Warunki klimatyczne i meteorologiczne do wykorzystania energii promieniowania słonecznego

04.03.2007.

Słońce jako Źródło promieniowania i sposoby jego konwersji

Słońce jest Źródłem energii dla wszystkich procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych zachodzących na Ziemi i w atmosferze, a jego promieniowanie najważniejszym czynnikiem środowiskowym dla życia.

Ilość energii słonecznej docierającej w ciągu 1 sekundy do powierzchni 1 m2, prostopadłej do promieni słonecznych i leżącej tuż poza atmosferą w średniej odległości Ziemi od Słońca (149.5 mln km) nazywa się stałą słoneczną.
Jej wartość określono na 1367 ± 7 W/m². Stała słoneczna zależy od odległości Słońce - Ziemia, która zmienia się w ciągu roku od 147 mln km w styczniu do 152 mln km w lipcu powodując wahania wartości stałej słonecznej ± 3,4 % .

Dla obszaru Polski potencjalne sumy roczne energii słonecznej wahają się od 8400 MJ/m² (2340 KWh/m²)dla północnych krańców do 9250 MJ/m² (2573 KWh/m²) dla południowych.

Znając wartość stałej słonecznej można obliczyć ile energii docierałoby do powierzchni Ziemi na różnych szerokościach geograficznych gdyby pominąć wpływ atmosfery.

Na granicy atmosfery nad szerokością geograficzną Warszawy suma ta wynosi 8768 MJ/m² (2438 KWh/m²).

Słońce wysyła w przestrzeń międzyplanetarną promieniowanie elektromagnetyczne rozciągające się w zakresie długości fal lub częstotliwości od promieniowania gamma przez: rentgenowskie, ultrafiolet, widzialne, podczerwień, aż do fal radiowych.
Atmosfera przepuszcza tylko część promieniowania w dwóch przedziałach długości fal: promieniowanie optyczne (obejmujące część ultrafioletu, widzialne i podczerwień) oraz fale radiowe.

Do powierzchni Ziemi nie dociera zupełnie promieniowanie ultrafioletowe poniżej 290nm (nanometrów).
Ze względu na oddziaływanie biologiczne i chemiczne promieniowania ultrafioletowego dzielimy je na pasma:

10 - 200 nm - nadfiolet próżniowy
200 - 280 nm - daleki nadfiolet UV-C
280 - 315 nm - średni nadfiolet UV-B
315 - 400 nm - bliski nadfiolet UV-A

Obszar widmowy 400 nm do 780 nm obejmuje promieniowanie widzialne, a powyżej 780 nm do 375 µm (mikrometrów) określamy jako promieniowanie podczerwone lub podczerwień. Promieniowanie Ziemi i atmosfery zawarte jest w obszarze widma 4 - 120 µm.

Przy przepływie promieniowania słonecznego przez atmosferę następuje jego odbicie, absorpcja i rozproszenie.

Promieniowanie słoneczne dochodzące do powierzchni Ziemi podzielić można na dwie składowe :

promieniowanie bezpośrednie, dochodzące z tarczy słonecznej do powierzchni recepcyjnej;
promieniowanie rozproszone w atmosferze, dochodzące ze wszystkich stron do powierzchni recepcyjnej.

Pomiarami promieniowania słonecznego zajmuje się aktynometria, stanowiąca część meteorologii. Od 1981 roku pomiary promieniowania wykonywane są w skali WRR - 1981 (World Radiometer Reference) odniesione do światowego Wzorca Radiacji. Obowiązuje międzynarodowy system jednostek SI: W/m² J/m².

Promieniowanie słoneczne w systemie Ziemia - atmosfera

Promieniowanie słoneczne trafiając do systemu Ziemia - atmosfera powoduje powstanie w nim wielu procesów z których najważniejszy to obieg energii i wody.

Rys. 1. Schematyczny diagram wzajemnego sprzężenia charakterystyk globalnego systemuklimatycznego

Jak przedstawiono na rys 1 (WMO nr 100, 1983) dopływ promieniowania do powierzchni Ziemi powoduje nierównomierne nagrzanie się jej fragmentów, wywołujące różnice temperatur i ciśnienia, które z kolei są przyczyną ruchu powietrza i wody, w wyniku czego powstaje cyrkulacja atmosferyczna oraz obieg wody przez parowanie i kondensację pary wodnej.
W następstwie zaś wzajemnego oddziaływania głównych składowych systemu klimatycznego (sprzężenia zwrotne), czynniki cyrkulacyjne, związane z procesami wewnątrz - atmosferycznymi (zmienność zachmurzenia i przezroczystości napływających mas powietrza) odgrywają ważną rolę w modyfikowaniu czasowo - przestrzennego zróżnicowania ilości docierającej do powierzchni podłoża energii słonecznej.

