Potencjał energii słonecznej w Polsce



Pobieranie 85.95 Kb.
Data06.05.2016
Rozmiar85.95 Kb.


Potencjał energii słonecznej w Polsce



1. Wstęp

Przez kilka dziesięcioleci kreowano w Polsce gospodarkę energetyczną opartą na krajowych złożach węgla kamiennego i brunatnego. W świadomości społecznej zakorzenił się stereotyp zaspakajania potrzeb cieplnych, także tych lokalnych i indywidualnych, metodą spalania paliw stałych . Transformacja gospodarki w kierunku rynkowym , w powiązaniu z rosnącymi wymogami ekologicznymi, ujawniła krytyczny stan polskiego górnictwa węglowego. Pojawiła się potrzeba zaspakajania potrzeb energetycznych z innych, odnawialnych źródeł energii, do których zalicza się energię cieków wodnych, słoneczną, wiatru geotermalną, biogazu. Często te źródła energii określa się mianem niekonwencjonalnych.

Wykorzystanie źródeł odnawialnych w Polsce pomimo zauważalnego postępu w tej dziedzinie Stanowiło do roku 1997 margines gospodarki energią . Wyjątkiem są elektrownie wodne włączone w system elektroenergetyki zawodowej . Stanowią one tzw. małą energetykę, która po latach zastoju jest obecnie w fazie odbudowy. Energia elektryczna z tych elektrowni stanowi około 3% produkcji krajowej.

Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w celach grzewczych jest w Polsce wciąż niewielkie. Zinwentaryzowanie krajowych wdrożeń systemów słonecznych jest trudne, gdyż są to z reguły wykonania jednostkowe niewielkich rozmiarów. Szacuje się, że zainstalowano do roku 1997 ok.10000 m 2 powierzchni kolektorów powietrznych i ok. 1500 m2 kolektorów cieczowych do podgrzewania wody użytkowej.

Sytuacja urbanistyczna regionów typowo wiejskich wpływa na charakter gospodarki energią. Ze względu na małe zagęszczenie budynków praktycznie nie ma możliwości budowy sieci ciepłowniczej, a ewentualna gazyfikacja jest dość kosztowna . Duże obszary wiejskiej zwykle są oddalone od centrów energetycznych . Zaopatrzenie w tradycyjne nośniki energii gorsze, a także po wyższych cenach. To właśnie one stanowią dobrą lokalizację dla wykorzystywania energii słonecznej dla celów grzewczych.

2. Zasoby helioenergetyczne Polski

W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się trzy składowe promieniowania : bezpośrednie, rozproszone i odbite . Promieniowanie bezpośrednie pochodzi od widocznej tarczy słonecznej , a jego kierunek padania jest uzależniony od aktualnej wysokości Słońca . Promieniowanie rozproszone powstaje na skutek wielokrotnego załamania na składnikach atmosfery i jest emitowane przez całą sferę. Promieniowanie odbite od najbliższego otoczenia związane jest z występującymi elementami krajobrazu i architektury, które część padającego na nie promieniowania odbijają w kierunku rozpatrywanej powierzchni.

Dla oceny spodziewanych efektów eksploatacji słonecznych instalacji grzewczych niezbędna jest znajomość zasobów energii słonecznej , zarówno na płaszczyznach nachylanych. Szczególnie przydatne są dane dotyczące płaszczyzn o orientacji południowej uznawanej za optymalną dla kolektorów słonecznych.

Dawka roczna napromienienia słonecznego 1m 2 płaszczyzny poziomej wynosi w Warszawie przeciętnie 967 kWh, przy usłonecznieniu 1580 godzin. Usłonecznienie jest to liczba godzin z bezpośrednio widoczną tarczą słoneczną . W poszczególnych latach mogą występować odchylenia do 12% . Na obszarze Polski obserwuje się niewielkie różnice regionalne w zasobach energii słonecznej ( tabela 1) . Pod względem warunków słonecznych wyróżnia się pas Wybrzeża , z tym że z powodu silnych wiatrów Wybrzeże Gdańskie jest mniej atrakcyjne niż Środkowe i Szczecińskie, oraz krańce wschodnie ( Podlasie, Lubelszczyzna i Zamojszczyzna). W szerokim spojrzeniu na problemy konkurencyjności energetyki słonecznej warto zaznaczyć iż właśnie w wymienionych regionach ceny węgla kamiennego są wyższe od średniej krajowej, a i w planach różnicowania cen energii elektrycznej przewiduje się tu wzrost do 5% powyżej taryfy bazowej.



