Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego dla fragmentu miasta Bydgoszczy

Transkrypt

1 KUJAWSKO POMORSKA SZKOŁA WYŻSZA w Bydgoszczy Wydział Techniczny kierunek: geodezja i kartografia Małgorzata Wawer numer albumu Słoneczny kataster, czyli mapa potencjału solarnego dla fragmentu miasta Bydgoszczy Praca inżynierska napisana pod kierunkiem dr inż. Ryszarda Preussa BYDGOSZCZ 2014

2 "Wszystko na Ziemi jest sprzężone, a Ziemia powiązana jest ze Słońcem, swoim pierwotnym źródłem energii. Czy ludzie nie potrafią naśladować roślin i ujarzmić jego energię? W ciągu 90 minut Słońce wytwarza tyle energii, ile cała ludzkość zużywa w ciągu roku, póki istnieje Nasza planeta, energia Słońca będzie niewyczerpana. Wystarczy, że przestaniemy wiercić w ziemi i zaczniemy patrzeć w niebo. Wystarczy, że nauczymy się ujarzmiać i wykorzystywać Słońce. " [Home - S.O.S. Ziemia!, 2009] Małgorzata Wawer 2

3 Spis rysunków... 5 Spis tabel... 7 Streszczenie... 8 Abstract... 9 CZĘŚĆ TEORETYCZNA Wstęp Cel pracy Pojęcia dotyczące słonecznego katastru Energia promieniowania słonecznego Kolektory słoneczne Ogniwa fotowoltaiczne (PV) Lotniczy skaning laserowy Słoneczny kataster Słoneczny kataster na Świecie Fotowoltaiczny Geograficzny System Informacji PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) Słoneczny kataster - Boston (City of Boston.gov) Słoneczny kataster - Wiedeń (Wien Umweltgut: Solarpotenzialkataster) Słoneczny kataster na Świecie - podsumowanie Słoneczny kataster w Polsce CZĘŚĆ PRAKTYCZNA Bydgoszcz Klimat w Bydgoszczy Ograniczenie emisji CO 2 w Bydgoszczy Dofinansowanie instalacji solarnych w Bydgoszczy Wykorzystanie programu PVGIS dla instalacji fotowoltaicznej zamontowanej na dachu Uniwersytety Technologiczno - Przyrodniczego w Bydgoszczy Stworzenie słonecznego katastru dla fragmentu dzielnicy Glinki w Bydgoszczy, dzięki zastosowania narzędzia Solar Radiation programu ArcGIS Opis programu Małgorzata Wawer 3

4 7.2. Praca w programie Wnioski Bibliografia Strony internetowe Małgorzata Wawer 4

5 Spis rysunków Rysunek 1.1. Ilustracja wielkości rocznego strumienia energii ze źródeł odnawialnych w stosunku do zużycia energii przez ludzkość w 2010 r 11 Rysunek 3.1. Rodzaje promieniowania Rysunek 3.2. Intensywność promieniowania słonecznego w Europie Rysunek 3.3. Rozkład nasłonecznienia w Polsce Rysunek 3.4. Moc odbierana przez kolektor słoneczny w zależności od kąta padania promieni słonecznych Rysunek 3.5. Zmienność kąta padania promieni słonecznych w zależności od pór roku Rysunek 3.6. Podział kolektorów ze względu na zastosowany czynnik roboczy Rysunek 3.7. Mobilna stacja solarna - kolektor płaski - stanowisko dydaktyczne na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym Rysunek 3.8. Prosty schemat ogniwa fotowoltaicznego z krzemu krystalicznego Rysunek 3.9. Zasada działania lotniczego skaningu laserowego Rysunek Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero: a) chmura punktów, b) klasyfikacje obiektowe Rysunek Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero: analizy zmian Rysunek Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero: a) NMT, b) NMPT Rysunek Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero: Profile linii elektroenergetycznych Rysunek 4.1. Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps Rysunek 4.2. Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps Rysunek 4.3. Zdjęcia lotnicze, City of Boston Rysunek 4.4. Mapa ulic, City of Boston Rysunke 4.5. Teren, City of Boston Małgorzata Wawer 5

6 Rysunek 4.6. Opcja "Calculations" do obliczenia potencjału solarnego dachu, City of Boston Rysunek 4.7. Słoneczny kataster dla miasta Wiedeń Rysunek 4.8. Słoneczny kataster dla miasta Berlin 2D - przydatność całego dachu pod instalacje solarne Rysunek 4.9. Słoneczny kataster dla miasta Berlin 2D - ukazanie najkorzystniejszego miejsca pod instalacje solarne Rysunek Słoneczny kataster dla miasta Berlin, wersja trójwymiarowa Rysunek Słoneczny kataster dla miasta Los Angeles Rysunek Słoneczny kataster dla miasta Graz Rysunek Słoneczny kataster dla miasta Monachium Rysunek Potencjał solarny dachów wybranych obiektów Warszawy - wizualizacja w aplikacji ArcScene Rysunek 5.1. Lokalizacja miasta Bydgoszcz w Polsce Rysunek 5.2. Ulotka informacyjna " Program dofinansowania do 70% na zakup i montaż zestawów solarnych" Rysunek 6.1. Moduły ogniw fotowoltaicznych na dachu UTP w Bydgoszczy Rysunek 6.2. Miejsce lokalizacji ogniw fotowoltaicznych na UTP w Bydgoszczy. Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps Rysunek 6.3. Wynik uzyskany po wprowadzeniu danych do Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps Rysunek 7.1. Obszar opracowania Rysunek 7.2. Mapy bazowe programu ArcMap Rysunek 7.3. Obszar opracowania jako NMPT w formacie ARC/INFO ASCII GRID. Widok po użyciu narzędzia "ASCII to Raster" Rysunek 7.4. Zakładka ArcToolbox Rysunek 7.5. Rastry wynikowe po zastosowaniu narzędzia Area Solar Radiation Rysunek 7.6. Promieniowanie globalne sklasyfikowane na 3 grupy Małgorzata Wawer 6

7 Rysunek 7.7. Propozycja geoportalu z mapą potencjału solarnego dla fragmentu dzielnicy Glinki w Bydgoszczy Spis tabel Tabela 4.1. Przykłady słonecznych geoportali Małgorzata Wawer 7

8 Streszczenie Polska w 1992 roku w Rio de Janeiro uczestniczyła w Szczycie Ziemi, dzięki czemu mogła podpisać protokół z Kioto w 1997 roku, który mówi o ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych. Jednym ze sposobów zmniejszenia stężenia CO 2 w powietrzu jest korzystanie z Odnawialnych Źródeł Energii, a w tym z energii pochodzącej od Słońca. Państwa takie jak Niemcy, czy Austria znalazły sposób jak poszerzyć świadomość swoich obywateli i zainwestować w instalacje solarne. Na oficjalnych stronach miast umieściły tzw. słoneczne katastry. Są to geoportale, na których zainteresowany może ocenić czy dach jego domu jest korzystnie usytuowany względem słońca, tak aby zainstalować tam kolektor słoneczny bądź ogniwo fotowoltaiczne. W niniejszej pracy opisano portal solarny dla miast Boston i Wiedeń, a także program Photovoltaic Geographical System. Każdy geoportal został omówiony, a następnie wszystkie ze sobą zostały porównane pod względem trudności w obsłudze i stopnia zaawansowania. W części praktycznej pracy zbudowano słoneczny kataster dla niewielkiego obszaru miasta Bydgoszczy, na podstawie danych numerycznego modelu pokrycia terenu w formacie Arc/Info ASCII GRID pozyskanych z CODGiK. Do tego celu użyto program ArcGIS 10.0 firmy ESRI. Małgorzata Wawer 8

9 Abstract In 1992 in Rio de Janeiro Poland participated in the Earth Summit (United Nations Framework Convention on Climate Change), so that she could sign the Kyoto Protocol in 1997, which talks about reducing greenhouse gas emissions. One of the ways to reduce the concentration of CO 2 in the air is the use of renewable energy sources, including energy coming from the Sun. Countries such as Germany or Austria have found away how to broaden awareness of their citizens and invest in solar installations. Cities put solar map on their official website. Solar map is a geoportal, where the interested can assess whether the roof of his house is favorably located towards the sun, to install photovoltaic cell or solar collector. This paper describes the solar portal for the city of Boston and Vienna, as well as program Photovoltaic Geographical System. Each of the geoportal has been discussed, and then all together were compared: in terms of difficult to use and degree of completion. In the practical part solar map for a small area of the city of Bydgoszcz was built, on the basis of the digital surface model in the format Arc/Info ASCII GRID from CODGiK. For this purpose, it uses the program ArcGIS 10.0 from ESRI. Małgorzata Wawer 9