Całkowity dopływ energii słonecznej do powierzchni Ziemi jest dość dokładnie poznany i skoro nie jest pewne, czy przez stulecia Ziemia stawała się wyraŹnie cieplejsza, bądŹ chłodniejsza, to można założyć, że dopływ i oddawanie promieniowania musi się stale równoważyć.
Bilans cieplny Ziemi można przedstawić w postaci równania:
Q* + Q_H + Q_E + Q_S + Q_M + Q_f= 0
gdzie:
Q* - bilans radiacyjny;
Q_H - przewodzenie i magazynowanie ciepła w podłożu;
Q_E - turbulencyjna wymiana ciepła jawnego;
Q_S - turbulencyjna wymiana ciepła ukrytego związana z parowaniem i kondensacją;
Q_M - ciepło antropogeniczne związane z działalnością człowieka;
Q_f - ciepło zużyte w procesie fotosyntezy.

W bilansie tym ilościowo najważniejszą rolę odgrywa bilans radiacyjny, przedstawiający energię docierającą do Ziemi od Słońca i wypromieniowaną przez Ziemię do atmosfery.

Q* = (S + D)(1 - a) + LÂ¨ - L
KÂ¨ = S + D
KÂ¨ - promieniowanie całkowite
S - promieniowanie bezpośrednie Słońca
D - promieniowanie rozproszone Słońca i nieba
a - albedo
a = K / KÂ¨
LÂ¨ - promieniowanie długofalowe atmosfery
L - promieniowanie długofalowe Ziemi i odbite atmosfery
K - krótkofalowe promieniowanie odbite
L* = LÂ¨ - L
L* - promieniowanie efektywne
przy czym:
w dzień Q* = K* + L*
w nocy gdy nie ma promieniowania słonecznego Q* = L*
nas najbardziej interesuje promieniowanie całkowite i jego struktura. Ważną charakterystyką jest też usłonecznienie tzn. czas trwania bezpośredniego promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni Ziemi.

Uwarunkowania dopływu promieniowania słonecznego do podłoża

Czynniki astronomiczne i usłonecznienie
Polska jest położona w strefie klimatu umiarkowanego między 49 a 54.5Â° szerokości geograficznej północnej.
Przedział dzienny (czas od wschodu do zachodu Słońca) obejmuje ponad 51 % z 8767 godzin w średnim roku, a północne krańce mają ten okres o 24 h dłuższy niż południowe.

W zimie południowe krańce Polski mają dzień dłuższy o prawie 1 godzinę od krańców północnych, natomiast w lecie jest odwrotnie.

W czerwcu godziny dzienne na północy obejmują 71.5 % godzin miesiąca, w centrum Polski 69 %, a na południu 67 %.
W grudniu sytuacja zmienia się i na północy godzin dziennych jest tylko 29.5%, w centrum 31.7 %, a na południu 34.7 %.

W celu zilustrowania podziału doby, w poszczególnych miesiącach, na okresy pod względem przydatności ich dla potrzeb wykorzystania energii słonecznej, przedstawiono histogramy dla Warszawy z okresu 1961 -1990 (rys 4 ).
Patrząc od góry każdego histogramu wyodrębniono przedział nocny, w danym miesiącu,w którym nie dochodzi energia słoneczna.

Poniżej, aż do podstawy histogram obejmuje godziny przedziału dziennego. Dla np. czerwca jest to ok. 500 h, z tego 216 h, to godziny w czasie których Słońce jest zakryte przez chmury i do powierzchni Ziemi dociera wyłącznie promieniowanie rozproszone nieba. Następnie zaznaczono maksymalną liczbę godzin ze Słońcem (283 h ), średnią (231 h) i minimalną (175 h).

W skali roku usłonecznienie, tzn. przedział czasu w którym do powierzchni Ziemi dochodzi bezpośrednie promieniowanie słoneczne powyżej przyjętego progu 120 W/m² obejmuje 15 do 21 % wszystkich godzin roku.

Rys. 3. Przebieg roczny usłonecznienia w Warszawie w latach 1961 - 1990

Oprócz długości dnia i usłonecznienia na wielkość natężenia bezpośredniego promieniowania słonecznego wpływa też wysokość Słońca, przezroczystość atmosfery i zachmurzenie.
W tabl. 1 podano dla Warszawy wszystkie te czynniki dla 15-ego dnia każdego miesiąca. Zostaną one szczegółowo omówione przy charakteryzowaniu przebiegu dobowego promieniowania słonecznego.