Tabela 1. Zasoby energii słonecznej w wybranych regionach Polski

Region Polski

Przeciętna roczna dawka napromieniowania słonecznego w kWh/m2

Przeciętne roczne usłonecznienie w godzinach

Stołeczny

967

1580

Suwalszczyzna

975

1576

Podhale

988

1467

Dolny Śląsk

1030

1529

Zamojszczyzna

1033

1572

Pas nadmorski

1064

1624

Dla słonecznych instalacji grzewczych bardzo ważny jest rozkład dawek napromienienia w ciągu roku Na płaszczyznę poziomą w porze ciepłej ( kwiecień-październik) pada 80-85% energii całorocznego, natomiast na płaszczyznę eksponowaną w kierunku południowym pod zmiennym okresowo kątem nachylenia -75-80% . Dla porównania pora chłodna ( listopad- marzec) charakteryzuje się w Polsce nie tylko niską dawką napromienienia całkowitego, ale także zwiększonym udziałem promieniowania rozproszonego, mniej istotnego w procesie pozyskiwania energii w kolektorach słonecznych .Jeśli dodać, że w tym czasie spada temperatura otoczenia, a prędkość wiatru jest wyraźnie wyższa niż w porze ciepłej to oczywistym staje się, że eksploatacja instalacji słonecznych w miesiącach listopad-marzec daje znikome efekty. Panuje pogląd, że w polskich warunkach klimatycznych energię słoneczną warto pozyskiwać tylko w sezonie ciepłym, to znaczy od kwietnia do października.

W Polsce preferowane są instalacje słoneczne do podgrzewania wody użytkowej oraz do suszenia płodów rolnych. W tych rozwiązaniach nie stosuje się długookresowej akumulacji energii słonecznej. Dlatego też ważną informacją dla pełnej oceny zasobów energii słonecznej w różnych okresach jest spodziewana liczba dni z dawkami napromienienia przekraczającymi daną wartość progową. Maksymalna dawka dzienna napromienienia płaszczyzny nachylonej może osiągnąć 8,2 kWh /m2, ale tak sprzyjające warunki atmosferyczne zdarzają się dosyć rzadko. W tabeli 2 przedstawiono wydajność kolektorów cieczowych w zależności od dziennej dawki napromienienia słonecznego.



Tabela 2. Obliczona wydajność kolektorów cieczowych w zależności od dziennej dawki napromienienia słonecznego.

Temperatura podgrzewanej wody [oC]

Ilość wody w dm3 w ciągu dnia z 10 m2 kolektorów przy dziennej dawce napromienienia słonecznego wynoszącej

3,0 kW*h/m2

4,5 kW*h/m2

6,0 kW*h/m2

40

330

660

1020

50

150

340

550

60

60

170

330

70

20

80

190

Przykładowo więc przy dobowej dawce napromienienia rzędu 3,0 kWh m2 można uzyskać około 330 dm2wody podgrzanej do temperatury 400C, przy dawce 4,5 kWh/m2 dwa razy więcej, a przy 6,0 kWh/m2 ponad trzykrotnie więcej.

W analizie zasobów energii słonecznej istotny jest kąt nachylenia rozpatrywanej płaszczyzny. Zagadnienie to jest istotne zwłaszcza na etapie projektowania instalacji. W tabeli 3 zestawiono optymalne wartości kątów dla ekspozycji południowej według kryterium maksymalizacji energii promieniowania całkowitego.



Tabela 3 Optymalne kąty nachylenia płaszczyzn eksponowanych w kierunku południowym.

Dla promieniowania całkowitego

Kąt nachylenia względem poziomu, w stopniach

miesiąc

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

IV-X

I-XII




60

55

45

30

15

10

15

30

45

55

65

65

23

30

3.Pozyskiwanie energii w kolektorach słonecznych

Kolektory są urządzeniami energetycznymi , które zaabsorbowaną energię promieniowania słonecznego przetwarzają w energię cieplną przy pomocy pośredniczącego w tej transformacji medium roboczego. Do podgrzewania wody użytkowej najczęściej wykorzystywane są płaskie kolektory słoneczne. Ich podstawowymi elementami konstrukcyjnymi są: pokrywa przeźroczysta ( zazwyczaj szklana ), absorber- wykonany jako metalowa płyta pokryta powłoką o specjalnych własnościach optycznych, rurociąg cieczowy mocowany do absorbera ( czasem stanowiący z nim jedną całość ), izolacja cieplna znajdująca się pod absorberem oraz obudowa.

Do bardziej nowoczesnych, ale też znacznie droższych, konstrukcji należą tubowe kolektory próżniowe, z wyższą sprawnością przetwarzające energię rozproszonego promieniowania słonecznego. ten typ kolektora składa się z kilku do kilkunastu rur szklanych o wysokiej próżni wewnątrz. W każdą rurę próżniową wbudowany jest absorber z zamocowaną rurką, w której nagrzewa się czynnik roboczy. próżnia gwarantuje minimalne straty ciepła do otoczenia.

Zasada transformacji energii słonecznej w użyteczną formę energii cieplnej jest jednakowa, bez względu na rodzaj i typ kolektora. Opiera się ona na wykorzystaniu własności cieplnych " czarnych" powłok. Szkło i inne pokrywy przezroczyste w wysokim stopniu przepuszczają padające na nie promieniowanie słoneczne. Umieszczony pod pokrywą absorber pochłania (absorbuje) przepuszczone promieniowanie nagrzewając się, a o intensywności procesu absorpcji i nagrzewania decyduje struktura jego powierzchni. Energia cieplna jest odbierana z płyty absorbera rurociągami cieczowymi, w których czynnik roboczy podgrzewa się do temperatury zależnej od intensywności napromienienia słonecznego oraz od natężenia przepływu czynnika.

