Energia słoneczna i cieplna biosfery Zasoby energii słonecznej

Transkrypt

1 Dr inż. Mariusz Szewczyk Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Katedra Termodynamiki Rzeszów, ul. W. Pola 2 Energia słoneczna i cieplna biosfery Zasoby energii słonecznej zasoby energii słonecznej w Polsce i na Podkarpaciu sezonowa zmienność warunków solarnych przebiegi dobowe nasłonecznienia zmienność klimatyczna warunków solarnych zasoby techniczne energii słonecznej

2 Co decyduje o ilości promieniowania dochodzącego do ziemi? Parametry wpływajace na ilość i rodzaj promieniowania słonecznego to przede wszystkim: deklinacja Słońca (dzień roku), szerokość geograficzna, wysokość nad poziom morza, stopień i typ zachmurzenia, koncentracja aerozoli (zanieczyszczeń), zawartość pary wodnej, zawartość ozonu w atmosferze.

3 Dobowe nasłonecznienie na granicy atmosfery

4 Średnioroczne całkowite natężenie promieniowania na powierzchni Ziemi - 1

5 Średnioroczne całkowite natężenie promieniowania na powierzchni Ziemi - 2

6 Średnioroczne całkowite natężenie promieniowania na powierzchni Ziemi - 3

7 BMi L w Zmienność całkowitego natężenia promieniowania na powierzchni Ziemi

8 Porównanie całkowitego natężenia promieniowania na powierzchni Ziemi w czerwcu i grudniu

9 Nasłonecznienie roczne na powierzchni Ziemi kwh/m 2

10 Zasoby energii promieniowania słonecznego w Europie

11 Roczny przebieg usłonecznienia 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 [2].

12 Zasoby EPS w Polsce - kompilacja Miesiąc I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Długość dnia [h] 8,3 10,0 11,8 13,9 15,7 16,7 16,3 14,7 12,7 10,7 8,8 7,8 Dzienne usłonecznienie [h] 1,3 2,1 5,3 5,1 7,3 7,6 7,6 7,3 4,6 3,2 1,4 1,0 Dzienne nasłonecznienie na granicy atmosfery H o [MJ/m 2 ] Dzienne nasłonecznienie H [MJ/m 2 ] Współczynnik przezroczystości atmosfery Udział promieniowania dyfuzyjnego Wysokość Słońca w południe [ o ] 8,07 13,72 21,88 31,43 39,02 42,43 40,73 34,38 25,31 16,09 9,37 6,67 2,00 4,29 7,59 12,25 16,86 17,80 17,01 14,64 9,68 5,46 2,44 1,42 0,25 0,31 0,35 0,39 0,43 0,42 0,41 0,42 0,38 0,34 0,26 0,21 0,74 0,65 0,58 0,53 0,48 0,50 0,51 0,48 0,53 0,56 0,69 0,77 16,8 25,2 35,7 47,6 56,8 61,3 59,6 52,2 41,2 29,6 19,6 14,8 Tabela przedstawia dane charakteryzujące roczną zmienność właściwości promieniowania słonecznego w Warszawie [2, 3]. Parametry obliczane (nasłonecznienie na granicy atmosfery, długość dnia i wysokość słońca) określono dla stałej słonecznej S = W/m 2 (3,4%) i szerokości geograficznej płn. 52. Dzienne nasłonecznienie jest średnią z lat , usłonecznienie średnią z lat Warto zwrócić uwagę na to że: współczynnik przezroczystości atmosfery zdefiniowany jako H/H 0 w najlepszym przypadku niewiele przekracza 40 %, promieniowanie bezpośrednie stanowi co najwyżej 50 % całkowitego, dzienne usłonecznienie zmienia się w ciągu roku ponad 7-krotnie (podczas gdy długość dnia około 2-krotnie) i w najlepszym miesiącu jest niewiele dłuższe niż 7 godzin.

13 Rozkład nasłonecznienia w Polsce - 1 Zasoby energii słonecznej wg IMGW Średnie natężenie promieniowania w ciągu roku NCEP/NCAR reanaliza

14 Rozkład nasłonecznienia w Polsce - 2

15 Rozkład usłonecznienia w Polsce h/rok

16 Podział Polski na strefy helioenergetyczne

17 Źródła danych o zasobach energii słonecznej na Podkarpaciu Dane o właściwościach promieniowania słonecznego na terenie Podkarpacia określić można na podstawie: obserwacji IMGW w stacjach: - natężenie promieniowania: Lesko; - usłonecznienie: Rzeszów-Jasionka, Krosno, Sandomierz, Lesko, Przemyśl; pośrednich obserwacji satelitarnych; modelowania globalnego; modelowania wykorzystujące dostępne dane o zachmurzeniu, aerozolach, parze wodnej itd.