10 CZĘŚĆ TEORETYCZNA 1. Wstęp "Tipping point", czyli punkt krytyczny Surowce naturalne takie jak węgiel, gaz ziemny, ropa naftowa to energia słoneczna przechwycona przez rośliny ponad 100 milionów lat temu. Kiedy człowiek znalazł zastosowanie dla tych materiałów energetycznych, w ciągu 50 lat świat zmienił się nie do poznania. Rozwój spowodował, że podwoiła sie liczba ludności, rozkwitł przemysł, zwiększyły się możliwości transportowe. Rolnictwo zostało tak unowocześnione, że kraje rozwinięte produkują nadwyżki żywności. Litr ropy wytwarza tyle energii co praca stu osób. Za cały ten rozkwit ogromną cenę płaci nasze środowisko. Wzrost stężenia CO 2 w atmosferze powoduje powiększenie się dziury ozonowej. Emisja tlenku siarki i azotu ze spalania węgla jest przyczyną kwaśnych deszczy oraz smogu. Wielki smog londyński, który utrzymywał się tylko kilka dni w 1952 roku doprowadził do śmierci tysięcy mieszkańców. W styczniu 2014 roku w Pekinie bezpieczna dla zdrowia granica 25 mikrogramów na metr sześcienny stężenia pyłów w powietrzu została przekroczona 26-krotnie i wyniosła 671 mikrogramów na metr sześcienny. Globalna temperatura rośnie i topi lodowce, poziom mórz i oceanów wzrasta zatapiając nisko położone tereny. Spalanie paliw kopalnianych uwalnia do atmosfery dwutlenek węgla. Związanie miliony lat temu tego pierwiastka w skałach, oczyściło powietrze i pozwoliło na wytworzenie na naszej planecie życia. W 2007 roku emisja CO 2 wyniosła 30 mld ton, a obecnie stężenie dwutlenku węgla to 399 ppm. Równowaga klimatyczna jest zachwiana, przez co świat coraz częściej jest narażany na samoistne pożary, powodzie, susze i huragany. Kataklizmy mają ogromny wpływ na prosperowanie państw. Kraje biedne stają się coraz biedniejsze, a bogate próbując im pomóc także zmniejszają swój portfel finansowy, który Małgorzata Wawer 10

11 mógłby być przeznaczony na inne cele [Home - S.O.S. Ziemia!, 2009; Nowicki, 2012; Wiśniewski, 2001]. Ropa jak i węgiel kiedyś się skończą. Najpierw dojdzie do wzrostu ich cen i uzależnienia się od krajów, które posiadają złoża, a zniszczenia w środowisku z powodu nadmiernej eksploatacji będą nie do cofnięcia. Można by tego uniknąć. W 1992 roku w Rio de Janeiro została podpisana United Nations Framework Convention on Climate Change (Ramowa Konwencja Narodów Zjednoczonych w sprawie Zmian Klimatu). Jest to umowa międzynarodowa, której celem jest ograniczenie emisji gazów cieplarnianych odpowiedzialnych za zjawisko globalnego ocieplenia. Co rok odbywa się Conferences of the Parties (Konferencja Stron), która sprawdza realizacje postanowień UNFCCC. Na tych spotkaniach podejmowane są działania polegające na szukaniu drogi wyjścia z ciągłego obciążania środowiska spalinami. Jednym i najważniejszym rozwiązaniem są odnawialne źródła energii: Słońce, biomasa, wiatr, woda, energia geotermalna, fal i pływów morskich. Rysunek 1.1 przedstawia roczne zużycie energii przez ludzkość w 2010 roku, w porównaniu do wielkości rocznego strumienia energii z poszczególnych źródeł odnawialnych, gdzie odpowiednio kolor czerwony oznacza światowe zapotrzebowanie na energię [Nowicki, 2012; Rysunek 1.1. Ilustracja wielkości rocznego strumienia energii ze źródeł odnawialnych w stosunku do zużycia energii przez ludzkość w 2010 roku [Źródło: Nowicki, 2012] Małgorzata Wawer 11

12 Jak widać na rysunku 1.1 każde z odnawialnych źródeł energii jest w stanie zaspokoić światowe zapotrzebowanie na potrzebną energię, a Słońce może jej dostarczyć najwięcej. Darmową energię promieniowania słonecznego wykorzystuje się w kolektorach słonecznych do podgrzania wody lub w ogniwach fotowoltaicznych do produkcji prądu. Świat jest teraz w momencie krytycznego punktu "tipping point" - jak określają naukowcy. Jeśli nie zmieni się świadomość ludzi i nie zaczniemy dbać o środowisko to Ziemia, którą znamy, może się przeistoczyć w krainę, w której nie będzie zielonych lasów ani czystych jezior, a czyste powietrze będzie sprzedawane w plastikowych workach. Społeczeństwo trzeba uświadamiać. Wiedza potencjalnego obywatela na temat wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE) jest wciąż uboga. W celu wykorzystania w największym stopniu dostępnych źródeł energii odnawialnej, powstały odpowiednie laboratoria oraz urządzenia pomiarowe pozwalające określić odpowiednie parametry mające wpływ na wydajność poszczególnych rozwiązań. Energia słoneczna skupiła na sobie uwagę geodetów, którzy stworzyli słoneczny kataster [Królikowski, 2011]. Małgorzata Wawer 12

13 2. Cel pracy Celem niniejszej pracy jest omówienie tematu związanego ze słonecznym katastrem pozwalającym na wyznaczenie wartości nasłonecznienia określonej powierzchni (dachu budynku) i możliwej do pozyskania na niej energii słonecznej. W pracy zostały opisane oraz porównane portale internetowe pod względem stopnia zaawansowania, stopnia trudności w obsłudze, a także w zakresie przekazywanych informacji. Portale te służą do wykonywania potencjalnych analiz nasłonecznienia dla różnych miast naszego Globu. Część praktyczna obejmuje dwa zadania. Pierwsze, dzięki nawiązaniu kontaktu z firmą GREEN SYNERGY Sp. z o.o., to przeprowadzenie symulacji opłacalności montażu ogniw fotowoltaicznych w geoportalu Photovoltaic Geographical System. Drugie zadanie, stworzenie mapy potencjału solarnego dla fragmentu miasta Bydgoszczy. Dane do tego celu w postaci Numerycznego Modelu Pokrycia Terenu zostały pozyskane z Centralnego Ośrodka Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej (CODGiK), a oprogramowanie ArcGIS Desktop 10.0 zostało użyczone w rocznej licencji przez firmę Esri. Małgorzata Wawer 13

14 3. Pojęcia dotyczące słonecznego katastru Zagłębiając sie w temat słonecznego katastru należy omówić tematy z tym związane, takie jak: energia słoneczna, kolektory oraz ogniwa fotowoltaiczne. Ważne jest także przybliżenie zagadnień związanych ze skaningiem laserowym, bez którego dzisiejszy solarny kataster nie mógłby powstać. Pomoże to zrozumieć techniczną część związaną z geoportalami potencjału solarnego Energia promieniowania słonecznego Promieniowanie emitowane przez Słońce to promieniowanie słoneczne w postaci promieniowania elektromagnetycznego o określonej mocy. Jego moc w kosmosie to gigantyczna wartość, wynosząca w przybliżeniu 3, MW, dla porównania największa hydroelektrownia na świecie, Zapora Trzech Przełomów w Chinach dostarcza 2, MW. Do Ziemi dociera niewielka część tej mocy, która biorąc pod uwagę nasze potrzeby i tak jest ogromna. Na górnej granicy atmosfery natężenie promieniowania Słońca wynosi 1367 W/m 2 powierzchni ustawionej prostopadle do padających na nią promieni. W najbardziej korzystnych warunkach na Ziemi, między zwrotnikami, dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu ok W/m 2 i to tylko przy bezchmurnym niebie [Chwieduk, 2011; Nowicki, 2012]. Wyżej omawiane natężenie promieniowania to wartość gęstości mocy promieniowania słonecznego padającego w ciągu jednej sekundy na powierzchnię jednego metra kwadratowego, prostopadłą do kierunku promieniowania [Chwieduk, 2011]. Promieniowanie docierające do powierzchni Ziemi dzieli się na różne rodzaje co obrazuje rysunek 3.1. Promieniowanie bezpośrednie to takie, które dociera bez żadnych przeszkód do powierzchni Ziemi, np. w bezchmurne czyste niebo. Chmury absorbują część promieniowania, ale także odbijają je i załamują jego kąt padania, takie promieniowanie nazywa się rozproszonym, inaczej dyfuzyjnym. Małgorzata Wawer 14

15 Promieniowanie odbite to takie, które powstaje w wyniku odbicia się emitowanej wiązki światła od powierzchni terenu, a także od różnych elementów na niej znajdujących się. Rysunek 3.1. Rodzaje promieniowania [Źródło: opracowanie własne] Polskę pod względem intensywności promieniowania, gdyby podzielić jej terytorium na dwie części, na południu można porównywać z północną Francją, a na północy z sąsiadującymi Niemcami, które od lat wykorzystują energię odnawialną ze Słońca (rys. 3.2). Nasłonecznienie to suma natężenia promieniowania słonecznego w danym czasie i na danej powierzchni. Jest to wielkość opisująca zasoby energii słonecznej w danym miejscu i czasie, wyrażana jest w Wh/m² na dzień, miesiąc lub rok. Średnia ilość energii z promieniowania słonecznego w Polsce jest szacowana w przybliżeniu na kwh/m 2 rocznie. Daje to równowartość energii powstałej w wyniku spalania ok. 110 m 3 gazu ziemnego lub 100 l oleju opałowego. Małgorzata Wawer 15

16 Rysunek 3.2. Intensywność promieniowania słonecznego w Europie [Źródło: Polska mapa nasłonecznienia została przedstawiona na rysunku 3.3. Rejon Tatr osiąga największe wartości sumy promieniowania słonecznego, a północna część województwa mazowieckiego najmniejsze. Rysunek 3.3. Rozkład nasłonecznienia w Polsce [Źródło: Małgorzata Wawer 16