W instalacjach niskotemperaturowych ( np. podgrzewanie wody w basenach w sezonie ciepłym) spotyka się kolektory bez pokrywy czołowej. Mogą one pracować nawet z większą wydajnością cieplną od kolektorów standardowych, wtedy gdy temperatury otoczenia są dość wysokie, a wymagana temperatura podgrzewania nie przekracza 300C.

Sprawność kolektora jest funkcją jego parametrów konstrukcyjnych ( użyte materiały , izolacje termiczne, układ rurociągu), ale także i eksploatacyjnych ( wydatek czynnika, napromienienie, prędkość i kierunek wiatru , obciążenie cieplne ). Im wyższe uzyskiwane przyrosty temperatur czynnika, tym niższa sprawność transformacji energii.



4. Schematy ideowe

Najprostszą, a zarazem najtańszą instalacją do podgrzewania wody jest instalacja grawitacyjna (termosyfonowa). Na rysunku 1 przedstawiono schemat takiej instalacji w wersji z obiegiem bezpośrednim i pośrednim. W instalacjach grawitacyjnych przepływ czynnika odbywa się samoczynnie wskutek unoszenia do góry cieplejszych mas ( o mniejszej gęstości ). Taki obieg jest jednocześnie samosterowany, to znaczy intensywność ruchu medium zależy od różnicy temperatur pomiędzy górnymi partiami kolektorów, a dolną częścią zbiornika. Brak pompy i układu automatycznego sterowania to niewątpliwe zalety instalacji grawitacyjnych, które w swojej najprostszej wersji mogą pracować także na terenach pozbawionych zasilania elektroenergetycznego. Jednak warunkiem ich sprawnego funkcjonowania jest odpowiednia konfiguracja. Zbiornik powinien być ustawiony pionowo i umieszczony 30-40 cm powyżej górnej krawędzi kolektorów. W celu minimalizacji oporów hydraulicznych kolektory należy łączyć równolegle, a ponadto ograniczać długość rurociągów, unikać przewężeń ich przekroju i stosować tylko niezbędne załamania. Inną wadą w praktyce spotykanych instalacji grawitacyjnych w wersji z obiegiem bezpośrednim jest wyłączenie z eksploatacji w okresie występowania temperatur ujemnych ( w Polsce od 20 października do 30 kwietnia ) oraz przyśpieszone zużycie absorbera w kontakcie z wodą wodociągową bądź studzienną. Można wprawdzie zastosować obieg pośredni z niezamarzającym i uzdatnionym czynnikiem, ale wówczas niezbędny wymiennik ciepła stanowi duże opory przepływu i zmniejsza wydajność cieplną takiej instalacji.

Bardziej uniwersalne cechy użytkowe posiadają instalacje z aktywnym czyli wymuszonym obiegiem czynnika w układzie kolektory słoneczne - zbiornik akumulacyjny. Obieg czynnika uruchamia zazwyczaj jednofazowa pompa bezdławnicowa. W rozwiązaniu klasycznym jej pracą steruje regulator różnicowy temperatur. Uruchomienie pompy następuje wtedy, gdy temperatura czynnika mierzona na wylocie z kolektorów przekracza o zadaną wartość temperaturę mierzoną w dolnej części zbiornika akumulacyjnego . Cyrkulacja czynnika trwa do momentu zrównania obu temperatur. Cykl następnie powtarza się jeśli warunki atmosferyczne pozwalają na dalsze podgrzewanie w kolektorach. Na obszarach pozbawionych sieci elektroenergetycznej możliwy jest napęd pompy dzięki energii pozyskiwanej z ogniw fotowoltaicznych. Taki układ charakteryzuje się pewną samosterownością -wydajność pompy jest proporcjonalna do intensywności napromienienia słonecznego ogniwa.

Instalacje słoneczne z aktywnym obiegiem kolektorowym mogą podgrzewać wodę bezpośrednio, albo pośrednio. Różnice w konstrukcji i eksploatacji obu tych wersji są groźne, z racji ciśnienia panującego w całej instalacji wodnej. Obieg bezpośredni można zastosować jeśli woda nie jest agresywna chemicznie. Wykonanie samodzielne instalacji słonecznej z obiegiem aktywnym bezpośrednim jest możliwe w oparciu o zakupione kolektory słoneczne. Natomiast prawidłowe zaprojektowanie i zbudowanie instalacji słonecznej z obiegiem aktywnym pośrednim uważanej za rozwiązanie w pełni profesjonalne wymaga raczej zaangażowania fachowej firmy.