18 Nasłonecznienie roczne i miesięczne na terenie Podkarpacia Sumy promieniowania docierającego do powierzchni poziomej. Wartości średnie dla obszaru Podkarpacia opracowane na podstawie pomiarów promieniowania całkowitego z okresu i promieniowania rozproszonego z okresu Rok Miesiące I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII H ,8 45,7 81,5 111,1 149,6 152,1 155,0 136,5 91,1 57,3 27,9 21,4 H b 438,5 7,9 17,1 29,5 43,4 63,4 64,6 67,6 62,6 43,6 24,4 7,8 6,6 H d 617,5 18,9 28,6 52,0 67,7 86,2 87,5 87,4 73,9 47,6 32,8 20,1 14,8 0,58 0,70 0,63 0,64 0,61 0,58 0,57 0,56 0,54 0,52 0,57 0,72 0,69 gdzie: H nasłonecznienie całkowite [kwh/m 2 ], H b suma promieniowania bezpośredniego [kwh/m 2 ], H d suma promieniowania rozproszonego [kwh/m 2 ], φ udział promieniowania rozproszonego w promieniowaniu całkowitym.

19 Nasłonecznienie miesięczne na terenie Podkarpacia Suma miesięczna [kwh. m -2 ] I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Miesiąc napromieniowanie rozproszone napromieniowanie bezpośrednie Sumy miesięczne promieniowania docierającego do powierzchni poziomej na terenie Podkarpacia u góry, średnie miesięczne wartości udziału promieniowania rozproszonego na terenie Podkarpacia z prawej.

20 Rozkład nasłonecznienia całkowitego na terenie Podkarpacia H max 1080 kwh/m 2 /a H min 1020 kw/hm 2 /a ΔH 6 %

21 Rozkład nasłonecznienia bezpośredniego i rozproszonego na terenie Podkarpacia H b,max 425 kwh/m 2 /a H b,min 370 kw/hm 2 /a ΔH b 14 % H d,max 658 kwh/m 2 /a H d,min 643 kw/hm 2 /a ΔH d 2 % Sumy roczne promieniowania bezpośredniego (po lewej) i rozproszonego (po prawej)docierającego do powierzchni poziomej na terenie Podkarpacia na obu mapach zastosowano inne skale. W przypadku promieniowania bezpośredniego maksymalna różnica wartości wynosi około 14 % (H b,max = 425 kwh/m 2 ), a w przypadku promieniowania rozproszonego około 2 % (H d,max = 658 kwh/m 2 ).

22 Rozkład udziału prom. rozproszonego na terenie Podkarpacia

23 Sezonowy rozkład nasł. całkowitego na terenie Podkarpacia

24 Godzinne sumy promieniowania całkowitego na powierzchnię poziomą na Podkarpaciu - tabela [kj/m 2 ] Godzina Miesiąc I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 3-4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,2 2,2 0,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 1,8 49,7 107,8 63,0 6,3 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 1,4 80,0 291,2 385,3 314,9 148,7 20,0 0,0 0,0 0, ,0 0,7 79,2 364,1 654,5 745,0 669,0 484,4 232,5 40,7 0,4 0, ,4 69,6 415,7 791,1 1123,9 1215,6 1128,9 917,5 619,9 269,8 49,9 2, ,8 330,4 763,8 1141,4 1483,8 1538,1 1465,5 1286,7 964,4 562,2 235,6 100, ,5 622,7 1015,5 1388,8 1731,5 1743,5 1699,5 1567,9 1217,9 802,7 427,7 291, ,4 832,6 1201,2 1561,9 1904,1 1901,3 1878,1 1772,3 1388,1 972,1 562,7 446, ,9 964,4 1312,4 1639,2 1978,5 1987,2 1977,3 1871,1 1458,1 1027,9 603,0 509, ,8 984,4 1312,2 1603,7 1940,8 1969,6 1963,7 1847,5 1416,4 969,3 550,6 478, ,6 887,4 1192,7 1467,3 1784,7 1833,0 1835,5 1712,4 1274,1 827,2 434,1 375, ,8 694,6 976,5 1248,1 1528,0 1594,0 1614,1 1482,8 1045,3 625,1 283,3 227, ,5 434,1 693,8 966,0 1209,7 1286,6 1324,1 1182,3 754,6 366,0 104,0 58, ,1 149,0 385,6 644,9 876,9 969,2 1000,8 836,7 440,9 109,8 4,6 0, ,0 6,8 108,1 312,3 539,9 656,2 660,1 470,9 143,2 4,6 0,0 0, ,0 0,0 2,9 61,5 219,1 334,2 325,2 149,9 7,9 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 0,5 26,8 87,6 73,9 8,4 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,3 0,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Suma dzienna Suma mies Suma roczna