17 Przy instalowaniu kolektorów jak i ogniw fotowoltaicznych, ważny jest także kąt padania energii słonecznej. Na rysunku 3.4 oba przypadki przedstawiają wpływ kąta padania na moc odbieraną przez kolektor. Rysunek 3.4. Moc odbierana przez kolektor słoneczny w zależności od kąta padania promieni słonecznych [Źródło: Oszczak, 2012] Lewa strona, gdzie Słońce jest w zenicie ukazuje nam, że gęstość mocy promieniowanej i padającej jest taka sama i wynosi 1000 W/m 2, po prawej stronie kąt padania równy jest 45º co sprawia, że ta sama gęstość mocy pokrywa większą niż poprzednio część kolektora i daje także gorszy rezultat (769 W/m 2 ) [Oszczak, 2012]. Energia słoneczna dociera do konkretnego miejsca na Ziemi w sposób zmienny. Wyróżniamy dzień i noc, zmiany pogodowe, a także zmiany pór roku, gdzie kąt padania promieni słonecznych jest różny. Latem podczas słonecznego dnia można otrzymać 90 razy więcej energii niż w zachmurzony dzień w zimie. Małgorzata Wawer 17

18 Zmienność kata padania promieni słonecznych w zależności od pory roku obrazuje rysunek 3.5. Rysunek 3.5. Zmienność kąta padania promieni słonecznych w zależności od pór roku [Źródło: Latem Słońce mamy najdłużej na niebie, kreśli ono łuk o kącie około 260º, natomiast zimą wyznacza tylko niewielki łuk około 100º. Optymalny kąt dla położenia kolektorów słonecznych w Polsce jest różny dla każdej instalacji. Odkryty przydomowy basen - kąt odchylony od poziomu o 20º - 30º. Całoroczne podgrzewanie ciepłej wody użytkowej 50º - 70º, a nawet 90º. Jest to maksymalne wykorzystanie energii słonecznej zimą [Oszczak, 2012]. W literaturze można także sie spotkać z zaleceniem pochylenia pod kątem 40º, przy ekspozycji południowej lub odchylonej o 15º w kierunku zachodnim dla całorocznej instalacji podgrzewania ciepłej wody użytkowej [Chwieduk, 2008]. Rysunek 3.5. ukazuje również, że najkorzystniejsze usytuowanie instalacji solarnej to kierunek na południe. Ewentualnie dopuszcza się montaż na stronie południowo wschodniej, bądź południowo zachodniej, ale skutkować to będzie mniejszą efektywnością. Małgorzata Wawer 18

19 3.2. Kolektory słoneczne W urządzeniu zwanym kolektorem dochodzi do konwersji energii słonecznej w ciepło. Technologia ta może być bardzo prosta, jak np.: czarna mata, przez którą przepływa woda basenowa w celu jej podgrzania, bądź bardziej skomplikowana jak w kolektorach próżniowo - rurowych, gdzie element zbierający ciepło umieszczony jest w próżni. W tych drugich zaawansowanie technologiczne, które daje większą sprawność idzie w parze z wysokością ceny [Wiśniewski, 2001]. Ze względu na konstrukcje możemy wyróżnić kolektory płaskie i skupiające, natomiast podział ze względu na zastosowany czynnik roboczy został przedstawiony na rys. 3.6 [ Rysunek 3.6. Podział kolektorów ze względu na zastosowany czynnik roboczy [Źródło: Kolektory powietrzne są najtańszym typem kolektorów. Mogą być wykorzystywane w wentylacji, a także do suszenia zboża w rolnictwie. Dużą zaletą jest tutaj brak występowania korozji, natomiast hałas wydobywający się z wentylatorów wymuszających obieg można uznać za wadę [Nowicki, 2012; Małgorzata Wawer 19

20 Płaskie kolektory cieczowe do podgrzewania wody użytkowej stosowane są najczęściej. W przypadku wykorzystania ich do ogrzewania budynku, muszą być wspomagane przez inne źródło ciepła. Kolektor płaski został przedstawiony na rysunku 3.7. Absorber oznaczony literą A może być wykonany z blachy miedzianej, aluminiowej, bądź stalowej, gdzie wewnątrz znajduje się układ kanałów przepływowych czynnika roboczego: wody, glikolu lub oleju silikonowego [Nowicki, 2012; A Rysunek 3.7. Mobilna stacja solarna - kolektor płaski - stanowisko dydaktyczne na Uniwersytecie Technologiczno-Przyrodniczym: A - absorber [Źródło: opracowanie własne] Dzięki zastosowaniu próżni kolektory próżniowe eliminują emisję ciepła z powrotem do otoczenia. Zazwyczaj zbudowane są ze szklanych rur o podwójnych ściankach. Absorber umieszczony jest wewnątrz rury, bądź może nim być wewnętrzna ścianka rury. Kolektory rurowe zwykle osiągają wyższą sprawność niż kolektory płaskie, niestety nie w każdym przypadku mogą mieć zastosowanie [Nowicki, 2012]. Małgorzata Wawer 20

21 3.3. Ogniwa fotowoltaiczne (PV) Najprostszym oraz najbardziej znanym sposobem zastosowania fotoogniwa są małe panele słoneczne umieszczone w kalkulatorach. Zjawisko fotowoltaiki przedstawiono na rys Ogniwo fotowoltaiczne zbudowane zostało z krzemu krystalicznego, z jednej strony płytki znajdują się atomy fosforu, a z drugiej boru. W miejscu zrównania sie atomów boru i fosforu powstaje złącze typu p (pozytyw) - n (negatyw). Na rysunku poniżej ukazane jest co dzieje się gdy na płytkę pada światło słoneczne. Energia tworzy sie gdy rozdzielony jest ładunek dodatni od ujemnego, wtedy może być ona przechwycona przez odbiornik [Nowicki, 2012]. Rysunek 3.8. Prosty schemat ogniwa fotowoltaicznego z krzemu krystalicznego [Źródło: Nowicki, 2012]: 1 - półprzewodnik p, 2 - półprzewodnik n, 3 - warstwa graniczna, 4 - powłoka przeciw odblaskowa (antyrefleksyjna), 5 - anoda, 6 - katoda, 7 - płyta nośna Ogniwa głównie wykonywane są z monokryształów krzemu, jest to jednak dosyć drogi sposób produkcji. Tańszą wersją są ogniwa z małych kryształów krzemu multikrystalicznego. Można także ogniwo Małgorzata Wawer 21

22 zbudować z szklanej płytki, na którą nałożone są cienkie warstwy krzemu, niestety maksymalna sprawność to 13%, gdy w przypadku tych pierwszych wynosi ok. 28%. Pozostałe związki stosowane do produkcji ogniw to: CdS - siarczek kadmu, CdTe - telluerek kadmu, CuInSe 2 - dwuselenek indowo-miedziowy (inaczej CIS), GaAs - arsenek glinu [Nowicki, 2012]. Instalacje PV są drogie, co oczywiście uznajemy za wadę, charakteryzują się jednak szeregiem zalet takich jak: długa żywotność dochodząca do 30 lat, brak stosowania dodatkowego paliwa, urządzenie to nie wymaga konserwacji ani obsługi, w ogniwie wykorzystywane jest promieniowanie rozproszone, dzięki czemu praca następuje także w pochmurne dni, produkcja energii nie powoduje emisji gazów cieplarnianych do otoczenia i najważniejsze, Słońce jest darmowe, więc energia jest za darmo [ Lotniczy skaning laserowy Podstawą do stworzenia mapy potencjału solarnego jest chmura punktów o znanych współrzędnych terenowych (X, Y, Z) pozyskana dzięki technologii Light Detection and Ranging, w skrócie LIDAR, bądź ALS (Airborne Laser Scaning). Są to dwie nazwy określające lotniczy skaning laserowy. Jest to fotogrametryczna metoda pozyskiwania danych obrazowych. Rysunek 3.9. ukazuje zasadę działania, gdzie poprzecznie ustawiona do trajektorii lotu wiązka lasera wykonuje skanowanie terenu. Rysunek 3.9. Zasada działania lotniczego skaningu laserowego [Źródło: opracowanie własne] Małgorzata Wawer 22