Sterowanie pracą słonecznej instalacji grzewczej z obiegiem aktywnym realizowane jest automatycznie. W najprostszej konfiguracji wystarczy odpowiadający za obieg kolektorowy regulator różnicowy temperatur współpracujący z dwoma czujnikami temperatur oraz termostat określający tryb pracy konwencjonalnego segmentu grzewczego. Producenci instalacji słonecznych oferują wielozadaniowe regulatory z zestawami czujników, dostosowane do danego rozwiązania. Kolektory najczęściej montowane są na dachach budynków mieszkalnych lub gospodarczych. Najlepiej jeśli znajdują się bezpośrednio nad punktami rozbioru wody ( łazienki, kuchnie itp.). Ogranicza się w ten sposób długość rur łączących zmieniając straty energii cieplnej. Oznacza to, że już na etapie projektowania budynku powinna być rozważona ewentualna możliwość budowy instalacji słonecznej, można wówczas odpowiednio zaprojektować układ mieszkania i rozlokować punkty czerpalne ciepłej wody. Jeśli natomiast do istniejących już budynku dobudowany jest zestaw kolektorów, musimy przyjąć w założeniach istniejącą orientację budynku i pochylenie dachu, a ponadto trzeba się liczyć z koniecznością znacznej przebudowy połączeń wodociągowych.

6. Rozmiary instalacji ciepłej wody użytkowej

Podstawowym problemem w projektowaniu instalacji jest ustalenie pola powierzchni (liczby) kolektorów. Występuje tu oczywisty związek z zapotrzebowaniem energii do realizacji wspomaganego procesu grzewczego. Teoretycznie można rozbudować instalację słoneczną do takich rozmiarów, że przy wykorzystaniu systemu akumulacyjnego możliwe byłoby pokrywanie zapotrzebowania energii w danym procesie w blisko 100%-ach. Nie jest to jednak racjonalne gdyż po przekroczeniu pewnej wartości powierzchni instalacji, każda następna dołączana jednostka ma niewielki udział w efektach energetycznych, podnosząc jedynie koszt inwestycji.

Dobór liczby kolektorów wymaga zatem ustalenia jakie jest zapotrzebowanie energii w danym procesie grzewczym oraz określenia uzasadnionego poziomu pokrycia tego zapotrzebowania przez energię słoneczną.

Dobór liczby kolektorów opiera się na założeniu, że w okresie letnim mają zapewnić prawie 100% energii potrzebnej do podgrzania wody użytkowej do temperatury 450C w ilości odpowiadającej dobowemu zużyciu. W przypadku kolektorów płaskich ich łączna powierzchnia powinna wynosić 1,5-3,0m2 w przeliczeniu na 100 dm3 dobowego rozbioru ciepłej wody. Natomiast w przypadku kolektorów próżniowych wystarczy 1,2-1,6 m2 /100dm3.

Zwiększenie liczby kolektorów jest równoznaczne z osiąganiem wyższych temperatur w zbiorniku Solarnym, zatem wzrasta udział energii słonecznej w procesie przygotowania ciepłej wody. Jednocześnie spada sprawność pracy kolektorów i całej instalacji słonecznej. W polskich warunkach klimatycznych przekroczenie poziomu 3,5m2 kolektorów w przeliczeniu na 100dm3 ciepłej wody z energetycznego i ekonomicznego punktu widzenia nie jest wskazane. Powyżej tej granicy przyrost powierzchni instalacji nie daje proporcjonalnych do kosztów efektów cieplnych. Natomiast redukowanie liczby kolektorów obniża temperaturę pracy instalacji, co poprawia jej sprawność. Jednakże poniżej 1,5 m2/100dm3 sens przedsięwzięcia jest wątpliwy z racji mało satysfakcjonującego stopnia wspomagania konwencjonalnego ogrzewania.

Producenci instalacji słonecznych w swoich prospektach reklamowych zalecając na przykład 3m2 kolektorów na 100dm3 ciepłej wody zapewniają 80-90%-owy udział energii słonecznej w jej podgrzewaniu od maja do września oraz ok. 60%-owy w skali całego roku. Należy jednak zwrócić uwagę, że chodzi tu raczej o udział w podgrzaniu do 45-500C, co nie jest równoznaczne ze stopniem pokrycia zapotrzebowania energetycznego pełnego procesu przygotowania ciepłej wody . W rzeczywistości należy uwzględnić wymaganą temperaturę w zbiorniku na poziomie 600C oraz fakt stałego występowania strat ciepła przez izolację ogrzewacza. Zatem zasilając ogrzewacz wodą podgrzaną w zbiorniku solarnym do 500C można pokryć jego całkowite zapotrzebowanie energetyczne tylko w ok. 70%-ach. Trzeba więc przyjąć, że przy zastosowaniu kolektorów o powierzchni 3m2 udział energii słonecznej w przygotowaniu 100dm3 ciepłej wody może wynosić ok. 70% w miesiącach letnich i do 50% w skali roku.

