1 Projekt POKL.04.01.02-00-046/11-00

„Kierunki matematyczno-przyrodnicze drogą do zawodów z przyszłością”

jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Akademia Pomorska w Słupsku

Paulina Śmierzchalska, Maciej Chmielowiec

Mapa usłonecznienia

w Polsce

Projekt „CZYSTA ENERGIA” 2015

2 Projekt POKL.04.01.02-00-046/11-00

„Kierunki matematyczno-przyrodnicze drogą do zawodów z przyszłością”

jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Promieniowanie słoneczne

To strumień fal elektromagnetycznych i cząstek elementarnych docierający ze Słońca

do Ziemi. Natężenie promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic

atmosfery określone jest przez stałą słoneczną. Wielkość ta jest zdefiniowana dla

średniej odległości Ziemia-Słońce i wynosi około 1366,1 W/m2. Natężenie

promieniowania słonecznego zmienia się w cyklu rocznym ze względu na zmiany

odległości pomiędzy Ziemią a Słońcem w zakresie ±3,4%. Chwilowa wartość

natężenia promieniowania słonecznego docierającego do górny granic atmosfery może

być wyznaczona ze wzoru :

F =F0 [ 1+ 0,034 × cos (2

) ]

Gdzie:

F0 oznacza stałą słoneczną

dn określa kolejny dzień roku : dn = 1 pierwszy stycznia, dn = 2 drugi stycznia itd.

Wpływ aktywności Słońca na natężenie promieniowania słonecznego docierającego

do Ziemi jest znacząco mniejszy i średnio w cyklu 11 letnim sięga około 0,1%.

Energia słoneczna

Energia słoneczna docierająca do ziemi to fala elektromagnetyczna. Fala ta ma różną

długość. W zależności od długości fal wyróżniamy promieniowanie ultrafioletowe,

promieniowanie widzialne oraz promieniowanie podczerwone.

Promieniowanie ultrafioletowe

- to fala o najkrótszej długości, stanowi ona najmniejszy procent całego

promieniowania słonecznego. Ultrafiolet odpowiada za oparzenia słoneczne u

ludzi i zwierząt, ma niszczące działanie na żywe komórki. Aby uchronić się

przed tym szkodliwym promieniowaniem stosujemy kremy z filtrem UV. Co

ciekawe, promieniowanie ultrafioletowe ma działanie bakteriobójcze.

Promieniowanie widzialne

- wywołuje u ludzi i zwierząt wrażenie świetlne- możliwość widzenia. Jest to

po prostu światło widzialne.

Promieniowanie podczerwone

3 Projekt POKL.04.01.02-00-046/11-00

„Kierunki matematyczno-przyrodnicze drogą do zawodów z przyszłością”

jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

- jest to promieniowanie cieplne, zwane podczerwienią. Długość fali jest

dłuższa niż promieniowania widzialnego. Promieniowanie podczerwone

stanowi największą część całego promieniowania i jest odpowiedzialne za

odczuwanie ciepła.

Ryc. 1. Promieniowanie słoneczne.

Stała słoneczna, w rzeczywistości wcale nie jest wartością niezmienną. Wartość

natężenia słonecznego zmienia się co 11 lat i zależy od aktywności słońca. Jednak są

to niewielkie różnice i podaje jedną stałą wartość „stałej słonecznej” Nie cała energia

słoneczna dociera do Ziemi. To co dotrze do powierzchni ziemi nie jest nawet połową.

Promieniowanie słoneczne musi przejść przez atmosferę, gdzie spora część zostaje

pochłonięta lub rozproszona. Kolejną barierą są chmury, od których promienie

4 Projekt POKL.04.01.02-00-046/11-00

„Kierunki matematyczno-przyrodnicze drogą do zawodów z przyszłością”

jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

słoneczne się odbijają, lub mogą też zostać pochłonięte przez chmury. Ostatnią stratą

jest część promieniowania, która odbije się od powierzchni ziemi.

Ryc. 2. Ilość promieniowania jaka dociera do Ziemi.

Usłonecznienie

Jest to podstawowa wielkość charakteryzująca promieniowanie słoneczne, którą

mierzy się jako czas, w którym dany teren (w naszym przypadku cały kraj Polska) jest

oświetlany bezpośrednio promieniami Słońca. Usłonecznienie mierzymy w godzinach.

Jeżeli chodzi o analizy klimatyczne podaje się ten czas w sumach godzin np. w

badanym miesiącu bądź roku. Pomiary usłonecznienia w ciągu dnia zależne są od

czynników takich jak:

czas od wschodu Słońca do jego zachodu, który zależy od daty oraz szerokości

geograficznej. Dzięki nim możemy określić usłonecznienie maksymalne;

czynniki meteorologiczne (chmury), które mają bardzo duży wpływ na dopływ

promieniowania słonecznego. Promieniowanie to w kontakcie z chmurami

ulega pochłonięciu i rozproszeniu;

5 Projekt POKL.04.01.02-00-046/11-00

„Kierunki matematyczno-przyrodnicze drogą do zawodów z przyszłością”

jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

rzeźba terenu. Pomiary powinno wykonywać się na terenie płaskim, który nie

będzie zakłócał pracy przyrządu pomiarowego poprzez zacienianie go.

Do rejestracji czasu trwania usłonecznienia służy heliograf.

Ryc. 3. Heliograf

Bardzo ważną częścią tego urządzenia jest szklana kula, która skupia promieniowanie

słoneczne na umieszczonym w odległości ogniskowej odpowiednio wyskalowanym

kartonowym pasku. Jeżeli Słońce świeci, a nie jest ono zasłonięte chmurami, na

kartonowym pasku wypalany jest ślad.