23 W wyniku rejestrowania odbicia impulsów lasera powstaje chmura punków, z której możemy utworzyć NMT 1 i NMPT 2 [Kurczyński, 2006; Marmol, 2013; Preuss, 2012]. Do precyzyjnego określenia położenia miejsca rejestracji wiązki skanującej używany jest system GPS. Na pokładzie samolotu, bądź śmigłowca znajduje się także system do pomiaru odległości złożony z dalmierza laserowego i odbiornika, system planowania i zarządzania lotem, kamera fotogrametryczna i system inercyjny INS, służący do obliczeń kierunków przyspieszeń i wynikowo orientacji kątowej wiązki skanującej. Segment naziemny to naziemna, referencyjna stacja GPS, a do przetwarzania i obróbki danych służy stacja robocza [Kurczyński, 2006; Preuss, 2012]. Skaning laserowy ma wiele zalet przede wszystkim dokładność i szybkość pomiarów, ale także niezależności od warunków oświetleniowych i pogodowych (wyjątek silny deszcz i mgła). Są także i wady. Laser charakteryzuje odmienna intensywność odbicia impulsu od różnych powierzchni. Czarne i ciemne materiały absorbują go najwięcej, tak więc następuje zjawisko pochłaniania impulsów lasera np. przez asfalt. Chmury, mgła, smog zniekształcają wyniki, ponieważ podobnie pochłaniają impuls lasera. Do wad trzeba dołączyć dodatkowo dużą objętość zbioru danych [Preuss, 2012]. Bogatą ofertę wykorzystania skaningu laserowego oferuje firma MGGP Aero: chmura punktów i klasyfikacje obiektowe (rys. 3.10), analizy zmian (rys. 3.11), NMT i NMPT (rys. 3.12) i profile (rys. 3.13). 1 NMT numeryczny model terenu (DTM - Digital Terrain Model lub DEM - Digital Elevation Model) - jest to zbiór punktów o znanych współrzędnych (X, Y, Z) powierzchni terenu wraz z algorytmem interpolującym, dzięki któremu można określić kształt powierzchni albo wysokości poszczególnych punktów. Tworzony w postaci GRID (regularna siatka kwadratów) lub TIN (nieregularna siatka trójkątów [Preuss, 2012]. 2 NMPT numeryczny model pokrycia terenu (DSM - Digital Surface Model) - jest to model powierzchni terenu zbudowany z chmury trójwymiarowo zlokalizowanych punktów z uwzględnieniem roślinności, budynków itp. [Marmol, 2013]. Małgorzata Wawer 23

24 a) b) Rysunek Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero: a) chmura punktów, b) klasyfikacje obiektowe [Źródło: Rysunek Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero: analizy zmian [Źródło: a) b) Rysunek Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero: a) NMT, b) NMPT [Źródło: Małgorzata Wawer 24

25 Rysunek Oferta wykorzystania skaningu laserowego firmy MGGP Aero: Profile linii elektroenergetycznych [Źródło: W Polsce został zrealizowany projekt ISOK (Informatyczny System Osłony Kraju), którego głównym celem jest konsolidacja informacji o zagrożeniach powodziowych i gromadzenie ich w jednym miejscu. Ma to na celu m.in. skrócenie czasu reakcji w sytuacji kryzysowej, przewidywanie wystąpienia skutków np. powodzi. Inicjatywa ta tworzy bardzo nowoczesny informatyczny system, dostępny dla administracji, ale także dla indywidualnych obywateli. Dane źródłowe w postaci Numerycznego Modelu Pokrycia Terenu są pozyskiwane głównie za pomocą technologii LIDAR [ Dzięki projektowi ISOK istnieje wiele produktów skaningu laserowego, które można wykorzystać do tworzenia słonecznych katastrów miast. Najlepsze dane są w formacie ARC/INFO ASCII GRID, to "pliki tekstowe zawierające wartość wysokości punktów w regularnej siatce o oczku 0,5 metra dla obszarów miejskich (standard II) lub 1 metra dla pozostałych obszarów (standard I), wyinterpolowane na podstawie chmury punktów z lotniczego skaningu laserowego (LIDAR). Dane zapisane są w postaci macierzy rastrowej" [ Po przekształceniu można również wykorzystać chmurę punktów, czyli źródłowe pliki pomiarowe zapisane w formacie LAS (LASer File Format Exchange Activities - format pliku wymiany trójwymiarowych danych chmury punktów pomiędzy użytkownikami). Małgorzata Wawer 25

26 4. Słoneczny kataster Słoneczny kataster inaczej nazywany jest katastrem dachowym, atlasem słonecznym lub mapą potencjału solarnego. To portal internetowy dostępny dla każdego potencjalnego użytkownika, który ma za zadanie ukazać czy na danym dachu budynku opłaca się inwestować w instalacje solarne. Tego typu geoportale powstają głównie z inicjatywy samorządowej danego miasta, po to aby zwiększać świadomość społeczeństwa na temat zalet korzystania z energii słonecznej [Królikowski, 2011]. W bardzo dużym uproszczeniu i uogólnieniu do stworzenia słonecznego katastru potrzeba [Królikowski, 2011]: NMPT, dane meteorologiczne, algorytm do obliczenia potencjału solarnego, serwer, udostępnienie w Internecie. Jeżeli chodzi o NMPT to w poprzednim rozdziale zostało opisane w jakim formacie najlepiej pobrać pliki do stworzenia mapy solarnej. Natomiast kwestia meteorologiczna jest trudniejsza, gdyż dane klimatyczne muszą opierać się na wieloletnich zapisach informacji na temat promieniowania słonecznego, zachmurzenia, mgły itp. Cenne wskazówki zawarte są w artykule Pana Kamila Sukiennika z firmy Esri, która ma w swojej ofercie wykonywanie analiz nasłonecznienia i zacienienia. Autor do tworzenia map solarnych wykorzystuje dane pochodzące z internetowej strony Ministerstwa Infrastruktury i Rozwoju "Typowe lata meteorologiczne i statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Polski do obliczeń energetycznych budynków" [Sukiennik, 2013]. Program wykorzystany do obliczeń potencjału solarnego jest indywidualną decyzją twórcy. Można skorzystać z Solar Radiation Firmy Esri, w rozszerzeniu ArcGIS Saptial Analyst, z GrassGIS model Małgorzata Wawer 26

27 r.sun, bądź innych (więcej przykładów technologii zostało przedstawione w rozdziale 4.1, w tabeli 4.1). Najważniejszym aspektem udostępniania słonecznego katastru w Internecie jest łatwa i przejrzysta "czytelność" dla przyszłego użytkownika, a także to aby mapa była ułatwieniem w podjęciu decyzji o instalacji kolektorów. Kiedy ktoś zdecyduje się na instalację solarną, to z mapy powinien wyczytać informację czy potrzebuje jakieś dodatkowe zezwolenie np. związane z budową na budynku zabytkowym [Sukiennik, 2013]. Przykłady opisane w następnych rozdziałach dokładniej zaprezentują istniejące rozwiązania map solarnych Słoneczny kataster na Świecie W 2008 roku dla miasta Osnabrück (Niemcy) powstała pierwsza mapa potencjału solarnego. Niemcy oraz Stany Zjednoczone to kraje, które przecierały szlaki w tej dziedzinie. Coraz większe obszary naszej planety obejmowane są pozyskiwaniem danych za pomocą skaningu laserowego, a szersza dostępność NMPT ułatwia realizację projektów solarnych [Sukiennik, 2013]. Wykaz miast, posiadających obecnie portal słoneczny został przedstawiony w tabeli 4.1 wraz z adresami internetowymi, technologią wyliczania potencjału oraz technologią udostępniania Web GIS. Tabela 4.1. Przykłady słonecznych geoportali [Źródło: Królikowski, 2011] Miasto Adres Technologia Technologia /region wyliczania Web GIS potencjału EUROPA I AFRYKA s/apps4/pvest.php Joint Research Centre AUSTRIA Graz ArcGIS Desktop MapServer SynerGIS, Esri ArcGIS Server Małgorzata Wawer 27

28 Wiedeń umweltgut/ brak danych bd. (część Vienna GIS) CHILE Calama Sun-Area, Mapbender /catastrosolar/calama ArcGIS Desktop NIEMCY Berlin Sun-Area, ArcGIS Desktop Google Earth (3D), Map- Guide (2D) Bielefeld Sun-Area, Mapbender ArcGIS Desktop Bremen brak danych bd. Gelsenkirchen AeroWest Esri ArcIMS website/solar/ Hamburg hamburgenergiesolar.de/ Hamburg Energie OpenLayers+ WMS Monachium brak danych OpenLayers+ WMS Osnabrück Sun-Area, Esri ArcIMS sun-area ArcGIS Desktop Zw. powiatów Sun-Area, Mapbender Neckar- Odenwald- Tauber ArcGIS Desktop USA Boston solarboston/ ArcGIS Desktop Esri ArcGIS API Denver Woolpert Inc., NREL Google Maps API Los Angeles CH2M Hill, Bing Maps API County NREL San Francisco CH2M Hill, NREL Google Maps API Małgorzata Wawer 28

