Wykorzystanie energii słonecznej

Wykorzystanie energii słonecznej Podaż energii promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą i nachyloną Część 1 Zdzisław Kusto Politechnika Gdańska

Stała Stała słoneczna: 0 = 0 1353 1353 W // m 2 2 -- jest jest to to gęstość strumienia energii energii promieniowania słonecznego padającego na na jednostkową płaszczyznę prostopadłą do do kierunku promieniowania na na granicy ziemskiej atmosfery. Jest Jest to to także także gęstość strumienia energii energii promieniowania słonecznego mierzona dla dla średniej odległości Ziemi Ziemi od od Słońca. Orbita Orbita Ziemi Ziemi wokół wokół Słońca Słońca jest jest elipsą. elipsą. Atmosfera Ziemi Ziemi rozprasza promieniowanie słoneczne w części części lub lub w całości. Całkowite promieniowanie słoneczne, docierające do do powierzchni Ziemi Ziemi składa składa się: się:. -ze -ze składowej bezpośredniej radiacji radiacji słonecznej, -ze -ze składowej rozproszonej (w (w atmosferze Ziemi Ziemi i i przez przez obiekty obiekty na na Ziemi). Ziemi).

Składowe całkowitego promieniowania słonecznego docierającego do do powierzchni Ziemi: Ziemi: 1) 1) składowa składowa promieniowania promieniowania bezpośredniego bezpośredniego inaczej: inaczej: promieniowanie promieniowanie bezpośrednie, bezpośrednie, --składowa składowa bezpośrednia bezpośrednia 2) 2) składowa składowa promieniowania promieniowania rozproszonego rozproszonego przez przez atmosferę atmosferę Ziemi Ziemi inaczej: inaczej: promieniowanie promieniowanie rozproszone, rozproszone, --składowa składowa rozproszona, rozproszona, --składowa składowa dyfuzyjna dyfuzyjna 3) 3) składowa składowa promieniowania promieniowania rozproszonego rozproszonego przez przez powierzchnię powierzchnię Ziemi Ziemi i i rozmieszczone rozmieszczone na na niej niej obiekty obiekty (drzewa, (drzewa, rośliny, rośliny, budynki, budynki, skały, skały, gleba, gleba,......) ) inaczej: inaczej: -- promieniowanie promieniowanie odbite, odbite, -- albedo albedo promieniowania promieniowania

Składowe całkowitego promieniowania słonecznego --założenia: Wykorzystanie energii słonecznej 1) 1) składowa składowa promieniowania promieniowania bezpośredniego bezpośredniego dociera dociera do do powierzchni powierzchni Ziemi Ziemi bezpośrednio bezpośrednio od od Słońca; Słońca; jest jest to to promieniowanie promieniowanie kierunkowe kierunkowe 2) 2) składowa składowa promieniowania promieniowania rozproszonego rozproszonego dociera dociera jednakowo jednakowo ze ze wszystkich wszystkich kierunków kierunków do do dowolnie dowolnie wybranego wybranego miejsca miejsca na na powierzchni powierzchni Ziemi Ziemi 3) 3) składowa składowa promieniowania promieniowania odbitego odbitego i i rozproszonego rozproszonegoprzez przez powierzchnię powierzchnię Ziemi Ziemi i i rozmieszczone rozmieszczone na na niej niej obiekty obiekty jest jest emitowane emitowane do do atmosfery atmosfery ziemskiej ziemskiej jednakowo jednakowo we we wszystkich wszystkich kierunkach kierunkach

ŚWAT -- MAPA ROCZNEGO NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO -- energia pierwotna (surowa) Polska: Średnie Średnie roczne roczne nasłonecznienie nasłonecznienie całkowite całkowite jednostkowej jednostkowej płaszczyzny płaszczyzny horyzontalnej horyzontalnej (poziomej): (poziomej): 1100 1100 kw*h/m 2 2

POLSKA --MAPA ROCZNEGO NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO -- energia pierwotna (surowa)

EUROPA -- ROCZNE NASŁONECZNENE CAŁKOWTE POWERZCN POZOMEJ Roczne nasłonecznienie, MJ/m 2 *a 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Polska 40 45 50 55 60 65 70 Szerokość geograficzna północna, 0 N

ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA W CĄGU ROKU Pozorna wędrówka Słońca Słońca na na niebie niebie na na półkuli półkuli północnej --widziana z powierzchni horyzontalnej w kolejnych dniach dniach astronomicznych Linie Linie niebieskie niebieskie pokazują pokazują godzinę godzinę wschodu wschodu i i zachodu zachodu Słońca Słońca dla dla płaszczyzny płaszczyzny nieruchomej nieruchomej nachylonej nachylonej do do poziomu poziomu i i zwróconej zwróconej ku ku południowi południowi

ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA W CĄGU ROKU Pozorna wędrówka Słońca Słońca na na niebie niebie na na półkuli półkuli północnej --widziana z powierzchni horyzontalnej w dniach: 22 22 grudnia i i 22 22 czerwca

ŚWAT -- ZMENNOŚĆ DOBOWEGO NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO W CĄGU ROKU Nasłonecznienie dobowe wartości średnie roczne, MJ/doba*m 2 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 φ = 0 0 φ = 20 0 N φ = 40 0 N Polska φ = 60 0 N φ = 90 0 N 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Miesiąc Wykresy dla półkuli północnej Zmienność nasłonecznienia jest zależna od szerokości geograficznej

ŚWAT -- ZMENNOŚĆ DOBOWEGO NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO W CĄGU ROKU Świat - Roczna zmienność dobowego nasłonecznienia [ MJ/doba*m 2 ] Miesiąc φ = 0 0 N φ = 20 0 N φ = 40 0 N Polska φ = 60 0 N φ = 90 0 N X 20,10 14,90 5,40 1,70 0 0 20,20 14,00 4,10 2,05 0,05 0 20,60 15,80 6,20 4,60 0,20 0 21,00 18,70 12,10 8,60 3,00 0 V 20,80 20,70 17,60 13,10 10,00 0,20 V 20,50 21,80 20,80 16,90 16,20 8,00 V 20,20 22,80 23,10 19,70 21,00 17,00 V 20,10 23,00 23,70 18,00 21,30 17,50 V 20,40 22,20 22,40 15,00 17,50 10,80 X 20,90 21,20 18,00 11,20 10,80 0,80 X 21,10 19,70 13,00 6,50 5,80 0 X 20,80 16,00 8,00 2,60 1,20 0 X 20,10 14,90 5,40 1,70 0 0

POLSKA --ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA NA NA POWERZCNĘ ORYZONTALNĄ Średnie dobowe nasłonecznienie, MJ/m 2 *doba 44 42 40 38 0 d X 36 0 5 1,6 0,8 1 6,3 2,5 1 34 2 12,5 4 2 32 3 20,8 7 3,8 V 30 4 29 11,5 5,7 V 28 5 37 16 7,1 V 26 6 41 18 7,95 V 24 7 39 17 7,6 V 22 8 32 13,3 6,4 X 20 9 23 8,9 4,6 X 18 10 14,5 4,7 2,9 X 11 8,5 2,2 1,5 16 X 12 5 1,6 0,8 14 12 10 8 6 4 2 0 Promieniowanie pozaatmosferyczne - 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Miesiąc Nasłonecznienie całkowite - Promieniowanie rozproszone - d Zmienność dobowego nasłonecznienia w Polsce [ MJ/doba*m 2 ] Miesiąc 0 d X 5,00 1,60 0,80 6,30 2,50 1,00 12,50 4,00 2,00 20,80 7,00 3,80 V 29,00 11,50 5,70 V 37,00 16,00 7,10 V 41,00 18,00 7,95 V 39,00 17,00 7,60 V 32,00 13,30 6,40 X 23,00 8,90 4,60 X 14,50 4,70 2,90 X 8,50 2,20 1,50 X 5,00 1,60 0,80

POLSKA --ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO NA NA POWERZCNĘ ORYZONTALNĄ Nasłonecznienie całkowite powierzchni horyzontalnej, MJ/m2*doba 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Średnie dobowe całkowite nasłonecznienie w Polsce Gdynia Kołobrzeg Warszawa Zakopane Średnia krajowa 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Miesiąc Średnie dobowe nasłonecznienie całkowite dla wybranych miejscowości w Polsce MJ/m 2 *doba Średnia Miesiąc Gdynia Kołobrzeg Warszawa Zakopane krajowa 1,8 1,8 2,0 3,2 2,4 5,0 5,0 3,3 5,5 4,6 8,2 7,5 8,5 10,9 8,6 V 13,1 15,0 12,2 12,7 13,0 V 18,0 18,8 15,8 14,6 16,9 V 21,3 22,6 18,3 15,5 19,7 V 20,0 21,4 17,5 14,5 18,0 V 17,8 19,2 15,0 14,3 15,0 X 11,8 11,3 9,5 10,2 11,1 X 4,5 4,0 5,5 7,5 6,3 X 2,3 3,0 2,8 4,5 2,6 X 1,5 1,3 1,8 3,2 1,7 Średnia w roku 10,5 10,9 9,4 9,7 9,9

SEZONOWA ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO W POLSCE --energia pierwotna (surowa) ROCZNE GLOBALNE NASŁONECZNENE POWERZCN POZOMEJ 3200 3960 MJ m 2 a SEZONOWE UDZAŁY CAŁKOWTEGO NASŁONECZNENA: - 4 miesiące zimowe: (X - ) 9% - 4 miesiące wiosenno-letnie: (V - V) 60% - 4 miesiące pozostałe: (, V, X, X) 31% Udział promieniowania rozproszonego 50%

ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO PŁASZCZYZNY NACYLONEJ -- energia pierwotna (surowa) Gdy znamy nasłonecznienie powierzchni horyzontalnej, możemy obliczyć nasłonecznienie powierzchni nachylonej. Wzory transformacyjne: T T T = R - chwilowa wartość nasłonecznienia, kw = R - dobowe (dzienne) nasłonecznienie, kj/doba - moc promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą, W - moc promieniowania słonecznego na płaszczyznę nachyloną, W - dobowe nasłonecznienie płaszczyzny poziomej, kj/doba T - dobowe nasłonecznienie płaszczyzny nachylonej, kj/doba R, R T - współczynniki transformacyjne dla promieniowania całkowitego

ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO PŁASZCZYZNY NACYLONEJ - energia pierwotna (surowa) ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO PŁASZCZYZNY NACYLONEJ - energia pierwotna (surowa) 2 cos 1 2 cos 1 s s R R R R R d b b r d d b b T + + + = = + + = = ρ ρ Współczynniki transformacyjne a) dla wartości chwilowych nasłonecznienia b) dla nasłonecznienia dobowego 2 cos 1 2 cos 1 s s R R R R R d b b r d d b b T + + + = = + + = = ρ ρ

ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO PŁASZCZYZNY NACYLONEJ -- energia pierwotna (surowa) b d - moc promieniowania bezpośredniego na płaszczyznę poziomą, W - moc promieniowania rozproszonego na płaszczyznę poziomą, W b - dobowe nasłonecznienie bezpośrednie płaszczyzny poziomej, kj/m 2 doba - dobowe nasłonecznienie rozproszone płaszczyzny poziomej, d kj/m2 doba R b, R d - współczynniki transformacyjne dla promieniowania bezpośredniego i rozproszonego s - kąt nachylenia płaszczyzny do poziomej - skierowanej ku południowi wzdłużpołudnika miejscowego ρ - współczynnik albedo (współczynnik odbicia promieniowania słonecznego od powierzchni Ziemi i umieszczonych na niej obiektów)

ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO PŁASZCZYZNY NACYLONEJ -- energia pierwotna (surowa) Całkowite dobowe nasłonecznienie jednostkowej powierzchni nachylonej 0 pod kątem s = 45 do poziomu T oraz długość dnia - d h w reprezentatywnych dobach poszczególnych miesięcy Miesiąc Numer doby reprezentatywnej Gdynia φ = 54,52 T [kj/m 2 *d] 0 dh N [h] Kołobrzeg 0 φ = 54,13 N T [kj/m 2 *d] dh [h] Warszawa 0 φ = 52,57 N T [kj/m 2 *d] dh [h] Zakopane 0 φ = 49,30 N T [kj/m 2 *d] Styczeń 13 2 300 7,5 2 300 7,5 2 200 7,8 4 300 8,3 Luty 45 6 700 9,3 6 800 9,3 3 700 9,5 6 700 9,8 Marzec 74 10 400 11,4 9 200 11,4 10 900 11,5 13 800 11,5 Kwiecień 105 15 700 12,2 18 100 12,2 13 800 12,1 15 200 12,0 Maj 133 19 600 12,4 20 800 12,4 17 400 12,3 15 900 12,1 Czerwiec 161 23 300 12,5 25 500 12,5 19 500 12,4 16 400 12,2 Lipiec 201 23 000 12,4 24 100 12,4 19 000 12,3 15 500 12,2 Sierpień 229 22 500 12,2 24 600 12,2 17 600 12,2 16 000 12,1 Wrzesień 258 14 800 12,0 14 300 12,0 12 000 12,0 12 700 12,0 Październik 289 5 100 10,0 4 400 10,1 6 000 10,2 9 300 10,4 Listopad 321 2 600 8,0 3 100 8,0 2 600 8,3 4 700 8,7 Grudzień 345 1 600 7,0 1 300 7,1 1 800 7,5 3 200 8,0 dh [h]

ZMENNOŚĆ NASŁONECZNENA CAŁKOWTEGO PŁASZCZYZNY NACYLONEJ -- energia pierwotna (surowa)