Usłonecznienie nie jest tym samym co nasłonecznienie. Są to dwa różne terminy, które

obrazują dwa różne zjawiska. Nasłonecznienie to natężenie promieniowania

słonecznego w czasie. Usłonecznienie natomiast jest głównie parametrem opisującym

warunki pogodowe. Wykorzystuje się go również w energetyce słonecznej do

6 Projekt POKL.04.01.02-00-046/11-00

„Kierunki matematyczno-przyrodnicze drogą do zawodów z przyszłością”

jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

szacowania warunków pracy instalacji np. wyliczania godzin pracy pompy

cyrkulacyjnej w kolektorach słonecznych. Warunki klimatyczne, które opisuje

usłonecznienie determinują możliwość wykorzystania energii słonecznej oraz limitują

opłacalny okres eksploatacji instalacji słonecznych.

Cel pracy:

Celem niniejszej pracy jest stworzenie mapy usłonecznienia Polski. Do wykonania

niniejszej mapy wykorzystano dane udostępnione przez Ministerstwo Infrastruktury i

Rozwoju, które zostały zebrane w przeciągu 30 lat na 61 stacjach meteorologicznych

znajdujących się na terenie całego kraju. Pliki, z których korzystano zawierały typowe

lata meteorologiczne oraz dane klimatyczne dla całego obszaru Polski. Dane

pochodziły z lat od 1971 do 2000 roku.

Uzyskane wyniki z 61 stacji zostały wprowadzone do programu Microsoft Excel 2010,

gdzie zostały pogrupowane, następnie obliczono ilość godzin słonecznych

(usłonecznienia). Tak przerobione dane wprowadzono do programu Surfer 8, który

umożliwił stworzenie mapy z regularną siatką wartości. W programie tym

wykorzystano metodę kriding, która pozwala na wykonanie map zawierających

izolinie.

Stworzono mapy przedstawiające roczne średnie usłonecznienie w Polsce oraz

usłonecznienie pod względem czterech pór roku.

7 Projekt POKL.04.01.02-00-046/11-00

„Kierunki matematyczno-przyrodnicze drogą do zawodów z przyszłością”

jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Wyniki:

Ryc. 4. Średnie roczne usłonecznienie w Polsce

Ryc. 5. Średnie usłonecznienie w okresie zimowym oraz wiosennym.

8 Projekt POKL.04.01.02-00-046/11-00

„Kierunki matematyczno-przyrodnicze drogą do zawodów z przyszłością”

jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Ryc. 6. Średnie usłonecznienie w okresie letnim oraz jesiennym.

Wnioski:

Najwyższa wartość zaobserwowanej średniej rocznej ilości godzin usłonecznienia w

Polsce wyniosła ponad 1250 h\rok i notowana jest w takich miejscowościach jak

Racibórz czy Tarnów Najniższa wartość zaobserwowanej średniej rocznej ilości

godzin usłonecznienia w Polsce wyniosła około 500 h\rok i odnotowana jest w takich

miejscowościach jak np. Kołobrzeg, Mława lub Ustka. Największe obszary

koncentracji usłonecznienia to Polska Południowa i Południowo-wschodnia. Na

Pomorzu ilość godzin jest najmniejsza. Zainteresowanie energią słoneczną ciągle

rośnie, a specjaliści upatrują w niej ogromne energetyczne perspektywy.

Klimat Polski nie jest tak sprzyjający, jak w krajach południowych ale warunki

pogodowe są bardzo zbliżone do występujących w Niemczech.

Najpowszechniej stosowanym urządzeniem do pozyskiwania energii słonecznej jest

kolektor słoneczny. Warunkiem funkcjonowania jest jego usytuowanie w dobrze

nasłonecznionym miejscu. Przy słonecznej pogodzie może on pełnić swoją funkcję

nawet w stosunkowo niskich temperaturach otoczenia. W standardowych

rozwiązaniach płaskich kolektorów słonecznych temperatura absorbera i co za tym

9 Projekt POKL.04.01.02-00-046/11-00

„Kierunki matematyczno-przyrodnicze drogą do zawodów z przyszłością”

jest współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

idzie, czynnika grzewczego nie przekracza 100 °C, jednak przy odpowiednich

modyfikacjach można uzyskać nawet 190 °C. Najkorzystniejsze jest wykorzystywanie

kolektorów w systemach przygotowania ciepłej wody użytkowej i ocieplenia wody w

basenach kąpielowych. Dodatkowo, z ekologicznego punktu widzenia energia

promieniowania słonecznego jest najbardziej atrakcyjna spośród energii

odnawialnych. Jej pozyskiwanie nie powoduje żadnych efektów ubocznych,

szkodliwych emisji, czy zubożenia zasobów naturalnych, a instalowanie urządzeń

głównie na obiektach architektonicznych, nie wpływa zasadniczo na krajobraz.

Literatura:

Dorota Matuszko " O terminologii dotyczącej promieniowania słonecznego"

http://www.bryk.pl/wypracowania/fizyka/energia_jej_przemiany_i_transport/19607-

promieniowanie_s%C5%82oneczne.html

http://energiaodnawialna.net/index.php?option=com_content&view=article&id=63&Ite

mid=37

http://www.merazet.pl/produkt/heliograf_wg_campbellastokesa_1604.php?ff=5857#.V

XdC8vntmko