29 Fotowoltaiczny Geograficzny System Informacji PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) Co to jest PVGIS? W celu analizy słonecznych geoportali z różnych stron świata, należy omówić najprostszą wersję stworzoną dla Europy i Afryki wraz z basenem Morza Śródziemnego i Azją Południowo- Zachodnią - Photovoltaic Geographical Information System. Jest to program do obliczania bazy promieniowania słonecznego dla osób zainteresowanych instalacją ogniw fotowoltaicznych. PVGIS jest efektem badań, demonstracji i polityki mających na celu wsparcie i propagowanie wykorzystania zasobów energii słonecznej. Jest częścią projektu SOLAREC 3, czyli działań na rzecz misji "JRC Renewable Energies Unit" 4. System był tworzony w latach , przy użyciu modelu słonecznego promieniowania i danych klimatycznych. Użyte tutaj oprogramowanie GIS, opiera się na wykorzystaniu promieniowania słonecznego modelu r.sun, który stanowi część systemu informacji przestrzennej GRASS 5. Moduł ten pozwala na obliczenie natężenia promieniowania bezpośredniego, odbitego i rozproszonego [Pietras, 2011; SOLAREC - projekt przyczyniający się do popularyzowania oraz wdrażania energii odnawialnej w Unii Europejskiej. W zakres projektu wchodzą m.in. szkolenia i rozpowszechnianie najlepszych praktyk z tego zakresu, monitorowanie nowych technologii w dziedzinie OZE, a także pomoc w realizacji Set-Planu ("The Information System for the European Strategic Energy Technology Plan", w tłumaczeniu "System informacji dla europejskiego planu w dziedzinie technologii energetycznych") [ 4 JRC Renewable Energies Unit - Wspólne Centrum Badawcze jest Dyrekcją Generalną Komisji Europejskiej, w skład którego wchodzi siedem instytutów naukowych zlokalizowanych w Belgii, Niemczech, Hiszpanii, Holandii i Włoszech. Misją jest zapewnienie wsparcia naukowego i technicznego dla rozwoju, wdrażania i monitorowania polityki Unii Europejskiej [Kurczyński, 2006]. 5 GRASS (Geographic Resources Analysis systemowe wsparcie) - to darmowy program GIS wykorzystywany do zarządzania i oceny danych geoprzestrzennych, przetwarzanie obrazu, grafiki i mapy, modelowania przestrzennego i wizualizacji [ Małgorzata Wawer 29

30 Dane wykorzystane do stworzenia PVGIS dla Europy to [ średnie miesięczne sumy dziennego promieniowania bezpośredniego i rozproszonego, dane zebrane z okresu z 566 naziemnych stacji meteorologicznych, współczynnik zmętnienia Linkego dostępny na SODA 6, będący miarą zanieczyszczenia powietrza (w postaci mapy), cyfrowy model terenu o siatce 1 x 1 km pochodzący z SRTM 7, mapa CORINE Land Cover (CLC) 8 z siatką rozdzielczości 100 x 100 m, mapa Global Land Cover 2000, model pokrycia terenu roślinnością, mapa z bazy danych GISCO 9, VMAP0 cyfrowy wykres danych świata, inaczej mapa wektorowa oparta na systemie informacji geograficznej danych o Ziemi o szczegółowości 0, gdzie 0 oznacza niską rozdzielczość, 1 - globalny zasięg w średniej rozdzielczości. Obsługa programu Program PVGIS jest dość trudny w obsłudze dla przeciętnego użytkownika niezwiązanego z dziedziną ogniw fotowoltaicznych. W pierwszym kroku wybieramy na odpowiedniej mapie (Europa/Afryka) lokalizację budynku, dla którego chcemy sprawdzić dane promieniowania słonecznego, poprzez wpisanie w ramce 6 SODA - internetowy serwis zapewniający dostęp do zbioru informacji na temat promieniowania słonecznego [ 7 SRTM - międzynarodowa misja kosmiczna, której celem było zebranie numerycznych modeli terenu lądów znajdujących sie pomiędzy 56º szerokości geograficznej południowej, a 60º równoleżnikiem szerokości geograficznej północnej [Kurczyński, 2006]. 8 CORINE Land Cover - projekt mający na celu ciągłe aktualizowanie zmian w pokryciu terenu [ 9 GISCO - system informacji geograficznej w Komisji Europejskiej, zajmuje się nabywaniem i utrzymywaniem bazy referencyjnych zbiorów danych geograficznych, a także ich analizowaniem [ Małgorzata Wawer 30

31 adresu: ulicy, miasta i nazwy kraju lub współrzędnych geograficznych. Ramka oznaczona kolorem czerwonym na rysunku 4.1 znajduje się w lewym górnym rogu ekranu. Po wciśnięciu "search" PVGIS odnajduje naszą lokalizację na mapie. Rysunek 4.1. Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps. Czerwonym kolorem zaznaczone miejsce na wpisanie poszukiwanego adresu [Źródło: Po prawej stronie ekranu widoczna jest ramka z czterema zakładkami (rysunek 4.2). Pierwsza zakładka dotyczy oszacowania ogniwa fotowoltaicznego jakie chcemy zainstalować na dachu budynku. Rysunek 4.2. Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps A - Perfomrmance of Grid - connected PV (wykonanie podłączonego PV), B - Fixed mounting options - opcje montażu, C - Tracking options - opcje śledzenia, D - utput options - opcje wyjścia [Źródło: Małgorzata Wawer 31

32 A. Performance of Grid - connected PV (wykonanie podłączonego PV) Radiaton database to baza promieniowania jaką musimy wybrać. Do wyboru jest Klimat-SAF PVGIS i klasyczne PVGIS. Możliwość wyboru jednej z tych dwóch opcji została wprowadzona w 2010 roku, gdyż zarówno pierwsza jak i druga ma wady i zalety. Klimat-SAF PVGIS jest to metoda oceny promieniowania słonecznego na powierzchni ziemi przy użyciu danych z satelity. Zaletą jest zebranie danych z dość dużych obszarów, a wadą może być śnieg, który może być mylony z chmurami lub tereny górskie, gdzie pod jednym pikselem mamy obszar z ogromnymi różnicami wysokości. Obliczenia satelitarne na obszarach, gdzie słońce jest nisko na niebie stają się bardzo trudne. Klasyczne PVGIS są to naziemne pomiary promieniowania słonecznego. Czujniki na stacjach muszą być stale konserwowane. Brud, śnieg, a także mróz mogą powodować wadliwe zbyt niskie odczyty. Natomiast dużą zaletą jest dokładność odczytu promieniowania w określonym miejscu. PV technology, czyli wybór typu ogniwa fotowoltaicznego: krystaliczny krzem, CIS (dwuselenek indowo-miedziowy CuInSe 2 ), CdTe (tellurek kadmu), inne. Insatelled peak PV power zainstalowana moc szczytowa PV w kwp, do tego potrzebna jest informacja jaką producent deklaruje dla danego ogniwa. Estimated system losses [1-100] szacowane starty systemowe, tutaj system podpowiada, że generalnie jest to 14%. Straty mogą być spowodowane przesyłem przez kable, brudem, śniegiem. Natomiast, każdy producent ogniw fotowoltaicznych, zna straty systemowe swojego urządzenia, wtedy można zmienić tą wartość na inną. B. Fixed mounting options (opcje montażu) Mounting position - wybór pozycji montażu: wolnostojąca (z przepływem powietrza za modułem) albo budowa zintegrowana (bezpośrednio zamontowane na elewacji bądź dachu). Slope - nachylenie modułu, przy budowie zintegrowanej może to być skos dachu lub 90º dla elewacji. Małgorzata Wawer 32

33 Azimuth - ukierunkowanie względem stron świata. C. Tracking options (opcje śledzenia). Możliwe jest zamontowanie ogniw fotowoltaicznych, które w ciągu dnia będą obracały się do słońca. W ten sposób można zwiększyć ilość światła słonecznego docierającego do modułów PV. Horizon file, plik który dołączamy wtedy, gdy w odległości bliższej niż 90 metrów wokół naszego budynku znajdują się np. bardzo wysokie drzewa albo inne elementy, które mogą dawać zacienienie. Plik wysłany poprzez stronę musi być zwykłym plikiem tekstowym np. notatnik w systemie Windows. D. Output options (opcje wyjścia) wybór formy w jakiej chcemy otrzymać wynik (strona internetowa, plik tekstowy, PDF) oraz czy chcemy, aby były dołączone wykresy. Kolejne dwie zakładki w programie dotyczą średnich miesięcznych i dziennych danych napromieniowania dla wybranej lokalizacji. Zaznacza się tu opcje, które mają być wyświetlone w wyniku, np.: poziom napromieniowania, średnią temperaturę w dzień. Wynik może być ukazany w odniesieniu do konkretnego miesiąca. Ostatnia zakładka, jest przeznaczona dla osób, które są zainteresowane wolnostojącymi ogniwami fotowoltaicznymi podłączonymi do akumulatorów (Stand-Alone PV System). Tutaj dokładnie tak samo jak w pierwszej zakładce, wybieramy moc szczytową, azymut, pochylenie, dodatkowo uzupełniamy tylko dane dotyczące akumulatora: napięcie (V), pojemność (Ah) i granica rozładowania (%). Wybór formy otrzymania wyniku również jest taki sam, czyli: strona internetowa, plik tekstowy, PDF. Plusem programu jest ogromny obszar w bazie, a także duży wachlarz poszczególnych danych napromieniowania jakie można odczytać z danego miejsca. Minus - program wymaga od użytkownika wpisania dokładnych wartości katalogowych producenta ogniwa, co może być trudne do uzyskania i wymaga znajomości pojęć z geodezji, geografii i fizyki [ Małgorzata Wawer 33