25 Godzinne sumy promieniowania całkowitego na powierzchnię poziomą na Podkarpaciu - wykres Nasłonecznienie całkowite [kj. m -2 ] Styczeń Luty Marzec Kwiecień Maj Czerwiec Lipiec Sierpień Wrzesień Październik Listopad Grudzień Przedział godzin czasu słonecznego

26 Rozkład godzinnych sum promieniowania bezpośredniego i rozproszonego na powierzchnię poziomą na Podkarpaciu Nasłonecznienie bezpośrednie [kj. m -2 ] Styczeń Luty Marzec Kwiecień Maj Czerwiec Lipiec Sierpień Wrzesień Październik Listopad Grudzień Nasłonecznienie rozproszone [kj. m -2 ] Przedział godzin czasu słonecznego Styczeń Luty Marzec Kwiecień Maj Czerwiec Lipiec Sierpień Wrzesień Październik Listopad Grudzień Przedział godzin czasu słonecznego

27 Usłonecznienie dobowe i miesięczne na terenie Podkarpacia Średnia długość dnia, usłonecznienie względne, dobowe i miesięczne. Wartości średnie dla obszaru Podkarpacia opracowane na podstawie pomiarów usłonecznienia z okresu Miesiące I II III IV V VI Długość dnia [h] 8,59 10,04 11,83 13,70 15,32 16,18 Usłonecznienie względne 0,22 0,25 0,31 0,40 0,49 0,48 Usłonecznienie dobowe [h] 1,91 2,55 3,63 5,42 7,44 7,69 Usłonecznienie miesięczne [h] 59,3 71,4 112,4 162,5 230,6 230,8 VII VIII IX X XI XII Długość dnia [h] 15,78 14,36 12,57 10,71 9,04 8,13 Usłonecznienie względne 0,47 0,51 0,41 0,33 0,20 0,17 Usłonecznienie dobowe [h] 7,36 7,32 5,11 3,52 1,81 1,41 Usłonecznienie miesięczne [h] 228,1 226,8 153,2 109,1 54,3 43,6

28 Długość dnia i usłonecznienie dobowe na terenie Podkarpacia Długość dnia [h] Usłonecznienie dobowe [h] I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Miesiąc długość dnia usłonecznienie dobowe Średnia długość dnia i usłonecznienie dobowe na terenie Podkarpacia.

29 Rozkład usłonecznienia na terenie Podkarpacia max 1840 h/a min 1400 h/a Δ 24 %

30 Sezonowy rozkład usłonecznienia na terenie Podkarpacia

31 Podział województwa podkarpackiego na rejony solarne

32 Podział województwa podkarpackiego na rejony solarne Niemal cały obszar Podkarpacia ma stosunkowo dobre warunki solarne, jedne z najlepszych w Polsce. Jedynie obszar środkowego Pomorza ma nieco lepsze warunki. Na całym obszarze Podkarpacia roczne sumy nasłonecznienia przekraczają 1000 kwh/m 2. Różnice przestrzenne rocznego nasłonecznienia na Podkarpaciu nie są duże, a kluczową rolę w rozkładzie przestrzennym odgrywa dystrybucja zachmurzenia. Charakterystyka regionów solarnych: Rejon I bardzo dobre warunki słoneczne jest obszarem najbardziej korzystnym z sumami rocznymi powyżej 1060 kwh m -2. Usłonecznienie na całym obszarze jest najwyższe i w części centralnej rejonu przekracza 1800 godzin rocznie. Rejon II dobre warunki słoneczne gdzie sumy nasłonecznia zawierają się w przedziale od 1030 do 1050 kwh m -2. Usłonecznienie w tym rejonie jest dość wysokie i wynosi średnio około 1750 godzin. Rejon III średnie warunki słoneczne wstępują tu najniższe sumy usłonecznienia (lokalnie poniżej 1550 godzin rocznie) oraz najniższe sumy energii promieniowania słonecznego (poniżej 1040 kwh m -2 ). Rejon IV zmienne warunki słoneczne nasłonecznienie roczne zmienia się w przedziale kwh m -2, a usłonecznienie zmienia się w szerokim zakresie od 1500 do 1750 godzin rocznie.