Objętość zbiornika akumulacyjnego przyjmuje się na podstawie przeciętnego dobowego rozbioru ciepłej wody w obiekcie. Dla większych instalacji słonecznych o znacznych wahaniach rozbioru zaleca się objętość zbiornika akumulacyjnego odpowiadającą 1,5-krotnemu zapotrzebowaniu. Dobrze zaizolowane zbiorniki ofertowe na rynku wyposażone są w wymienniki płaszczowe, a częściej w rurociągowe wykonane z miedzi ( średnica 18 albo 22mm) albo stali nierdzewnej ( Średnica ľ" albo1"). Powierzchnia wymiany ciepła w tych wymiennikach wynosi 0,6-1,2m2 na 100dm3 pojemności zbiornika, co dla konstrukcji rurowej oznacza 10-20mb/ 100dm3. W praktyce przy doborze rozmiarów instalacji słonecznych korzysta się z uproszczonych algorytmów obliczeniowych lub nomogramów. Producenci opracowują je na podstawie wyników symulacji komputerowych z wykorzystaniem programów szczegółowo opisujących wymianę ciepła w kolektorach i zbiornikach w warunkach nasłonecznienia o typowym dla rozpatrywanej lokalizacji przebiegu i dla standardowych harmonogramów rozbioru ciepłej wody. Istnieje szereg czynników warunkujących opłacalność wdrażania słonecznych systemów grzewczych. Jeden z najważniejszych jest wielkość zasobów energii słonecznej, zarówno w kontekście pewnego zróżnicowania na terenie Polski jak też w zależności od kierunku kąta i ekspozycji. Drugim bardzo istotnym dla potencjalnych inwestorów warunkiem powodzenia przedsięwzięcia jest właściwy wybór obiektu, w którym słoneczny system grzewczy ma być zastosowany. Przede wszystkim trzeba rozstrzygnąć jaki nośnik energii będzie zastępowany energią słoneczną. Najbardziej atrakcyjnym wydaje się wspomaganie instalacji grzewczych o najwyższych kosztach wytwarzania energii cieplnej. Po analizie kosztów wytwarzania ciepła z konwencjonalnych nośników należy ustalić jaką wydajność osiągnie wspomagająca instalacja słoneczna. Precyzyjne podanie spodziewanych efektów nie jest łatwe, zależą one bowiem od wielu czynników związanych z konkretnym wdrożeniem. Ostrożnie trzeba traktować wyliczenia zamieszczane w materiałach reklamowych, które są naturalnie dość optymistyczne. Na pewno nie do przyjęcia są sugestie odnośnie możliwości wykorzystania 800-1000kWh z 1-go m2 powierzchni kolektorów w ciągu roku. Realne natomiast są zapowiedzi oszczędności na poziomie 400-500 kWh, ale można je osiągnąć tylko wtedy, gdy przyjęta powierzchnia kolektorów jest stosunkowo mała i możliwie w warunkach idealnego przebiegu eksploatacji. Chodzi tu o między innymi o zastosowanie względnie małej powierzchni kolektorów - 1,5m2 w przeliczeniu na 100dm3 rozbioru ciepłej wody, co jednak dałoby pokrycie zapotrzebowania ogrzewacza w niej więcej niż 30%-ach. Projektując większe rozmiary instalacji : 2,5-3,0 m2 kolektorów na 100dm3 ( co jest bardziej racjonalne ) i biorąc pod uwagę rzeczywiste warunki pracy można liczyć ok. 350 kWh oszczędności z każdego m2.

O rentowności instalacji słonecznej decydują wreszcie koszty poszczególnych zespołów i wykonawstwa. Traktując Wykonanie instalacji jako etap budowy obiektu lub zakładając znaczne zaangażowanie użytkownika nakłady na robociznę nie będą duże. Pozostają zatem niezależne od inwestorów ceny rynkowe elementów składowych. Producenci i dystrybutorzy instalacji słonecznych chętnie oferują gotowe zestawy montowane "pod klucz".



7. Słońce jako źródło promieniowania

Słońce jest źródłem energii dla wszystkich procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych zachodzących na Ziemi i w atmosferze, a jego promieniowanie najważniejszym czynnikiem środowiskowym dla życia.

Ilość energii słonecznej docierającej w ciągu 1 sekundy do powierzchni 1 m2, prostopadłej
do promieni słonecznych i leżącej tuż poza atmosferą w średniej odległości Ziemi od Słońca (149.5 mln km) nazywa się stałą słoneczną. Jej wartość określono na 1367 ą 7 W m -2. Stała słoneczna zależy od odległości Słońce - Ziemia, która zmienia się w ciągu roku od 147 mln km w styczniu do 152 mln km w lipcu powodując wahania wartości stałej słonecznej ą 3.4 %. Znając wartość stałej słonecznej można obliczyć ile energii docierałoby do powierzchni Ziemi na różnych szerokościach geograficznych gdyby pominąć wpływ atmosfery. Dla obszaru Polski potencjalne sumy roczne energii słonecznej wahają się od 8400 MJ m-2 (2340 KWh m-2) dla północnych krańców do 9250 MJ m-2 (2573 KWh m-2) dla południowych. Na granicy atmosfery nad szerokością geograficzną Warszawy suma ta wynosi 8768 MJ m-2 (2438 KWh m-2)

Słońce wysyła w przestrzeń międzyplanetarną promieniowanie elektromagnetyczne rozciągające się w zakresie długości fal lub częstotliwości od promieniowania gamma przez: rentgenowskie, ultrafiolet, widzialne, podczerwień, aż do fal radiowych. Atmosfera przepuszcza tylko część promieniowania w dwóch przedziałach długości fal: promieniowanie optyczne (obejmujące część ultrafioletu, widzialne i podczerwień) oraz fale radiowe.