34 Słoneczny kataster - Boston (City of Boston.gov) Mapa solarna miasta Boston powstała z inicjatywy rządowej, której założeniem jest zmniejszenie do 2020 roku emisji gazów cieplarnianych o 25%. Po wejściu na oficjalną stronę miasta ( w menu strony klikamy odnośnik "Maps" ukazuje się szereg map, a w tym szukana "Solar Map". Na docelowej karcie ukazany jest cel, a także obecna realizacja programu. Oprócz pomocy użytkownikowi w oszacowaniu energii słonecznej oraz zobrazowaniu potencjalnej wartości instalacji solarnej, znajduje tu się również szereg informacji o samych panelach, o tym co trzeba wiedzieć przed instalacją itp. Mapa solarna powstała w rozwiązaniu desktopowym ArcGIS firmy ESRI, które pozwala na tworzenie, edytowanie i analizowanie danych. Obliczenie promieniowania słonecznego zostało wyliczone w rozszerzeniu Solar Analyst. Geoportal zawiera trzy nakładki informujące użytkownika o [ strefie zabytków, gdzie jest konieczne uzyskanie dodatkowych pozwoleń, sieci elektrycznej NSTAR, gdzie wybudowanie instalacji fotowoltaicznej może być ograniczone, przydatności dachu pod instalacje, gdzie za pomocą intensywności koloru od żółtego do czerwonego ukazane jest całkowite roczne promieniowanie na dachu. Boston ukazany jest w postaci zdjęć lotniczych na rysunku 4.3 oraz obrazu ulic, czyli mapy na rysunku 4.4 lub mapy z ukazaniem rzeźby terenu - rysunek 4.5. Małgorzata Wawer 34

35 Rysunek 4.3. Zdjęcia lotnicze, City of Boston [Źródło: Na każdej zakładce symbolem "słońca" (oznaczone na rys.4.4 jako A), zaznaczone są miejsca już istniejących instalacji. Po najechaniu na symbol kursorem, ukazują się dane odnośnie lokalizacji, typie instalacji solarnej, mocy, a także firmie instalującej, niektóre opisy wzbogacone są o zdjęcie budynku z zamontowanymi kolektorami, bądź ogniwami. A Rysunek 4.4. Mapa ulic, City of Boston [Źródło: Małgorzata Wawer 35

36 Rysunke 4.5. Teren, City of Boston [Źródło: Używając zakładki TOOLS zaznaczonej na rysunku 4.5 kolorem czerwonym, program oblicza słoneczny potencjał wybranego budynku lub danego obszaru w ciągu roku. Wystarczy wpisać odpowiedni adres lub zaznaczyć miejsce na mapie kursorem. Ciekawa jest kalkulacja przedstawiona na rysunku 4.6, gdzie możemy przeanalizować jaki potencjał solarny będzie miał nasz dach po przekazaniu pod zabudowę konkretnej powierzchni wyrażonej w procentach. Rysunek 4.6. Opcja "Calculations" do obliczenia potencjału solarnego dachu, City of Boston [Źródło: Małgorzata Wawer 36

37 Geoportal niestety utworzony jest w modelu o szczegółowości CityGML LoD1 10, który zakłada, że każdy dach jest płaski. Jest to duży minus. Instalacje przy dachu skośnym skierowanym w kierunku północnym nie sprawdzają się. Co prawda w zakładkach przeznaczonych do solarnych kalkulacji, wyliczona jest powierzchnia jaka nadaje się pod zabudowę, jednak uwzględnione tu są tylko przeszkody np. w postaci kominów. Dach dalej jest przyjęty jako płaski. Powoduje to, że użytkownik i tak musi posiłkować się firmami zewnętrznymi do założenia kolektorów, bądź ogniw na swoim domu Słoneczny kataster - Wiedeń (Wien Umweltgut: Solarpotenzialkataster) Geoportal solarny dla Wiednia, umieszczony jest na oficjalnej internetowej stronie miasta w zakładce" Umweltgut". Program obejmuje potencjał energii słonecznej dla produkcji ciepła jak i energii elektrycznej. Słoneczny kataster powstał dzięki zastosowaniu danych ALS zapisanych w postaci GRID o oczku siatki 0,5 m. Znalezienie tej aplikacji internetowej i jej obsługa, są bardzo proste dla potencjalnego użytkownika. Program ocenia orientację oraz nachylenie powierzchni dachu, zacienienie wywołane przez roślinność, budynki, a także rzeźbę terenu. Promieniowanie bezpośrednie jak i rozproszone z okresu 18 lat, zostało uśrednione. Na mapie ukazane jest tylko nasłonecznienie powyżej 900 kwh/m 2 [ 10 CityGML - jest to skala będąca odzwierciedleniem szczegółowości modeli budynków, aby wyróżnić zaawansowanie modelu 3D. Jest pięć poziomów dokładności Level of Detail (LoD) [Kolbe, 2005]: LoD0-2,5D numeryczny model terenu, LoD1 proste bryły z płaskimi dachami, LoD2 - konstrukcje dachowe teksturowane, zróżnicowane, LoD3 - szczegółowość architektury (drzwi, okna, otwory) LoD4 - bardzo dokładne odwzorowanie z zewnątrz jak i wewnątrz. Małgorzata Wawer 37

38 Po kliknięciu kursorem na konkretny budynek, ukazuje się informacja o potencjale solarnym tego obiektu co widać na rysunku 4.7. C A B Rysunek 4.7. Słoneczny kataster dla miasta Wiedeń. A - przydatność powierzchni dachu w m 2 ; B - wydajność z powierzchni dachu w kwh rocznie; C - legenda [Źródło: W tym przypadku nieruchomość na Wallensteinstraße 53 ma 142 m 2 bardzo dobrej (>1100 kwh/m 2 na rok), oraz 66 m 2 dobrej ( kwh/m 2 na rok) przydatności dachu pod instalację solarną (A). Wydajność roczna dla fotowoltaiki to kwh, a dla kolektorów kwh (B). Portal solarny dla Wiednia bazuje na modelu uwzględniającym rzeczywisty kształt dachu, wyznaczony na podstawie szczegółowości CityGML LoD2, dzięki czemu wiemy dokładnie, która część dachu nadaje się najbardziej pod instalacje. Innsbruck Laser DaneGmbH to firma, która wykonała mapę potencjału solarnego dla stolicy Austrii, jest to jedna z najlepiej przygotowanych, czytelnych i posiadających najwięcej informacji map solarnych. Osoba zainteresowana montażem instalacji może również odczytać z niej, czy do zamontowania instalacji solarnej potrzebuje dodatkowych zezwoleń na budowę, bądź musi się stosować do określonych przepisów prawnych (rysunek C) [ Małgorzata Wawer 38

39 4.2. Słoneczny kataster na Świecie - podsumowanie Najbardziej ubogi w technologii jest omówiony wcześniej PVGIS, stworzony na NMT, bez oznaczeń graficznych. Jest on również najtrudniejszy w obsłudze. Obejmuje on jednak swoim zasięgiem dwa kontynenty, dzięki czemu może być pomocny przy wstępnych rozważaniach montażu ogniw fotowoltaicznych w krajach, w których nie powstały jeszcze mapy słoneczne dla poszczególnych miast. Biorąc pod uwagę szczegółowość, zaczynając od najmniej dokładnej - LoD1, trzeba tu przypomnieć portal solarny dla miasta Boston. Budynki to bryły z płaskimi dachami. Warto wspomnieć o mapie solarnej dla miasta Berlin. Użytkownik wybiera wiele opcji: przydatność całego dachu 2D (rysunek 4.8) i 3D (rysunek 4.10), a także określenie w trzystopniowej skali barw najkorzystniejszego miejsca na dachu pod instalacje solarne, co przedstawia rysunek 4.9. Wykorzystana jest tutaj szczegółowość o poziom wyżej niż w przypadku miasta Boston, czyli CityGML LoD2. Rysunek 4.8. Słoneczny kataster dla miasta Berlin 2D - przydatność całego dachu pod instalacje solarne [Źródło: Rysunek 4.9. Słoneczny kataster dla miasta Berlin 2D - ukazanie najkorzystniejszego miejsca pod instalacje solarne [Źródło: Małgorzata Wawer 39

40 Bardzo ciekawa propozycja świadcząca o majstersztyku i zaangażowaniu w to aby strona internetowa była ciekawa dla odbiorcy, to słoneczny kataster Berlina wykorzystujący wizualizacje trójwymiarową (rysunek 4.10). Rysunek Słoneczny kataster dla miasta Berlin, wersja trójwymiarowa [Źródło: Szczegółowość na pierwszym miejscu, gdzie każdy metr kwadratowy dachu jest określony pod względem korzystności montażu paneli to portal dla Los Angeles przedstawiony na rysunku 4.11, portal dla Bielefeld, Wiednia oraz Graz (rysunek 4.12). Rysunek Słoneczny kataster dla miasta Los Angeles [Źródło: Małgorzata Wawer 40

41 Rysunek Słoneczny kataster dla miasta Graz [Źródło: Rysunek Słoneczny kataster dla miasta Monachium [Źródło: Monachium wprowadziło słoneczny kataster, który również rozróżnia typy dachów jednak ich rozwiązanie jest mało czytelne i mało praktyczne dla osoby, która zdecydowałaby się na samodzielny montaż kolektorów. Portal solarny dla miasta Monachium został przedstawiony na rysunku Jak pokazano są różne typy słonecznych katastrów. Różnice wynikają z doboru danych, szczegółowości modelu, informacji przedstawianych na stronie, szacie graficznej. Wszystkie jednak mają za zadanie propagowanie wykorzystania energii odnawialnej pochodzącej od Słońca i oszacowanie wydajności przyszłej instalacji. Małgorzata Wawer 41