33 Średnie warunki klimatyczne Podkarpacia 25 Styczeń Temperatura powietrza [ o C] Luty Marzec Kwiecień Maj Czerwiec Lipiec Sierpień Wrzesień Październik Listopad Grudzień Średnie wartości współczynnika odbicia podłoża (albedo) dla poszczególnych miesięcy na Podkarpaciu ,400 Przedział godzin czasu słonecznego Rozkład średnio-godzinnych wartości temperatury powietrza atmosferycznego dla średnich dni miesięcy na terenie Podkarpacia. 0,350 0,300 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 0,000 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Albedo 0,360 0,355 0,237 0,142 0,140 0,150 0,150 0,170 0,130 0,149 0,229 0,379 Miesiąc

34 Sumy miesięczne i roczne promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię o różnych kątach podniesienia zorientowaną w kierunku południowym Rok Miesiące I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII H horyzont 1055,8 26,8 45,7 81,5 111,1 149,6 152,1 155,0 136,5 91,1 57,3 27,9 21,4 H( =10 o ) 1125,0 31,9 53,1 89,1 117,0 153,8 154,4 158,3 143,2 99,8 65,9 32,2 26,3 H( =30 o ) 1195,7 40,5 65,0 99,3 121,7 153,1 150,0 155,5 147,5 110,5 78,9 39,0 34,7 H( =50 o ) 1174,0 46,1 72,1 102,2 117,2 140,7 134,7 140,9 140,1 111,6 85,0 43,0 40,5 H( =70 o ) 1060,7 48,1 73,3 97,3 103,9 117,9 109,8 116,0 121,5 102,9 83,5 43,6 42,9 H( =90 o ) 861,4 45,8 68,2 84,6 82,4 86,5 77,4 82,7 93,1 84,8 74,0 40,4 41,5 H( opt,r ) 1245,9 48,1 73,6 102,2 121,7 155,0 154,5 158,8 147,6 112,3 85,4 43,8 42,9 ptymalny H ( opt,m ) 1477,9 51,0 82,1 117,7 144,2 186,9 187,2 195,0 184,9 138,9 97,8 46,4 45,6 gdzie: H horyzont - sumy miesięczne promieniowania słonecznego na powierzchnię poziomą [kwh/m 2 ]; H( = 10,, 90 ) - sumy miesięczne promieniowania słonecznego na powierzchnię zorientowaną w kierunku południowym o kącie podniesienia = 10,, 90 [kwh/m 2 ]; H( opt,r ) - sumy miesięczne promieniowania słonecznego na powierzchnię optymalnie zorientowaną; optymanly - optymalny kąt ustawienia płaszczyzny kolektora [ ]; H ( opt,m ) - sumy miesięczne promieniowania słonecznego na pow. optymalnie pochyloną [kwh/m 2 ].

35 Zależność całkowitego nasłonecznienia rocznego od kąta podniesienia płaszczyzny kolektora 1250 Roczna suma promieniowania [kwh/m 2 ] Kąt podniesienia kolektorów [ o ]

36 Pochylenie optymalne odbiornika zmiany sezonowe Nasłonecznienie [kwh. m -2 ] Pochylenie odbiornika [deg] h nasłonecznienie powierzchni poziomej nasłonecznienie powierzchni optymalnie pochylonej optymalny kąt pochylenia odbiornika 0 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Miesiąc 0 Zmiana optymalnego kąta pochylenia odbiornika w ciągu roku oraz wpływ pochylenia optymalnego odbiornika na wartość jego nasłonecznienia dla Podkarpacia.

37 Sumy dzienne promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię o różnych kątach podniesienia Suma dzienna [kj. m -2 ] β = 0 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Miesiące napromieniowanie bezpośrednie napromieniowanie rozproszone Suma dzienna [kj. m -2 ] β = 30 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII napromieniowanie bezpośrednie napromieniowanie odbite Miesiące napromieniowanie rozproszone Suma dzienna [kj. m -2 ] I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII β = 50 napromieniowanie bezpośrednie napromieniowanie odbite Miesiące napromieniowanie rozproszone Suma dzienna [kj. m -2 ] β = 70 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII napromieniowanie bezpośrednie napromieniowanie odbite Miesiące napromieniowanie rozproszone Nasłonecznienie dzienne dla różnych katów podniesienia powierzchni absorbującej zorientowanej w kierunku południowym. Suma dzienna [kj. m -2 ] I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII β = 90 napromieniowanie bezpośrednie napromieniowanie odbite Miesiące napromieniowanie rozproszone