Do powierzchni Ziemi nie dociera zupełnie promieniowanie ultrafioletowe poniżej 290nm (nanometrów). Ze względu na oddziaływanie biologiczne i chemiczne promieniowania ultrafioletowego dzielimy je na pasma:

. 10 - 200 nm - nadfiolet próżniowy

. 200 - 280 nm - daleki nadfiolet UV-C

. 280 - 315 nm - średni nadfiolet UV-B

. 315 - 400 nm - bliski nadfiolet UV-A

Obszar widmowy 400 nm do 780 nm obejmuje promieniowanie widzialne, a powyżej 780 nm do 375 m m (mikrometrów) określamy jako promieniowanie podczerwone lub podczerwień. Promieniowanie Ziemi i atmosfery zawarte jest w obszarze widma 4 - 120 m m . Przy przepływie promieniowania słonecznego przez atmosferę następuje jego odbicie, absorpcja i rozproszenie. Promieniowanie słoneczne dochodzące do powierzchni Ziemi podzielić można na dwie składowe :



  • promieniowanie bezpośrednie, dochodzące z tarczy słonecznej do powierzchni recepcyjnej

  • promieniowanie rozproszone w atmosferze, dochodzące ze wszystkich stron do powierzchni recepcyjnej

P
romieniowanie słoneczne w systemie Ziemia - atmosfera

Promieniowanie słoneczne trafiając do systemu Ziemia - atmosfera powoduje powstanie w nim wielu procesów z których najważniejszy to obieg energii i wody.

Jak przedstawiono na rys dopływ promieniowania do powierzchni Ziemi powoduje nierównomierne nagrzanie się jej fragmentów, wywołujące różnice temperatur i ciśnienia, które z kolei są przyczyną ruchu powietrza i wody, w wyniku czego powstaje cyrkulacja atmosferyczna oraz obieg wody przez parowanie i kondensację pary wodnej. W następstwie zaś wzajemnego oddziaływania głównych składowych systemu klimatycznego (sprzężenia zwrotne), czynniki cyrkulacyjne, związane z procesami wewnątrz - atmosferycznymi (zmienność zachmurzenia i przezroczystości napływających mas powietrza) odgrywają ważną rolę w modyfikowaniu czasowo - przestrzennego zróżnicowania ilości docierającej do powierzchni podłoża energii słonecznej.

Całkowity dopływ energii słonecznej do powierzchni Ziemi jest dość dokładnie poznany i skoro nie jest pewne, czy przez stulecia Ziemia stawała się wyraźnie cieplejsza, bądź chłodniejsza, to można założyć, że dopływ i oddawanie promieniowania musi się stale równoważyć. Bilans cieplny Ziemi można przedstawić w postaci równania:



Q* + QH + QE + QS + QM + QF = 0 ( 1)

Q* - bilans radiacyjny

QH - przewodzenie i magazynowanie ciepła w podłożu

QE - turbulencyjna wymiana ciepła jawnego

QS - turbulencyjna wymiana ciepła ukrytego związana z parowaniem i kondensacją

QM - ciepło antropogeniczne związane z działalnością człowieka

QF - ciepło zużyte w procesie fotosyntezy

W bilansie tym ilościowo najważniejszą rolę odgrywa bilans radiacyjny, przedstawiający energię docierającą do Ziemi od Słońca i wypromieniowaną przez Ziemię do atmosfery.

W równaniu bilansu radiacyjnego powierzchni Ziemi :

Q* = (S + D)(1 - a) + LŻ - L­ ( 2)

KŻ = S + D ( 3)

KŻ - promieniowanie całkowite

S - promieniowanie bezpośrednie Słońca

D - promieniowanie rozproszone Słońca i nieba

a - albedo

a = K­ / KŻ ( 4)

LŻ - promieniowanie długofalowe atmosfery

L­ - promieniowanie długofalowe Ziemi i odbite atmosfery

K­ - krótkofalowe promieniowanie odbite



L* = LŻ - L­ ( 5)

L* - promieniowanie efektywne

przy czym:

w dzień Q* = K* + L*

w nocy gdy nie ma promieniowania słonecznego Q* = L*

Ważną charakterystyką jest też usłonecznienie tzn. czas trwania bezpośredniego promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni Ziemi.