42 4.3. Słoneczny kataster w Polsce W Polsce niestety żadne miasto nie doczekało się portalu internetowego, na którym umieszczona byłaby mapa potencjału solarnego. Warszawa może się jednak poszczycić projektem pilotażowym przygotowanym przez firmę ESRI. Koncepcja obejmuje 40 km 2 miasta. Wykorzystane NMPT to pliki binarne zawierające chmurę punktów, pozyskane z lotniczego skaningu laserowego. Do tego celu użyto model o szczegółowości CityGML LoD2 oraz dane meteorologiczne z dwóch miesięcy: stycznia i lipca. Dzięki programowi można poznać potencjalną powierzchnię dla kolektorów słonecznych oraz potencjalną moc uzyskiwaną z fotowoltaiki. Występuje tu również wartość określająca redukcję emisji dwutlenku węgla. Wizualizację przedstawia rysunek 4.14 [Sukiennik, 2013]. Rysunek Potencjał solarny dachów wybranych obiektów Warszawy - wizualizacja w aplikacji ArcScene [Źródło: Sukiennik, 2013] Zakład Klimatologii i Ochrony Atmosfery Uniwersytetu Wrocławskiego również chce propagować instalacje solarne. W ramach pracy doktorskiej Pani Małgorzaty Pietras pt.: "Możliwości redukcji zanieczyszczeń atmosferycznych przez zastosowanie kolektorów Małgorzata Wawer 42

43 słonecznych w budownictwie jednorodzinnym na obszarze Województwa Dolnośląskiego" wykonana została mapa potencjału solarnego dzielnicy Dąbie we Wrocławiu. Do analizy użyto programu GRASS GIS [Pietras, 2012]. Żaden z powyższych przykładów w pełni nie jest udostępniony dla potencjalnego użytkownika w Internecie. Jest jednak coraz więcej firm w Polsce, które posiadają w swoim wachlarzu ofert, usługę tworzenia map potencjału solarnego dachów budynków. Małgorzata Wawer 43

44 CZĘŚĆ PRAKTYCZNA 5. Bydgoszcz Bydgoszcz jest jednym z największych miast w Polsce, położona w jej północnej części w miejscu, gdzie rzeka Brda wpływa do Wisły (rys. 5.1). Powierzchnia miasta to ok. 176 km 2, a liczba ludności przekracza 363 tyś [ Rysunek 5.1. Lokalizacja miasta Bydgoszcz w Polsce [Źródło: Klimat w Bydgoszczy Temperatura powietrza w ciągu roku wynosi średnio +8,4 C. W lipcu średnia temperatura to +18,3 C, a w styczniu -2,3 C. Roczna średnia suma opadów, które wpływają na zachmurzenie nieba wynosi 512mm, jest to niski wynik, ale mocno zróżnicowany rocznie. Usłonecznienie wynosi 1509 godzin, co daje wyższy wynik od średniej krajowej [Budzyński, 2010] Ograniczenie emisji CO 2 w Bydgoszczy Bydgoszcz bierze udział w europejskim projekcie LAKS - Lokalna Odpowiedzialność za Realizację Protokołu z Kioto (Local Accountability for Kyoto goals), którego głównym założeniem jest Małgorzata Wawer 44

45 ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 20% (poziom porównawczy to rok 2005) z terenu miasta Bydgoszczy do roku Ważne jest to, aby w dobry sposób analizować, planować i zmniejszać oddziaływanie środowiskowe miast na zmiany klimatyczne. Bydgoszcz wraz z włoskimi miastami Reggio Emilia i Padwa, hiszpańską Gironą, a także z Agencją Ochrony Środowiska ARPA z Włoch, stara się przygotować innym miastom europejskim gotowy model służący do: monitorowania emisji CO 2, oceniania oddziaływania substancji szkodzących na środowisko, podejmowania czynów naprawczych oraz tworzenie raportów osiągniętych wyników. Jednym z działań, które pomogą osiągnąć ten cel ma być podwyższenie efektywności energetycznej w budynkach publicznych. Tylko do roku 2014 zostały już przeprowadzone warsztaty, które zwiększają świadomość mieszkańców na przykład "Jak być eko, jak oszczędzać?", kampanie tematyczne z Fundacją Aeris Futuro z Krakowa, szkolenia w temacie edukacji ekologicznej w ramach projektu "3x20net - Europejska Inicjatywa w Celu Redukcji Emisji CO 2 - Edukacja Ekologiczna" (European Approach Towards CO 2 Emissions redution Through Awereness Raising Actions). Wprowadzony został również plan działań SEAP (Sustainable Energy Action Plan) na rzecz zrównoważonej energii, którego zadaniem jest pokazanie czynności i uwarunkowań pomocnych przy redukcji energii finalnej na terenie miasta Bydgoszczy, dzięki czemu nastąpi spadek CO 2. Do podsumowania pracy służy raport o nazwie Bilans Klimatyczny, oceniający postępy w realizacji działań klimatycznych w Bydgoszczy. Miasto także bierze udział w projekcie CEC5 "Demonstracja efektywności energetycznej i wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w budynkach publicznych", dzięki czemu w lipcu 2013 roku ruszyła budowa budynku pasywnego przy Zespole Szkół Mechanicznych nr 2 w Bydgoszczy. W roku 2013 miasto zakwalifikowało się do drugiego etapu realizacji projektu CASCADE, gdzie uczestnicy projektu wymieniają sie doświadczeniami z zakresu lokalnego zarządzania energią, wzajemnie ucząc się od siebie. Małgorzata Wawer 45

46 Bydgoszcz posiada idealne przygotowanie do wprowadzenia mapy potencjału solarnego posiadając już geoportal z mapą akustyczną miasta [ Dofinansowanie instalacji solarnych w Bydgoszczy W Bydgoszczy wdrożono w życie program dofinansowania do 70% kosztów zakupu i montaż zestawów solarnych, mający na celu propagowanie odnawialnych źródeł energii wśród mieszkańców, zarówno mieszkających w domach jak i w budynkach wielorodzinnych. Koncepcja również ma za zadanie dostarczyć wyniki działania kolektorów słonecznych zainstalowanych w ramach tego przedsięwzięcia. Program zaistniał dzięki autorskiemu pomysłowi HETMAN EKO Sp. z o.o., firmy proekologicznej mającej w swojej misji doradztwo i pomoc w zakresie pozyskiwania środków na inwestycje ekologiczne. Ulotka do tego programu została przedstawiona na rysunku 5.2 [ Rysunek 5.2. Ulotka informacyjna " Program dofinansowania do 70% na zakup i montaż zestawów solarnych" [Źródło: Małgorzata Wawer 46

47 6. Wykorzystanie programu PVGIS dla instalacji fotowoltaicznej zamontowanej na dachu Uniwersytety Technologiczno - Przyrodniczego w Bydgoszczy W sierpniu 2005 roku na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy powstała stacja badawcza monitorująca pracę i efektywność instalacji kolektorów słonecznych. W roku 2013 ten sam Wydział zdecydował się na utworzenie podobnego stanowiska dotyczącego ogniw fotowoltaicznych. Instalacja jeszcze nie jest uruchomiona, a planowany rozruch przewidziany jest na maj 2014r. Obecnie uzyskując dane od firmy montującej GREEN SYNERGY Sp. z o.o., oraz wykorzystując program Photovoltaic Geographical Information System już możemy poznać szacowane wyniki instalacji [ Potrzebne dane wprowadzone do programu PVGIS to: - technologia PV, - szacowane straty systemowe, - zainstalowana moc szczytowa PV, - pozycja montażu (wolno-stojąca lub zintegrowana z budynkiem), - nachylenie, - azymut, - opcje śledzenia, - informacje na temat przeszkód znajdujących się na horyzoncie. Dane oraz zdjęcia instalacji PV (rys. 6.1) na UTP zostały przekazane dzięki uprzejmości Pana Łukasza Trzeciaka z firmy GREEN SUNERGY Sp. z o.o.. Szczegóły instalacji: - PV - moduł BYD 245P6-30 (18szt.), moduły polikrystaliczne, o wymiarach 1640 mm mm - 40 mm, - 18 x 245 Wp co daje łącznie 4410Wp (4,41 kwp), - pozycja wolno-stojąca, z przepływem powietrza za modułem, - nachylenie 18, - azymut 5 na zachód, - opcje śledzenia - brak, Małgorzata Wawer 47

48 - wokół budynku nie znajdują się przeszkody mające znaczący wpływ na działanie ogniw fotowoltaicznych. Rysunek 6.1. Moduły ogniw fotowoltaicznych na dachu UTP w Bydgoszczy [Źródło: GREEN SYNERGY Sp. z o.o., 2013] Parametr taki jak szacowane straty systemowe został przyjęty opcjonalnie przez program, gdyż producent nie dostarczył tej wartości. Po uzyskaniu kompletu danych, wprowadzono je do PVGIS co widać na rysunku 6.2, następnie po wciśnięciu ikonki "calculate" otrzymano wynik, przedstawiony na rysunku 6.3. Rysunek 6.2. Miejsce lokalizacji ogniw fotowoltaicznych na UTP w Bydgoszczy. Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps [Źródło: Małgorzata Wawer 48

