考虑到地球大气层对太阳光线的折射与散射。而且公式中的φ,我们带入的是大连地区的纬度,并不是大连海事大学综合楼的实际纬度。这就使得按照公式(5)(6)算出来的太阳高度角、太阳方位角与真实值相比是有误差的。此外,学校的教学楼的朝向并不是严格的正南方向,我们测量结果为南偏东10°左右。这就对太阳能版面的指向产生一定的影响。
在实地测量的过程中,由于测量的时间并不是我们计算式用的整点时刻,以及所用测量仪器较为简单,测量误差较大,这也会对实地测量结果产生一定的影响。
如果考虑到上述因素,再考虑的经济成本、旋转时所需要的能量,安装时的要求、周围建筑的遮挡,太阳能版面与板面的遮挡等等诸多因素。此外,对于太阳能电池板的自身设计而言,排列方式是行列式还是同心圆式?是单块面板还是多块面板?所以凭我们现在所学知识,还不能够在短时间内建立出一个如此高级的数学模型。但我们相信,随着我们所学知识的不断深入,所积累的经验不断丰富,我们一定能够建立出更加精确的数学模型。
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六、声明与参考文献
本组成员郑重声明:所呈交的数学建模论文,是本组成员独立研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。所有的数据都由本组成员计算得出,保证有理有据。所有的借鉴的图像均已表明来源,其余图象都是本组成员自行绘制的。本文中借鉴参考资料的地方均在文中明确标出。
本组成员完全意识到本声明的法律责任由本组成员承担。
参考资料来源《百度百科》 大连海事大学图书馆
组员签名:
2010年11月21日
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