8. Pomiary promieniowania słonecznego w Polsce

W Polsce pomiary i badania dopływu promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi prowadzone są na stacjach aktynometrycznych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Podstawę informacji aktynometrycznej stanowią charakterystyki radiacyjne:



  • otrzymane z bezpośrednich pomiarów

  • obliczone w oparciu o wyniki pomiarów aktynometrycznych

  • uzyskane z obliczeń w oparciu o znajomość innych elementów meteorologicznych

Parametry mierzone

  • promieniowanie rozproszone Słońca i nieba

  • promieniowanie bezpośrednie Słońca

  • promieniowanie całkowite

  • promieniowanie odbite i albedo powierzchni czynnej

  • integralny bilans radiacyjny powierzchni czynnej

  • bilans promieniowania krótkofalowego (promieniowanie pochłonięte)

  • bilans promieniowania długofalowego (promieniowanie efektywne)

  • promieniowanie spektralne (w tym UV)

  • usłonecznienie

Parametry obliczane na podstawie standardowych pomiarów aktynometrycznych

  • oświetlenie naturalne

  • promieniowanie aktywne w fotosyntezie (PAR)

  • długofalowe promieniowanie atmosfery

  • przezroczystość atmosfery

  • napromieniowanie powierzchni pionowych i nachylonych różnie usytuowanych

Parametry uzyskiwane na podstawie pomiarów meteorologicznych

  • promieniowanie całkowite

  • promieniowanie pochłonięte (PAR)

  • promieniowanie efektywne

  • bilans radiacyjny

  • wiarygodność informacji aktynometrycznej

Rodzaje informacji aktynometrycznej

  • Chwilowe i godzinne wartości bilansu radiacyjnego i jego składników oraz ekstrema

  • sumy dobowe, pentadowe, dekadowe, miesięczne, roczne i wieloletnie

  • prawdopodobieństwo wystąpienia poszczególnych wartości i przedziałów, modele statystyczne, nomogramy, mapy rozkładów przestrzennych itp.

  • charakterystyki spektralne w tym PAR i UV

  • promieniowanie dopływające na różne nachylone powierzchnie czynne

  • wskaźniki aktynometryczne (np. transmisji, przezroczystości atmosfery, albedo)

  • określenie zasobów i stref

9. Czynniki astronomiczne i usłonecznienie

Polska jest położona w strefie klimatu umiarkowanego między 49 a 54.5 0 szerokości geograficznej północnej. Przedział dzienny (czas od wschodu do zachodu Słońca) obejmuje ponad


51 % z 8767 godzin w średnim roku, a północne krańce mają ten okres o 24 h dłuższy niż południowe. W zimie południowe krańce Polski mają dzień dłuższy o prawie 1 godzinę od krańców północnych, natomiast w lecie jest odwrotnie. W czerwcu godziny dzienne na pół- nocy obejmują 71.5 % godzin miesiąca, w centrum Polski 69 %, a na południu 67 %.
W grudniu sytuacja zmienia się i na północy godzin dziennych jest tylko 29.5%, w centrum 31.7 %, a na południu 34.7 %.

W celu zilustrowania podziału doby, w poszczególnych miesiącach, na okresy pod względem przydatności ich dla potrzeb wykorzystania energii słonecznej, przedstawiono histogramy dla Warszawy z okresu 1961 -1990 (rys 2 ).

Patrząc od góry każdego histogramu wyodrębniono przedział nocny, w danym miesiącu,
w którym nie dochodzi energia słoneczna. Poniżej, aż do podstawy histogram obejmuje godziny przedziału dziennego. Dla np. czerwca jest to ok. 500 h, z tego 216 h, to godziny w czasie których Słońce jest zakryte przez chmury i do powierzchni Ziemi dociera wyłącznie promieniowanie rozproszone nieba. Następnie zaznaczono maksymalną liczbę godzin ze Słońcem (283 h ), średnią (231 h) i minimalną (175 h). W skali roku usłonecznienie, tzn. przedział czasu w którym do powierzchni Ziemi dochodzi bezpośrednie promieniowanie słoneczne powyżej przyjętego progu 120 W m-2 obejmuje 15 do 21 % wszystkich godzin roku.
R
ys. 4 Przebieg

Oprócz długości dnia i usłonecznienia na wielkość natężenia bezpośredniego promieniowania słonecznego wpływa też wysokość Słońca, przezroczystość atmosfery i zachmurzenie.


W tabl. podano dla Warszawy wszystkie te czynniki dla 15 -ego dnia każdego miesiąca. Zostaną one szczegółowo omówione przy charakteryzowaniu przebiegu dobowego promieniowania słonecznego.

Tabela 4 Czynniki astronomiczne dla 15-ego dnia każdego miesiąca oraz ocena stanu atmosfery


w okresie 1961 - 1990 w Warszawie
1
0. Przebieg dobowy składników bilansu radiacyjnego

Typowe dobowe przebiegi bilansu radiacyjnego i wartości jego składowych przedstawiono na rys. 6 dla bezchmurnego dnia letniego i zimowego w środkowej części Polski (Sulejów j =510 21' N, l = 19 0 52' E, h npm. = 188m).