38 Zmienność klimatyczna nasłonecznienia rocznego na Podkarpaciu Roczne sumy natężenia promieniowania słonecznego w [kwh/m 2 ] docierającego do powierzchni Ziemi dla Podkarpacia w okresie od 1984 do 2006 roku. W analizowanym okresie wartość maksymalna 1139 kwh/m 2 wystąpiła w roku 2003, zaś minimalna 961 kwh/m 2 w 1998 roku. Względna zmienność rocznych (z roku na rok) sum natężenia promieniowania słonecznego zdefiniowana jako stosunek odchylenia standardowego do wartości średniej jest stosunkowo niska i wynosi 3,7 %.

39 Zmienność klimatyczna nasłonecznienia miesięcznego na Podkarpaciu Miesięczne sumy natężenia promieniowania słonecznego w [kwh/m 2 ] docierającego do powierzchni Ziemi dla Podkarpacia w okresie od 1984 do 2006 roku. Miesiące I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII [%] Względna zmienność (z roku na rok) miesięcznych sum natężenia promieniowania słonecznego w okresie

40 Zasoby techniczne energii słonecznej wpływ kąta ustawienia Miesięczny uzysk energetyczny [kwh/m 2 ] Roczny uzysk energii termicznej [kwh/m 2 ] I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII M ie sią c Kąt podniesienia kolektora [ o ] Miesięczny i roczny uzysk energetyczny z płaskiego kolektora termicznego zasilanego czynnikiem o temperaturze 40 C. 0,50 0,45 Sprawność kolektora 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0, I II III IV V V I V II V III IX X XI XII m ie sią c Średnioroczna sprawność kolektora 0,38 0,36 0,34 0,32 0,30 0,28 0, Kąt podniesienia kolektora [ o ] Średniomiesięczna i roczna sprawność płaskiego kolektora termicznego o różnym kącie podniesienia, zasilanego czynnikiem o temperaturze 40 C.

41 Zasoby techniczne energii słonecznej wpływ temperatury pracy 90 Miesięczny uzysk energetyczny [kwh/m 2 ] A B C I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Roczny uzysk energii termicznej [kwh/m 2 ] A B C Miesiąc Konfiguracja instalacji Miesięczny uzysk energetyczny z płaskiego kolektora termicznego przy kącie ustawienia 50 dla: A stałej temperatury zasilania równej 40 C, B stałej temperatury zasilania równej 20 C, C zmiennej temperatury zasilania od 0 C w styczniu do 13 C we wrześniu. 0, 7 0 Sprawność kolektora 0, 6 0 0, 5 0 0, 4 0 0, 3 0 0, 2 0 0, 1 0 A B C I II III IV V V I V II V III IX X XI XII M ie sią c Średnioroczna sprawność kolektora 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,54 0,44 0,36 A B C Konfiguracja instalacji Średniomiesięczna i roczna sprawność płaskiego kolektora termicznego przy kącie ustawienia 50 dla różnych rodzajów odbiornika energii termicznej.

42 Uzysk energetyczny pola kolektorów 600 W zależności od doboru parametrów pola kolektorów z jednego hektara uzyskać można od 1,8 do 4 GWh energii cieplnej - jest to równoważne około t.p.u. Roczny uzysk energii termicznej [kwh/m 2 ] a c a1 c1 0 b d b1 d Kąt podniesienia kolektora [ o ] Roczny uzysk energii termicznej z pola płaskich kolektorów termicznych ustawionych w rzędach w kierunku południowym gdy rzędy kolektorów rozstawione są w odległości zapewniającej, że: a kolektory nie są zacieniane, b kolektory są częściowo zacieniane przez 2 miesiące, c kolektory są częściowo zacieniane przez 4 miesiące, d kolektory są częściowo zacieniane przez 6 miesięcy; 0 uzysk z jednostki powierzchni samodzielnego kolektora; a, b, c, d uzysk z jednostki powierzchni terenu; a1, b1, c1, d1 uzysk z jednostki powierzchni kolektora.

43 Średnie natężenie promieniowania całkowitego na powierzchni Ziemi w czerwcu

44 Zmienność klimatyczna nasłonecznienia na Podkarpaciu

45 Sezonowa zmienność warunków solarnych