Tabela 1. Czynniki astronomiczne dla 15-ego dnia każdego miesiąca oraz ocena stanu atmosfery w okresie 1961 - 1990 w Warszawie

Tendencje zmian usłonecznienia

Rekordowym pod względem usłonecznienia w ostatnim stuleciu był w Polsce rok 1921, kiedy to w Kołobrzegu zanotowano 2169 h, w Bydgoszczy 2100 h, a we Wrocławiu 2237 h. Najwyższą sumę miesięczną zanotowano na Helu w lipcu 1994 r (435 h). Wówczas w Warszawie padł też rekord stulecia (381 h). Zmienność sum rocznych usłonecznienia w Warszawie w okresie 1903 - 1998 przedstawia rys.4.

Rys. 4. Usłonecznienie w Warszawie w okresie 1903 - 1998

Aby zachować ciągłość serii przerwę w rejestracji usłonecznienia w okresie II wojny światowej uzupełniono na podstawie innych stacji meteorologicznych i dostępnych obserwacji meteorologicznych prowadzonych w tym okresie w Warszawie.
Sumy roczne usłonecznienia w Warszawie wahają się od 1241 h w 1903 r do 1898 h w 1921 r, średnio 1600h.
Obliczony dla Warszawy współczynnik trendu jest ujemny i wynosi - 52 min/rok. Wygładzona krzywa przebiegu za pomocą 10 - letnich konsekutywnych wskazuje, że okres 1903 - 1998 można podzielić na przedziały : 1903 - 1944, kiedy to sumy roczne usłonecznienia były wyższe od średniej wieloletniej, następnie okres 1945 - 1990, kiedy były niższe od niej i rozpoczęcie kolejnego okresu 1991 - ?, kiedy należy przypuszczać, że będą znów kształtowały się powyżej średniej wieloletniej.

Ocena warunków solarnych Polski

Przebieg dobowy składników bilansu radiacyjnego

Typowe dobowe przebiegi bilansu radiacyjnego i wartości jego składowych przedstawiono na rys. 5 dla bezchmurnego dnia letniego i zimowego w środkowej części Polski (Sulejów j =51Â° 21' N, l = 19Â° 52' E, h npm. = 188m).

Rys.5 Przebieg dobowy składników bilansu radiacyjnego w dniu bezchmurnym w Sulejowie

W nocy występuje strata promieniowania, ponieważ promieniowanie słoneczne nie uzupełnia ubytku promieniowania długofalowego. Straty te zależą od temperatury i zdolności emisyjnej powierzchni czynnej. Na stacjach meteorologicznych powierzchnię czynną stanowi trawnik z ewentualną pokrywą śnieżną w okresie zimowym.

Od wschodu Słońca do jego kulminacji obserwujemy wzrost krótkofalowych składników bilansu radiacyjnego, a następnie powolny ich spadek aż do zachodu Słońca.
Na omawianym rysunku wyraŹnie zaznacza się wpływ długości dnia i wysokości Słońca nad horyzontem na obserwowane wartości. W styczniu długość dnia nie przekracza 8 h, a w czerwcu dochodzi do 16.5 h, natomiast wysokość Słońca 29 stycznia osiągnęła 20.4Â° , podczas gdy 6 czerwca przekroczyła podczas kulminacji 61Â° nad horyzontem.

Pomimo zbliżonych w południe wartości bezpośredniego promieniowania Słońca dochodzącego do powierzchni prostopadłej do kierunku padania promieni słonecznych (844 W/m² - 6. VI i 811 W/m² - 29.I) powierzchnia horyzontalna otrzymała w tym czasie 280 W/m² w styczniu i 740 W/m² w czerwcu.

Suma dzienna promieniowania całkowitego była ponad 4 razy wyższa 6 czerwca (30 MJ/m²) od tej z 29 stycznia (7 MJ/m²). Udział promieniowania rozproszonego w promieniowaniu całkowitym stanowił 20 % - 6.VI i 27 % - 29.I.96 r.

Albedo dla powierzchni trawnika wyniosło 24 % 6 czerwca, a 56 % 29 stycznia z uwagi na zalegającą wówczas pokrywę śnieżną. Pełny bilans radiacyjny dla 6 czerwca był dodatni i osiągnął 14 MJ/m², natomiast 29 stycznia tylko w ciągu 5 godzin był dodatni, a suma dobowa była ujemna (1.2 MJ/m²).