R
ys. 3 Przebieg dobowy składników bilansu radiacyjnego w dniu bezchmurnym w Sulejowie

W nocy występuje strata promieniowania, ponieważ promieniowanie słoneczne nie uzupełnia ubytku promieniowania długofalowego. Straty te zależą od temperatury i zdolności emisyjnej powierzchni czynnej. Na stacjach meteorologicznych powierzchnię czynną stanowi trawnik,


z ewentualną pokrywą śnieżną w okresie zimowym.

Od wschodu Słońca do jego kulminacji obserwujemy wzrost krótkofalowych składników bilansu radiacyjnego, a następnie powolny ich spadek aż do zachodu Słońca. Na omawianym rysunku wyraźnie zaznacza się wpływ długości dnia i wysokości Słońca nad horyzontem na obserwowane wartości. W styczniu długość dnia nie przekracza 8 h, a w czerwcu dochodzi do 16.5 h, natomiast wysokość Słońca 29 stycznia osiągnęła 20.4 0 , podczas gdy 6 czerwca przekroczyła podczas kulminacji 610 nad horyzontem.

Pomimo zbliżonych w południe wartości bezpośredniego promieniowania Słońca dochodzące- go do powierzchni prostopadłej do kierunku padania promieni słonecznych (844 Wm-2 - 6. VI i 811 Wm-2 - 29.I) powierzchnia horyzontalna otrzymała w tym czasie 280 Wm-2 w styczniu i 740 Wm-2 w czerwcu.

Suma dzienna promieniowania całkowitego była ponad 4 razy wyższa 6 czerwca (30 MJ m-2) od tej z 29 stycznia (7 MJ m-2). Udział promieniowania rozproszonego w promieniowaniu całkowitym stanowił 20 % - 6.VI i 27 % - 29.I.96 r.

Albedo dla powierzchni trawnika wyniosło 24 % 6.czerwca, a 56 % 29 stycznia z uwagi na zalegającą wówczas pokrywę śnieżną. Pełny bilans radiacyjny dla 6 czerwca był dodatni
i osiągnął 14 MJm-2, natomiast 29 stycznia tylko w ciągu 5 godzin był dodatni, a suma dobowa była ujemna (1.2 MJm-2).

Najniższe sumy miesięczne występują w grudniu, później rosną do miesięcy letnich i następnie stopniowo maleją aż do grudnia. Sumy miesięczne w grudniu wahają się od 43 do 104, ze średnią 62 MJm-2, co stanowi 1.3 % sumy rocznej. Stopniowo rosnąc osiągają najwyższe wartości w czerwcu i lipcu. Najwyższą średnią miesięczną zanotowano w czerwcu (560 MJm-2), zaś największą amplitudę ekstremalnych wartości od 395 do 686 MJm-2 w lipcu. Udział średniej sumy miesięcznej czerwca w sumie rocznej wynosi ok. 16 %. Okres od maja do sierpnia skupia ok. 58 % sumy rocznej promieniowania całkowitego, podczas gdy od listopada do lutego tylko 8 % tej sumy.

Tabela. 5 Sumy roczne promieniowania całkowitego i usłonecznienia w wybranych miejscowościach

Miasto

Położenie geograficzne

Promieniowanie

Usłonecznienie




j 0 N

l 0 E

H npm.

całkowite
[MJ m-2 rok}

[h]

Helsinki

St. Petersburg

Sztokholm

Kowno


Gdynia

Kołobrzeg

Suwałki

Mikołajki



Hamburg

Poczdam


Warszawa

Londyn


Kijów

Zakopane


Paryż

Wiedeń


Budapeszt

Rzym


60 0 19'

59 0 18'

59 0 21'

54 0 53'

54 0 31'

54 0 11'

54 0 06'

53 0 47'

53 0 39'

52 0 23'

52 0 16'

51 0 31'

50 0 24'

49 0 18'

48 0 49'

48 0 15'

47 0 26'

41 0 48'



24 0 58'

30 0 18'

18 0 04'

23 0 53'

18 0 33'

15 0 35'

22 0 57'

21 0 35'

10 0 07'

13 0 06'

20 0 59'

0 0 07'

30 0 27'

19 0 57'

2 0 30'

16 0 22'

19 0 11'

12 0 35'



48

72

30



73

22

16



193

127


49

110


130

77

121



857

50

202



130

131


3495

3369


3479

3744


3667

3830


3525

3636


3421

3643


3477

3402


4230

3556


4068

3881


4320

4968


1740

1700


1700

1700


1624

1618


1577

1598


1533

1677


1600

1530


1877

1464


1658

1716


1830

2445


W takich krajach jak Szwecja, Niemcy, Francja pracują już urządzenia wykorzystujące energię słoneczną i dlatego można stwierdzić porównując sumy roczne promieniowania całkowitego i usłonecznienia, że warunki solarne Polski pozwalają na wykorzystanie ich do celów użytkowych.






©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna