Pasywne wykorzystanie energii słonecznej 2 Email
wtorek, 24 kwietnia 2007 13:58

Struktura promieniowania słonecznego

część 2
Promieniowanie słoneczne jest to emisja lub przenoszenie energii w postaci fal elektromagnetycznych, natomiast energia promieniowania słonecznego jest to ilość energii przenoszona przez to promieniowanie.
Promieniowanie słoneczne padające na zewnętrzną warstwę atmosfery ziemskiej jest promieniowaniem bezpośrednim. Na powierzchnię Ziemi pada promieniowanie bezpośrednie i rozproszone przez atmosferę. Promieniowanie bezpośrednie jest to promieniowanie, które dociera wzdłuż linii prostej od tarczy słonecznej do wybranego dowolnego punktu na Ziemi, będącego miejscem
1. Struktura promieniowania słonecznego i metody szacowania
napromieniowania powierzchni dowolnie usytuowanej

1.1 Zależności geometrii sferycznej pomiędzy padającym promieniowaniem słonecznym a dowolnie usytuowaną powierzchnią

Promieniowanie słoneczne jest to emisja lub przenoszenie energii w postaci fal elektromagnetycznych, natomiast energia promieniowania słonecznego jest to ilość energii przenoszona przez to promieniowanie.
Promieniowanie słoneczne padające na zewnętrzną warstwę atmosfery ziemskiej jest promieniowaniem bezpośrednim. Na powierzchnię Ziemi pada promieniowanie bezpośrednie i rozproszone przez atmosferę. Promieniowanie bezpośrednie jest to promieniowanie, które dociera wzdłuż linii prostej od tarczy słonecznej do wybranego dowolnego punktu na Ziemi, będącego miejscem obserwacji. Natomiast promieniowanie rozproszone dociera z różnych kierunków. Do dowolnej pochylonej względem poziomu powierzchni dociera promieniowanie bezpośrednie, promieniowanie rozproszone przez atmosferę, jak również promieniowanie odbite od gruntu i różnych przedmiotów znajdujących się w sąsiedztwie rozważanej powierzchni. Dowolna powierzchnia na kuli ziemskiej w zależności od jej lokalizacji, usytuowania, kształtu, materiału, z którego jest wykonana i szeregu innych czynników ma różnorodne warunki do odbioru i pozyskania energii promieniowania słonecznego.

Przy analizowaniu możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego interesuje nas przede wszystkim strumień energii docierającej do powierzchni wystawionej na oddziaływanie tego promieniowania, co jest związane z położeniem tej powierzchni na Ziemi i jej umiejscowienie względem Słońca. W przypadku analizy dostępności promieniowania słonecznego, położenie na kuli ziemskiej dowolnego punktu, czy zbioru punktów, którym jest rozważana powierzchnia, jest wyznaczane nie tylko poprzez współrzędne geograficzne: szerokość i długość geograficzną, ale także poprzez warunki otoczenia zewnętrznego. Położenie danej powierzchni względem Słońca jest wyznaczane przy wykorzystaniu podstawowych pojęć geometrii sferycznej związanej z ruchem Ziemi względem Słońca.

1.2. Dane promieniowania słonecznego i model klimatu

Natężenie promieniowania słonecznego, tak jak inne parametry pogodowe, podlega pewnym regularnym deterministycznym zmianom związanym z położeniem geograficznym, ruchem Ziemi wokół Słońca i wokół własnej osi, ale jednocześnie będąc parametrem klimatycznym charakteryzuję się dużą stochastycznością. Ten stochastyczny charakter zmian powoduje, że do analiz warunków napromieniowywania dowolnych powierzchni, w tym powierzchni obudowy budynku, niezbędne są dane rzeczywiste promieniowania przygotowane w sposób względnie uporządkowany poprzez zastosowanie odpowiedniej metodyki ich opisu.

Promieniowanie słoneczne docierające na poziomą powierzchnię ziemi niesie ze sobą określoną wartość energetyczną. Pomiary i badania promieniowania słonecznego prowadzone są przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Stacje aktynometryczne prowadzą pomiary promieniowania całkowitego i rozproszonego. Część stacji dysponuje seriami pomiarowymi ponad 25-letnimi, uznawanymi za reprezentatywne dla opracowań klimatologicznych, a także dla analiz z zakresu energetyki słonecznej. Stacje meteorologiczne dokonują także pomiarów usłonecznienia, czyli liczby godzin słonecznych występujących w danym okresie czasu.
W latach 1970 - 1978 Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej publikował Roczniki Promieniowania Słonecznego. W rocznikach tych były opracowane dane promieniowania zebrane przez podstawowe stacje aktynometryczne i kilka pomocniczych. Dane te dotyczyły promieniowania całkowitego, rozproszonego, odbitego, padającego na powierzchnię prostopadłą do kierunku promieni słonecznych i bilansu promieniowania. Dane przedstawiane były w postaci stabelaryzowanej jako sumy godzinne, półdzienne, dzienne, dekadowe, miesięczne i roczne dla danego roku kalendarzowego. Obecnie dane tego typu nie są ogólnie dostępne.

W literaturze, oprócz wspomnianych publikacji IMGW, ukazywały się także inne opracowania. Paszyński w Atlasie Klimatycznym przedstawił średnie miesięczne i roczne składniki bilansu promieniowania z lat 1951 - 1960. Rojek opublikował obliczone wartości promieniowania całkowitego z lat 1951 - 1970 w postaci sum miesięcznych, półrocznych i rocznych, na podstawie danych z 66 stacji.
W tym okresie ukazywały się także inne publikacje zawierające dane promieniowania słonecznego i metody ich opracowań. W ramach Programu PR-8 (Programu Rządowego – 8) w latach 80-tych, w ramach tematu prowadzonego przez Kotowskiego pt. „Optymalizacja konstrukcji słonecznych podgrzewaczy powietrza w polskich warunkach klimatycznych” opracowano w formie graficznej rozkład napromieniowania roczny i dobowy dla 14 regionów.
W ramach innego tematu tego programu pt. „Struktura promieniowania słonecznego w czasie, jej zmiany w różnych miejscowościach” prowadzonego przez Jaskólskiego opracowano uśrednione sumy godzinne promieniowania słonecznego całkowitego i rozproszonego dla uśrednionych dni kolejnych miesięcy roku na podstawie danych 20 letnich, za okres 1960 - 1979. Od czasu zakończenia programów rządowych (PR-8) nie publikowano szczegółowych danych sum godzinnych promieniowania słonecznego i jego składowych. Pewne uśrednione dane dotyczące promieniowania znajdują się w normie PN-B-02025. Są to dane promieniowania całkowitego z 17 stacji aktynometrycznych uśrednione za okres 10 lat, podane w postaci sum miesięcznych.

Promieniowanie słoneczne, jego pomiary i modele klimatu są przedmiotem szeregu publikacji. W związku z różną dostępnością danych klimatycznych, w zależności od ich liczby, dokładności i formy, opracowywane są różne modele klimatu. Wiele stosowanych modeli klimatu stosuje model tzw. typowego roku, miesiąca, czy dnia bez uwzględniania anomalii pogodowych. Modele te wykorzystują różne metody uśredniania danych pogodowych. Czasami stosuje się model średniego dnia danego miesiąca, który otrzymuje się z uśrednienia danych wieloletnich. Im dłuższy okres uśrednienia tym dany model jest bardziej dokładny i uniwersalny. Przy czym dla potrzeb analizy warunków napromieniowania powierzchni zaprojektowanych do odbioru energii promieniowania słonecznego obliczenia wykorzystujące jedynie średnie dzienne są niewystarczające, a przez to niemiarodajne. Należy korzystać z uśrednionych danych godzinnych dla danego dnia, może to być typowy (uśredniony) dzień miesiąca.

Klein do analizy warunków nasłonecznienia zaproponował wykorzystywanie tzw. średniego dnia miesiąca. Jako najbardziej reprezentatywne dla poszczególnych miesięcy w dowolnym roku kalendarzowym wybrał on następujące dnie: 17.01; 16.02; 16.03; 15.04; 15.05; 11.06; 17.07; 16.08; 15.09; 15.10; 14.11; 10.12. Przy wyborze tych dni kierował się przede wszystkim wartościami deklinacji słonecznej. Klein stworzył model „typowego” roku składającego się ze średnich dni miesięcy, przy czym tym średnim dniom miesięcy przypisał w odpowiedni sposób uśrednione wartości promieniowania. Wielu badaczy w różnych krajach zaczerpnęło z modelu „typowej pogody” Kleina metodykę przyjmowania dni średnich miesiąca (wg dni o średniej deklinacji).

Tworzeniem modeli typowej (standardowej) pogody wykorzystywanych min. do obliczeń symulacyjnych procesów zachodzących w różnych odbiornikach i systemach słonecznych zajmowali się też inni uczeni, Anderson, Lund, Miguel i Bilbao. Stochastyczny model pogody dla celów energetyki słonecznej stworzył Sfeir. Prowadzono również badania przy wykorzystaniu metod statystyki matematycznej do opracowywania modelu klimatu przy bardzo dużej liczbie zmiennych meteorologicznych. Model typowej pogody dla warunków krajowych zaproponował Pomierny [193]. Kossecka i Bzowska przeprowadziły analizę probabilistyczną danych pogodowych. Zajmowały się stworzeniem stochastycznego modelu klimatu Polski, podobnie jak Panek, Turlejski, a w ostatnim okresie Kossecka, Gawin i Więckowska.

Opracowaniem charakterystyk aktynometrycznych, uśrednianiem rzeczywistych sum promieniowania słonecznego dla zastosowań w energetyce słonecznej zajmował się Podogrodzki i Bogdańska z zespołem. Opracowane dane do tej pory są stosowane w wielu analizach z zakresu energetyki słonecznej. W ramach współpracy z Bogdańską z IMGiW został stworzony model uśrednionego reprezentatywnego roku, który opisano w rozdziale 2.

Należy zaznaczyć, że zmierzone rzeczywiste wartości promieniowania są najlepszym Źródłem informacji odnośnie warunków nasłonecznienia. Jednakże w przypadku ich braku wykorzystuje się różnego rodzaju zależności empiryczne. Oddziaływanie atmosfery na procesy rozpraszania i absorpcji promieniowania zmienia się w czasie, w zależności od warunków atmosferycznych (naturalnych i związanych z działalnością człowieka) i zmian masy optycznej powietrza. Dążąc do prowadzenia obliczeń napromieniowania w pewnych standardowych warunkach odniesienia Hottel opracował model obliczeniowy dotyczący standardowych (typowych) warunków tzw. „czystego” nieba, dla promieniowania bezpośredniego w warunkach „czystej” atmosfery dla czterech typów klimatu.

W przypadku braku wartości składowych pomiarowych promieniowania docierającego do poziomej powierzchni na Ziemi można korzystać z zależności korelacyjnych określających te wartości w sposób szacunkowy przy wykorzystaniu tzw. indeksu przejrzystości atmosfery. W tych szacunkowych metodach wyznacza się zależności pomiędzy promieniowaniem dyfuzyjnym i promieniowaniem całkowitym na płaszczyznę poziomą, a indeksem przejrzystości atmosfery. Badaniami nad sformułowaniem odpowiednich korelacji dla warunków krajowych zajmowały się Kossecka i Bzowska. Sformułowały one zależność funkcyjną w postaci dwuodcinkowego równania regresji, z której można oszacować promieniowanie dyfuzyjne dla kilku miast Polski, będąc w posiadaniu jedynie danych sum miesięcznych promieniowania całkowitego.