Menu

Zasoby energii słonecznej

 Słońce


Słońce jest gwiazdą średniej wielkości nazywaną w terminologii astronomicznej "żółty karzeł". Posiada średnicę około 1,3 mln km i średnią gęstość 1,41 g/cm3.  Słońce składa się w 74% z wodoru i 25% z helu. Resztę stanowią inne pierwiastki. Temperatura na powierzchni Słońca wynosi 5500 °C, natomiast w jego jądrze dochodzi do 10.000.000 °C. Gęstość i temperatura Słońca rosną bardzo szybko wraz z głębokością. W jądrze gęstość materii dochodzi już do 150 kg/ cm3, a panujące ciśnienie przekracza 1016 Pa. Warunki takie sprzyjają zachodzeniu reakcji syntezy jądrowej (przemiana wodoru w hel) z wydzielaniem ogromnych ilości energii. Średnia ilość energii wypromieniowywana przez gwiazdę w ciągu sekundy wynosi 3,827x1027 W. Z punktu widzenia energetyki ważniejsza jest emisja promieniowania w odniesieniu do 1m2 Słońca. Wartość ta wynosi około 63000 kW, przy czym z uwagi na odległość od Ziemi 150 mln km energia jaka dociera do naszej planety wynosi już "tylko" 1367W/m2. Jest to tzw. "stała słoneczna".

Promieniowanie słoneczne

Dociera do ziemi w postaci fali elektromagnetycznej o długości  od 0,1 - 10 μm. Z tego tylko część fali o długości 0,35-0,75 stanowi światło widzialne. Pod względem energetycznym największą ilość energii niesie ze sobą światło widzialne 46 % i promieniowanie cieplne (podczerwone) 47%. Resztę 7% stanowi nadfiolet (promieniowanie UV).

Oprócz fali elektromagnetycznej energia Słońca dociera do Ziemi także w postaci korpuskularnej jako tzw. "wiatr Słoneczny", powstający w wyniku wybuchów na Słońcu.  Efekty w postaci zórz polarnych są widoczne w górnych partiach atmosfery.

Energia promieniowania słonecznego

Ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi jest mniejsza od stałej słonecznej z uwagi na straty energii po przejściu przez atmosferę. Straty te zachodzą wskutek odbicia (np. od chmur), rozproszenia czy absorpcji. Całkowita energia docierająca do powierzchni wynosi więc około 1000 W/m2.

Wartość ta dodatkowo ulega zmianie w zależności od pory roku i kąta padania promieni słonecznych. Im mniejszy kąt padania (mniejsza wysokość Słońca nad horyzontem) tym mniejsza ilość energii. Jest to związane z grubością warstwy atmosfery którą muszą pokonać promienie słoneczne przed dotarciem do ziemi. Zmianę natężenia promieniowania "I" dla szerokości geograficznej 52° (szerokość  geograficzna środkowej Polski), przedstawia rys. 2. Widać na nim, że największa gęstość strumienia słonecznego występuje w miesiącach letnich i wynosi około 900 W/m2, podczas gdy w zimie nie przekracza 200 W/m2.

 Natężenie promieniowania słonecznego w Polsce i na Świecie

Średnie miesięczne i roczne sumy całkowitego promieniowania słonecznego w Polsce wykazują dość duże zróżnicowanie terytorialne. W Polsce największa liczba słonecznych godzin w roku jest na Wybrzeżu (1671 h/a, Gdynia), trochę mniej w Warszawie (1600 h/a), najmniejsza na Śląsku (1234 h/a, Katowice). Jako normę dla Polski przyjmuje się wartość napromieniowania całkowitego w ciągu roku 3600 MJ/m2±10% (1000 kWh/m2).  Dla wykorzystania energii słonecznej interesująca jest energia promieniowania, zmierzona na zdefiniowanej powierzchni. Wartość ta nazywana jest natężeniem promieniowania i wyraża się w określonej mocy przypadającej na daną powierzchnię.
Natężenie promieniowania podawane jest w jednostce Watt na metr kwadratowy (W/m2) i może być bardzo różne. Przy silnie zachmurzonym niebie wynosi ono około 50 W/m2, natomiast przy czystym niebie jego wartość dochodzi do 1 000 W/m2.

 Dla obliczenia, jaka ilość promieniowania słonecznego faktycznie zamieniana jest w energię cieplną, trzeba uwzględnić czas trwania promieniowania. Energia ta jest iloczynem mocy i czasu, jednostką jej miary jest watogodzina (Wh). Energia promieniowania całkowitego podawana jest w sumach dziennych, miesięcznych i rocznych. Maksymalne sumy dzienne wynoszą w lecie ok. 8 kWh/m2. Ale nawet w słoneczny dzień zimowy wartość ta może wynosić do 3 kWh/m2.
 Uśrednione sumy roczne promieniowania całkowitego (w kWh/(m2 × a), gdzie „a” oznacza rok) wynoszą w Polsce między 950 a 1 050 kWh/(m2 × a) (średnia długoterminowa). Poszczególne sumy miesięczne energii promieniowania całkowitego mogą odbiegać od wartości średniej nawet o 50%  , poszczególne sumy roczne do 30 %.

 

W porównaniu do reszty świata Polska wypada bardzo blado, plasując sie na samym końcu krajów z opłacalna insolacją. Nasze nasłonecznienie w najkorzystniejszych regionach Polski nie przekracza 1200W/m2, podczas gdy na południu Europy sięga 4000 W/m2 a w najbardziej nasłonecznionych miejscach globu przekracza 7000 W/m2. Pod względem inwestycyjnym prym wiedzie tutaj zachodnie wybrzeże Stanów Zjednoczonych i Arabia Saudyjska. Dużym zainteresowaniem inwestorów cieszy się tez Australia. Poniżej mapka globalnej insolacji.

enersl25.jpg

Jak widać z powyższych rozważań, ilość energii słonecznej dostępnej na Ziemi jest bardzo zmienna. Zależy to nie tylko od szerokości geograficznej, ale także od pory dnia i roku w danym miejscu. Ze względu na nachylenie osi Ziemi dni latem są dłuższe niż zimą, a słońce osiąga większe wysokości słoneczne latem niż zimą (rys.).

enersl26.jpg

 

Rys. Droga słońca o różnych porach roku na środkowoeuropejskiej szerokości geograficznej (Londyn, Berlin)

 

Różne położenia słońca w ciągu roku nad horyzontem to jednocześnie różny poziom promieniowania. Największe zyski uzyskuje się bowiem przy prostopadłym kącie padania promieni słonecznych względem powierzchni kolektora. Na kolejnym rys. pokazano jak zmienia się ilość energii docierającej do kolektora w ciągu czterech bezchmurnych dni w Londynie w różnych porach roku.

enersl27.jpg

Rys. Ilość energii docierającej do 1m2 powierzchni w Londynie w różnych porach roku.

Jak widać  różnice między grudniem, a czerwcem są ogromne. Dzienny uzysk energii z 1m2 jest ponad dziesięciokrotnie mniejszy. Energia słoneczna nie dociera do kolektora tylko ze słońca, ale tej w sposób pośredni, odbita od różnych powierzchni. Całkowitą ilość energii docierającej do 1m2 kolektora możemy zapisać jako sumę promieniowa bezpośredniego i pośredniego. Promieniowanie słoneczne, które dociera do Ziemi bez zmiany kierunku, nazywane jest promieniowaniem bezpośrednim, Gdir (direct radiation,). Promieniowanie które dociera jako odbite od innych powierzchni (dachu, ziemi, wody, chmur, itp.) nosi nazwę pośredniego, rozproszonego Gdif (different radiation). Suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego jest nazywana globalnym natężeniem promieniowania słonecznego, GG.

GG = Gdir + Gdif

Warto też zwrócić uwagę, że o ile nie podano innej definicji, promieniowanie słoneczne odnosi się zawsze do powierzchni płaskiej.

enersl28.jpg

Współczynnik AM

Kiedy słońce znajduje się pionowo nad jakimś miejscem, promienie słoneczne pokonują najkrótszą drogę w atmosferze. Jeśli jednak słońce znajduje się pod mniejszym kątem, droga przez atmosferę jest dłuższa. Powoduje to zwiększoną absorpcję i rozpraszanie promieniowania słonecznego, a tym samym mniejsze natężenie promieniowania. Współczynnik masy powietrza (AM - air mass factor) jest miarą długości drogi światła słonecznego przez atmosferę ziemską równą grubości jednej warstwy atmosfery. Zgodnie z tą definicją, ze słońcem w pozycji pionowej (kąt padania, γS = 90 °), AM = 1 (AM = 1 / sin γS). W naszej szerokości geograficznej przyjmuje się współczynnik AM na poziomie 1,5 ale jest to wartość uśredniona do całego roku. W praktyce w lecie kąt padania przekracza nawet 60°  i AM wynosi wtedy około 1,1,  przesileniu zimowym kąt spada do około 15°, tym samy AM wynosi już 4,0. Nie dziwi więc tak gwałtowny spadek mocy kolektorów w okresie zimowym.

enersl29.jpg

Rys. Wpływ kąta padania promieni słonecznych na współczynnik AM

Promieniowanie słoneczne w kosmosie, bez wpływu atmosfery ziemskiej, jest opisane jako widmo AM 0. Gdy przechodzi przez atmosferę ziemską, intensywność promieniowania jest zmniejszana przez:

- odbicie spowodowane atmosferą (część energii ucieka w kosmos)
- absorpcja przez cząsteczki zawarte w atmosferze (O3, H2O, O2, CO2)
- rozpraszanie Rayleigha (rozpraszanie przez cząsteczki powietrza
- rozpraszanie przez cząsteczki kurzu i zanieczyszczenia w powietrzu.

Tabela. Wpływ kąta padania promieniowania na wielkość rozproszenia energii z ww. przyczyn

enersl30.jpg

Zachmurzenie

Po ogólnych warunkach astronomicznych zachmurzenie lub stan nieba jest drugim decydującym czynnikiem wpływającym na dopływ promieniowania słonecznego: zarówno moc napromieniowana, jak i proporcje promieniowania bezpośredniego i rozproszonego różnią się znacznie w zależności od ilości chmur.

enersl31.jpg

Rys. Wielkość promieniowania w zależności od stopnia zachmurzenia.

Przy całkowitym zachmurzeniu natężenie promieniowania nie przekracza 200W/m2, przy zachmurzeniu  rozproszonym, chmurach pierzastych, wartość ta wzrasta do 500-600W/m2, niebo bezchmurne zapewnia już od 800-1000W/m2. Na poniższej ilustracji pokazano jeszcze inne zestawienie, wielkość energii słonecznej w poszczególnych miesiącach roku. Wykres dla Berlina jest bardzo zbliżony do warunków panujących w naszej szerokości geograficznej, dlatego można go interpolować do warunków polskich. Jak łatwo zauważyć, największe zyski występują w czerwcu i sięgają niemal 160kWh.

enersl32.jpg

Rys. Miesięczne zyski energii słonecznej dla Berlina.

 

Każdego roku słońce zapewnia wielokrotność światowego zużycia energii, a nawet wielokrotność wszystkich znanych rezerw paliw kopalnych. W liczbach jest to 1,5 × 1018 kWh / rok. To ponad 10 000 razy tyle energii, ile obecnie potrzebuje ludzkość.  

Pomiar energii promieniowania słonecznego

Urządzenia mierzące całkowite lub rzoproszone natężenie promieniowania słonecznego na poziomej powierzchni nazywane są pyranometrami (rysunek).

enersl33.jpg

Fot. Pyranometr.(Kipp & Sonnen)

Jeśli te urządzenia są osłonięte od bezpośrednich promieni słonecznych przez stały pierścień, który pokrywa całą drogę słońca na niebie, wówczas urządzenie mierzy tylko promieniowanie rozproszone. Odbiornik promieniowania jest umieszczony pod kulistą szklaną pokrywą i składa się z układu w kształcie gwiazdy z czarno-białych termoelementów. Elementy te w zależności od temperatury wytwarzają siły termoelektromotoryczne,enersl34.jpg które można zmierzyć. Pyranometry to względne przyrządy pomiarowe, dlatego wymagają kalibracji. Innym urządzeniem do pomiaru tzw. czasu nasłonecznienia, czyli ilości godzin słonecznych w ciągu dnia i roku jest rejestrator nasłonecznienia Campbella-Stokesa (rysunek)

Urządzenie składa się z litej szklanej kuli, która działa jak soczewka i skupia po przeciwnej stronie  promieniowanie w jednym ognisku. Wokół kuli umieszcza się odpowiednio zakrzywiony pasek papieru ognioodpornego. W czasie nasłonecznienia padające na kulę promienie wypalają ślad na pasku papieru. Kiedy chmury zakrywają słońce, spalony szlak zostaje przerwany.

 

Fot. Rejestrator nasłonecznienia Campbella-Stokesa

 

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});