49 Rysunek 6.3. Wynik uzyskany po wprowadzeniu danych do Photovoltaic Geographical Information System - Interactive maps, w porównaniu z danymi opublikowanymi przez Ministerstwo Infrastruktury i Rozwoju, gdzie: E d - średnia dzienna produkcja energii elektrycznej z danego systemu (kwh), E m - średnia miesięczna produkcja energii elektrycznej z danego systemu (kwh) H d - średnia dzienna suma globalnego napromieniowania na m 2 otrzymana przez moduł danego systemu (kwh/m 2 ), H m - średnia suma globalnego napromieniowania na m 2 otrzymana przez moduł danego systemu (kwh/m 2 ), ITH - suma całkowitego natężenia promieniowania na powierzchnię poziomą (Wh/m 2 ) [Źródło: Średnia suma globalnego napromieniowania na m 2 otrzymana przez moduł danego systemu w kwh/m 2 (H m ) jest obliczana na podstawie średnich sum dziennego promieniowania bezpośredniego Małgorzata Wawer 49

50 i rozproszonego z okresu Chcąc sprawdzić wiarygodność wyników obliczonych przez program PVGIS, na rysunku 6.3 zestawiono je z danymi opublikowanymi przez Ministerstwo Infrastruktury i Rozwoju prezentującym statystyczne dane klimatyczne dla obszaru Bydgoszczy do obliczeń energetycznych budynków z lat (ITH - suma całkowitego natężenia promieniowania na powierzchnię poziomą Wh/m 2 ). Gdyby w kolumnie ITH zamienić jednostki na kwh/m 2, czyli podzielić wartości przez 1000, obserwuje się różnice, jednak w ogólnym zarysie rocznym wartości są podobne. Ze stacji ogniw fotowoltaicznych zainstalowanych na UTP można uzyskać rocznie 4060 kwh. Dla porównania gospodarstwo domowe złożone z 4 członków rodziny zużywa rocznie średnio 1900 kwh [ tutaj pokazano przykład dużo większej instalacji na potrzeby Wydziały Inżynierii Mechanicznej i do celów badawczych. Dopóki projekt nie zostanie uruchomiony, nie można stwierdzić czy energia obliczona będzie zbliżona do uzyskanej. Natomiast znając dane producenta ogniw fotowoltaicznych i stosując program PVGIS można dowiedzieć się, jeszcze przed montażem, czy instalacja będzie opłacalna. Małgorzata Wawer 50

51 7. Stworzenie słonecznego katastru dla fragmentu dzielnicy Glinki w Bydgoszczy, dzięki zastosowania narzędzia Solar Radiation programu ArcGIS Dane ze skaningu laserowego pozyskano z Centralnego Ośrodka Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej. Do opracowania słonecznego katastru w programie ArcGIS - ArcMap 10, najlepiej użyć numeryczny model pokrycia terenu w formacie ARC/INFO ASCII GRID, w przeciwnym razie plik trzeba będzie poddać dodatkowym przekształceniom. Do analizy wybrano NMPT o numerze zapisanym w skorowidzu numerycznych danych wysokościowych jako N C-a-3-1 i z tego obszaru wybrano teren wzdłuż ul. Glinki w Bydgoszczy przedstawiony na rysunku 7.1. Rysunek 7.1. Obszar opracowania [Źródło: mapy.geoportal.gov.pl] Małgorzata Wawer 51

52 7.1. Opis programu ArcGIS for Desktop to oprogramowanie proponowane przez firmę Esri umożliwiające tworzenie, edytowanie i analizowanie wszystkich informacji geograficznych. Wszystkie wyniki można udostępniać w specjalnie do tego celu stworzonej platformie ArcGIS Online, co sprawia, że dzielenie się danymi nie ogranicza się do jednej instytucji, ale otworzyć je może użytkownik ArcGis na całym świecie. Program nie tylko posiada gotowe narzędzia, ale także pozwala tworzyć nowe modele i kompletne procesy pracy. Przykładów zastosowań jest wiele: GOPR - do zawężania obszarów poszukiwań osób zaginionych w górach, Policja - analizowanie obszarów przestępstw, Inwestycje - poszukiwanie najlepszego miejsca pod sklep, winnice, mieszkanie itp., Firma statystyczna - przeprowadzanie wszelkiego rodzaju statystyk np.: ludności, zatrudnienia, Straż Pożarna - przedstawienie na mapie obszarów zagrożonych pożarem, powodzią, suszą. ArcMap to aplikacja ArcGIS for Desktop służąca do edycji oraz tworzenia analiz map. Program pracuje zarówno na danych wektorowych jak i rastrowych. Pozwala także na ich transformację z jednych w drugie [esri.pl]. Małgorzata Wawer 52

53 7.2. Praca w programie Po uruchomieniu aplikacji ArcMap konieczne jest wczytanie mapy bazowej, która będzie służyła jako tło dla wynikowego rastra. Mapy bazowe są w pakiecie programu, wszystkie zostały przedstawione na rysunku 7.2. Do projektu zostało użyte zdjęcie satelitarne świata oznaczona na rysunku 7.2 literą a). Rysunek 7.2. Mapy bazowe programu ArcMap, obszar - cała Ziemia: a) zdjęcie satelitarne, b) mapa ulic, c) mapa topograficzna, d) mapa wysokościowa z cieniowaniem, e) mapa fizyczna, f) mapa terenu, g) mapa gruntów, h) bazowa mapa oceanów, i) mapa bazowa, z ograniczoną ilością kolorów, j) mapa do celów edukacyjnych [Źródło: Małgorzata Wawer 53

54 Po przygotowaniu odpowiedniego podkładu, należy skonwertować raster na którym będzie przeprowadzana analiza. W tym celu wybrano z zakładki ArcToolbox narzędzie "ASCII to Raster" (ścieżka dostępu została przedstawiona na rysunku 7.4). Konwersja pliku pozwala na późniejsze przetwarzanie nowo stworzonego rastra. Kolejną czynnością jest przypisanie układu współrzędnych. CODGiK na swojej stronie internetowej podaje, iż wszystkie dane wysokościowe są wykonane w układzie współrzędnych płaskich prostokątnych "1992", a wysokości odnoszą się do układu wysokości normalnych "Kronsztad 86". Następnie trzeba wybrać obszar, na którym będzie przeprowadzana analiza i stworzyć z niego nową warstwę, a pozostałe usunąć. Pomaga to w skróceniu czasu realizacji projektu do minimum. Duże obszary na przykład Rysunek 7.4. Zakładka ArcToolbox, z zaznaczonym narzędziem do przekształcania pliku w formacie ARC/INFO ASCII GRID do rastra [Źródło: ArcMap 10] całego miasta, wydłużają czas pracy programu nawet do kilku dni. Tak otrzymany obszar w formacie rastrowym przedstawiony został na rysunku 7.3. Rysunek 7.3. Obszar opracowania jako NMPT w formacie ARC/INFO ASCII GRID. Widok po użyciu narzędzia "ASCII to Raster" [Źródło: ArcMap 10] Małgorzata Wawer 54

55 Jeżeli obszar projektu jest już zdefiniowany, można przystąpić do analizy potencjału solarnego. Narzędzia służące do analiz słonecznych pozwalają ocenić wpływ słońca na dany obszar. W zakładce ArcToolbox wybieramy Spatial Analyst Tool, a następnie opcję Solar Radiation -> Area Solar Radiation, służącą do wyliczania promieniowania z powierzchni rastrowych. W oknie dialogowym Area Solar Radiation konieczne jest zweryfikowanie danych, w przeciwnym przypadku program sam wybiera opcjonalne wartości. Po wykonaniu tej czynności, otrzymujemy cztery wyniki w postaci rastrowej ukazujące: promieniowanie bezpośrednie (Wh/m 2 ) - rys. 7.5a, promieniowanie rozproszone (Wh/m 2 ) - rys. 7.5b, czas promieniowania dochodzącego do powierzchni ziemi (h) - rys. 7.5c, promieniowanie globalne (Wh/m 2 ), obliczane jako suma bezpośredniego i rozproszonego - rys. 7.5d. Rysunek 7.5. Rastry wynikowe po zastosowaniu narzędzia Area Solar Radiation: a) promieniowanie bezpośrednie; b) promieniowanie rozproszone, c) czas promieniowania dochodzącego do powierzchni Ziemi, d) promieniowanie globalne [Źródło: ArcMap 10] Małgorzata Wawer 55

56 Do późniejszej analizy wybrano raster z promieniowaniem globalnym (rys. 7.5 d), które sklasyfikowano na 3 grupy (rysunek 7.6): - niekorzystne < 900 kwh/m 2, - dobre kwh/m 2, - bardzo dobre > 1100 kwh/m 2. Rysunek 7.6. Promieniowanie globalne sklasyfikowane na 3 grupy: bardzo dobre (kolor czerwony), dobre (kolor pomarańczowy), niekorzystne (kolor biały) [Źródło: ArcMap 10] Słoneczny kataster powinien mieć oznaczone promieniowanie słoneczne tylko na dachach budynków, należy więc pozostawić wypełnienie kolorem tylko w tych miejscach. Widok produktu finalnego został przedstawiony na rysunku 7.7 jest to zarazem propozycja geoportalu dla miasta Bydgoszczy. Teraz pozostaje tylko umieszczenie gotowej mapy solarnej na stronie internetowej. Można się posłużyć systemem ArcGIS Online, niestety wtedy byłaby ona dostępna tylko dla zalogowanych użytkowników. Najlepszym wyjściem jest skorzystanie z podpowiedzi naszych zachodnich sąsiadów i umieścić mapę na oficjalnej stronie miasta. Małgorzata Wawer 56