W dalszej części niniejszego opracowania pominiemy składniki bilansu radiacyjnego przynoszące straty w postaci promieniowania długofalowego, ponieważ w zastosowaniach heliotechnicznych można wykorzystać materiały umożliwiające przenikanie energii promieniowania krótkofalowego, ale ograniczające ucieczkę lub ją uniemożliwiające promieniowania długofalowego.

Jak na to wskazują wartości bezpośredniego promieniowania słonecznego uzyskane w momencie kulminacji Słońca na powierzchnię prostopadłą (811 W/m² - 29.I i 844 W/m² - 6.VI) można pozyskać znaczną ilość energii słonecznej w dniach o najsłabszym promieniowaniu słonecznym zanotowanym na płaszczyŹnie poziomej przez odpowiednie ustawienie powierzchni odbiorczej (kąt nachylenia i kierunek).

Rys.6 Przebieg roczny promieniowania całkowitego

Promieniowanie całkowite jest tą pozycją bilansu radiacyjnego, która obejmuje całą energię słoneczną dochodzącą do powierzchni Ziemi w zakresie promieniowania krótkofalowego. Dla heliotechniki jest to napromieniowanie słoneczne na płaską, poziomą powierzchnię dochodzące z całej półkuli niebieskiej.
Jak to już powiedziano, składa się ono z promieniowania bezpośredniego i promieniowania rozproszonego. W przypadku, gdy nad punktem pomiarowym Słońce jest zasłonięte przez chmury, wówczas wartość promieniowania bezpośredniego wynosi zero, a dociera do receptora jedynie promieniowanie rozproszone.

Dla charakterystyki przebiegu rocznego promieniowania całkowitego wykorzystano dane dla Warszawy z okresu 1961 -1990 (rys.7 ).
Rys. 7 Przebieg roczny średnich i ekstremalnych sum miesięcznych

Ze względu na długość serii pomiarowej (30 - letni okres klimatologiczny) i położenie geograficzne Warszawy, dane te mogą być wykorzystane dla charakterystyki obszaru środkowej Polski. Na rysunku tym przedstawiono przebieg roczny średnich i ekstremalnych sum miesięcznych promieniowania całkowitego, zaznaczono też przebieg promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery. Przebiegi wszystkich krzywych na tym rysunku, typowe są dla prze- biegów promieniowania tej strefy szerokości geograficznych.

Najniższe sumy miesięczne występują w grudniu, póŹniej rosną do miesięcy letnich i następnie stopniowo maleją aż do grudnia. Sumy miesięczne w grudniu wahają się od 43 do 104, ze średnią 62 MJ/m², co stanowi 1.3 % sumy rocznej. Stopniowo rosnąc osiągają najwyższe wartości w czerwcu i lipcu. Najwyższą średnią miesięczną zanotowano w czerwcu (560 MJ/m²), zaś największą amplitudę ekstremalnych wartości od 395 do 686 MJ/m² w lipcu. Udział średniej sumy miesięcznej czerwca w sumie rocznej wynosi ok. 16 %. Okres od maja do sierpnia skupia ok. 58 % sumy rocznej promieniowania całkowitego, podczas gdy od listopada do lutego tylko 8 % tej sumy.

Rozważając przebieg roczny sum miesięcznych promieniowania całkowitego w stosunku do tych sum na górnej granicy atmosfery można zauważyć, że w grudniu do powierzchni Ziemi dochodzi w rejonie Warszawy ok. 21% promieniowania poza atmosferycznego, a od maja do sierpnia po ok. 44 % w każdym miesiącu. Najwyższą sumę miesięczną w okresie 1961 -1990, dochodzącą do 57 % promieniowania poza atmosferycznego zanotowano w sierpniu 1973 r.

W ciągu roku do podłoża w Warszawie dociera 3477 MJ/m² energii słonecznej w postaci promieniowania całkowitego, obejmującego po połowie bezpośrednie promieniowanie Słońca i rozproszone nieba. Udział promieniowania rozproszonego w przebiegu rocznym stanowi od 47 do 48 w miesiącach od maja do sierpnia (gdy przeważa promieniowanie bezpośrednie) do ponad 70 % w grudniu i styczniu.

Sumy roczne promieniowania całkowitego w Warszawie wahają się od 3161 MJ/m² w 1980 roku do 4013 w 1994 roku.

Tabela. 2 Sumy roczne promieniowania całkowitego i usłonecznienia w wybranych miejscowościach