Ilość dostępnej energii słonecznej

Ilość dostępnej energii słonecznej jest najważniejszym parametrem przy pro-jektowaniu instalacji solarnych. Informacje te można uzyskać z danych służb meteorologicznych. Bierze się pod uwagę:

• sumy godzinne, półdzienne, dzienne, dekadowe i  miesięczne promie-niowania słonecznego całkowitego [J·m-2],

• sumy godzinne, półdzienne, dzienne, dekadowe i  miesięczne promie-niowania słonecznego rozproszonego [J·m-2],

• sumy godzinne, półdzienne, dzienne, dekadowe i  miesięczne promie-niowania słonecznego bezpośredniego [J·m-2],

• sumy promieniowania słonecznego roczne i  dla pór roku [J·m-2], • usłonecznienie [h] [8].

Usłonecznienie to czas podany w godzinach, podczas którego na okre-ślone miejsce na powierzchni Ziemi padają bezpośrednio promienie słonecz-ne. Wykorzystuje się je w energetyce słonecznej do szacowania warunków pracy instalacji np. do wyliczania godzin pracy pompy cyrkulacyjnej w  in-stalacji kolektorów słonecznych. Warunki klimatyczne, które między inny-mi opisuje usłonecznienie deterinny-minują zarówno możliwości wykorzystania energii słonecznej, jak również limitują opłacalny okres eksploatacji instala-cji słonecznych. W  Polsce, średnia wieloletnia wartość usłonecznienia, jest największa dla Kołobrzegu i  wynosi 1624 h/rok, odpowiednio dla Warsza-wy jest to 1579 h/rok, zaś dla Zakopanego 1467 h/rok [10].

Z kolei nasłonecznienie to suma natężenia promieniowania słoneczne-go w danym czasie i na danej powierzchni np. suma natężenia promienio-wania słonecznego w czasie godziny, dnia, roku na powierzchni 1 m2. Na-słonecznienie jest wielkością opisującą zasoby energii słonecznej w  danym miejscu i  czasie [11].

Znajomość położenia Słońca na nieboskłonie jest niezbędna do okre-ślenia chwilowego kąta padania q składowej bezpośredniej promieniowa-nia słonecznego na powierzchnię czołową kolektora. Położenie Słońca opi-sywane jest przez współrzędne układu sferycznego: kąt azymutalny oraz kąt zenitalny (padania). Zamiast kąta padania stosuje się również kąt

elewacyj- promienioWanie Słoneczne padające na ziemię 53

ny liczony od płaszczyzny horyzontu. W  przypadku powierzchni horyzon-talnych natężenie promieniowania słonecznego zależy jedynie od kąta ze-nitalnego. Kąt ten w wybranym punkcie powierzchni Ziemi zależy od czasu słonecznego, szerokości geograficznej. Przy dokładnym określaniu kąta pa-dania promieniowania słonecznego na powierzchnię Ziemi uwzględnić trze-ba eliptyczność orbity oraz kształt geoidy jak również zakrzywienie promie-niowania słonecznego w  atmosferze związane z  refrakcją [11].

W momencie górowania dziennego, 21 marca i 23 września, gdy Słoń-ce jest w  zenicie nad równikiem, kąt elewacyjny h oblicza się wg wzoru:

0

90

h = − φ (4)

gdzie: f – szerokość geograficzna

22 czerwca na półkuli północnej i  22 grudnia na półkuli południowej kąt elewacyjny oblicza się wg wzoru:

0 0 '

90 23 27

h = − φ + (5)

22 grudnia na półkuli północnej i  22 czerwca na półkuli południowej kąt elewacyjny oblicza się wg wzoru:

0 0 '

90 23 27

h = − φ − (6)

3.1. Sumy dzienne promieniowania

Suma dzienna promieniowania całkowitego H_b na płaszczyźnie pochylonej do poziomu pod kątem b, obliczana jest na podstawie znanych sum dzien-nych promieniowania całkowitego H oraz rozproszonego Hd na płaszczyź-nie poziomej przy założeniu izotropowości promieniowania rozproszonego:











 −

+











 +

+

−

=

2

cos

1

2

cos

1

)

(

_β

^β ρ ^β

β

H H

d

R

b

H

d

H

g

H

(7)

w którym R_bb oznacza stosunek dziennej sumy promieniowania słoneczne-go bezpośredniesłoneczne-go na płaszczyźnie pochylonej do poziomu pod kątem b do dziennej sumy promieniowania bezpośredniego na płaszczyźnie poziomej [8].

54 technologie helionergetyczne

3.2. Szacowanie godzinnych sum promieniowania słonecznego

Przy projektowaniu instalacji solarnych może zajść potrzeba przeprowadze-nia symulacji numerycznych ich funkcjonowaprzeprowadze-nia w  jednogodzinnym kro-ku czasowym, podczas gdy dostępne są tylko dzienne sumy promieniowa-nia słonecznego. Obliczanie sum godzinnych na podstawie sum dziennych przeprowadza się w sposób przybliżony. Analiza statystyczna dziennych roz-kładów natężenia całkowitego promieniowania słonecznego na płaszczyźnie poziomej wykazuje, że możliwe jest przedstawienie stosunku sumy godzin-nej do dziengodzin-nej promieniowania całkowitego jako funkcji pory dnia i  pory roku. Stosunek (rt), zdefiniowany jest wzorem [7]:

H

I

r

_t

=

^h (8)

Zależność wielkości r_t od pory dnia i pory roku podana przez Liu i Jorda-na przedstawioi Jorda-na jest i Jorda-na rysunku 6 [12]. Przedziały godzinne, do których od-noszą się poszczególne krzywe na wykresie, opisane są przez podanie liczby godzin dzielących określony przedział od południa słonecznego. Krzywe uzy-skane zostały przy założeniu symetrycznego, w  stosunku do południa czasu słonecznego, rozkładu natężenia promieniowania słonecznego w ciągu dnia.

Rys. 6. Stosunek rt sumy godzinnej promieniowania całkowitego do sumy dziennej promieniowania całkowitego na płaszczyźnie poziomej w funkcji pory dnia i pory roku [12]

promienioWanie Słoneczne padające na ziemię 55

3.3. Promieniowanie słoneczne padające na płaszczyznę pochyloną

Przy projektowaniu i  analizie funkcjonowania słonecznych instalacji służą-cych do podgrzewania wody użytkowej oraz instalacji grzewczych często zachodzi potrzeba obliczenia natężenia promieniowania na powierzchni po-chyłej do poziomu powierzchni kolektora słonecznego, na podstawie zna-nych wartości natężenia składowych promieniowania całkowitego na płasz-czyźnie poziomej [8] (rysunek 7).

Rys. 7. Bezpośrednie promieniowanie słoneczne padające na płaszczyznę poziomą (a) i na płaszczyznę pochyloną do poziomu pod kątem b (b)

W związku z tym, że padające na kolektor promieniowanie złożone jest ze składowych charakteryzujących się różnymi właściwościami kierunkowy-mi, natężenie każdej z  nich obliczane jest oddzielnie. Wyznaczanie natęże-nia promieniowanatęże-nia bezpośredniego Ibb padającego pod kątem q na płasz-czyznę pochyloną do poziomu pod kątem b, gdy znane jest natężenie Ib

tej składowej promieniowania na tę płaszczyznę, wymaga pomnożenia na-tężenia przez współczynnik geometryczny (wzór 11). W  celu wyznaczenia współczynnika R_b należy wyrazić natężenie promieniowania I_b oraz I_bb przez natężenie promieniowania bezpośredniego I_b(_Yz) w płaszczyźnie

prostopad-łej do kierunku z  którego ono przychodzi [8]:

z z b b

I

I = (ψ cos) ψ

(9)

θ

ψ

β _b

(

_z

)cos

b

I

I =

(10) z z b z b b b b

I

I

I

I

R

ψ

ψ

θ

ψ

β

cos

)

(

cos

)

(

=

=

(11)

56 technologie helionergetyczne

4. Literatura

1. W. Smolec, Fototermiczna konwersja energii słonecznej, PWN, Warszawa 2000. 2. T. Rodacki, A. Kandyba, Przetwarzanie energii w  elektrowniach słonecznych,

Wyd. Politechniki Ślaskiej, Gliwice 2010.

3. Materiały dostępne na stronie: http://ogrzewanieelektryczne.blogspot.com 4. M. Vázquez, P.M. Rodriguez, E. Pallem, The Earth as an object of astrophysical

interest in the search for extrasolar planets, Instituto de Astrofísica de Canarias, La Laguna 2006.

5. J.A. Duffie, W.A. Beckman, Solar engineering of thermal processes, Wiley-Inter-science, New York 1991.

6. A. Rabl, Solar energy thermal technology, Springer-Verlag, London 1992. 7. Z.M. Jarzębski, Energia słoneczna. Konwersja fotowoltaiczna, PWN, Warszawa

1990.

8. W. Smolec, Fototermiczna konwersja energii słonecznej, PWN, Warszawa 2000. 9. Materiały dostępne na stronie: http://www.kolektory.krakow.pl/index.

php?action=energia

10. J. Kapusciński, Struktura bilansu cieplnego powierzchni czynnej na tle warun-ków klimatycznych środkowozachodniej Polski, Wyd. AR w  Poznaniu, Poznań 2000.

11. Dane World Meteorological Organisation.

12. B.Y.H. Liu, R.C. Jordan, The interrelationship and characteristic distribution of direct, diffuse and total solar radiation, Solar Energy 4, 1-20, 1960.

PASyWne SySteMy OGRZeWAnIA

W dokumencie Technologie helioenergetyczne, 164 s. (Stron 50-55)