1

Podstawy pozyskiwania, przetwarzania i

wykorzystywania energii

promieniowania słonecznego

Dorota Chwieduk

ITC PW

Szkolenie dotycz�ce wykorzystania energii słonecznej w sektorze turystycznym,

ze szczególnym uwzgl�dnieniem

gospodarstw agroturystycznych, hoteli, centrów sportowo-rekreacyjnych

organizowane przez Mazowieck� Agencj� Energetyczn� podczas wystawy

CENERG 2010

Sło�ce i Ziemia

Strumie� ciepła wysyłany przez Sło�ce �S = 3,85 1026 W

320

Ziemia

Dz=1,27 107m

Dz

Sło�ce

Ds=1,39 109 m

G0 = 1367 W/m2

Dsz= 1,495 1011 m

Dsz

Ds

���

���

���

���

���

���

���

���

���

���

���

���

���

��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ���

���� �����µ�����

���ktrum rozkładu mocy ciała doskonale czarnego o temp. �����

Aktualne spektrum rozkładu mocy Sło�ca

� ������������ ��! ��"�#�

�#µ���

Spektrum słoneczne

2

Promieniowanie słoneczne przechodz�c

przez atmosfer� ziemsk� ulega osłabieniu -

proces pochłaniania

• Dotyczy on pewnych długo�ci fali promieniowania słonecznego – absorpcja

selektywna.

• W wyniku wyst�powania absorpcji ulega zmianie widmo promieniowania

słonecznego docieraj�cego do powierzchni Ziemi - w porównaniu z widmem

promieniowania docieraj�cego do zewn�trznych warstw atmosfery ziemskiej.

• Krzywa rozkładu obni�a si� (osłabienie promieniowania) i jest bardziej

„poszarpana” (zmiany g�sto�ci strumienia energii przy ró�nych długo�ciach

fali).

Absorpcja promieniowania słonecznego selektywna

• zakres promieniowania ultrafioletowego, przy długo�ciach fal λλλλ < 0,38 µµµµm.

• Promieniowanie słoneczne jest w tym zakresie całkowicie pochłaniane przez jony i cz�steczki tlenu,

ozonu i azotu

• zakres promieniowania widzialnego - 0,38 µµµµm <λλλλ < 0,78 µµµµm.

• Czysta atmosfera jest jak otwarte okno, całkowicie przepuszcza promieniowanie słoneczne,

• zakres promieniowania w bliskiej podczerwieni 0,75µµµµm<λλλλ< 3µµµµm

• 20% tego promieniowania jest absorbowane w atmosferze ziemskiej, głównie przez cz�steczki pary

wodnej i dwutlenku w�gla

• Pochłanianie selektywne przez cz�steczki CO2 i pary wodnej

Absorpcja promieniowania słonecznego

nieselektywna

• nieselektywne pochłanianie energii promieniowania

słonecznego przez aerozole atmosferyczne

wyst�puj�ce na ró�nych wysoko�ciach nad ziemi�,

dotyczy to całego widma promieniowania słonecznego.

• Osłabienie promieniowania w wyniku absorpcji przez

aerozole atmosferyczne zale�y nie tylko od ich rodzaju i

wielko�ci, ale tak�e i od ich ilo�ci w jednostce obj�to�ci.

3

Rozpraszanie promieniowania słonecznego

• Fotony �wiatła słonecznego nie s� w stanie rozerwa� wi�za� cz�steczek atmosfery i ulegaj� rozproszeniu we wszystkich kierunkach.

• Rozpraszanie jest procesem zale�nym od długo�ci fali promieniowania.

• Polega ono na oddziaływaniu promieniowania z materi�, w wyniku którego zmianie ulega kierunek rozchodzenia si� fali, ale energia i długo�� fali pozostaj� bez zmian.

Rozpraszanie dotyczy:

• promieniowania widzialnego

• podczerwonego

ma miejsce na cz�steczkach gazowych atmosfery (głównie O2, N2 i H2O) oraz na aerozolu atmosferycznym.

optyczna masa atmosfery

Uproszczone wyznaczanie masy optycznej atmosfery

Granica

atmosfery

θz =600z

AM2

AMo

AM1

1000 W/m2

740 W/m2.

1367 W/m2

Parametry słoneczne

• Czas słoneczny

tslon= tstand + 4(Lst -Llok) + EE- równanie czasu,

Lst- południk strefowy, według którego wyznaczany jest czas strefowy (w miejscu obserwacji);

Llok- południk lokalny obserwatora

Czas słoneczny jest wyznaczony przez pozorny k�towy ruch Sło�ca po niebie, z południem słonecznym jako punktem odniesienia o godz. 1200

Południe czasu słonecznego wypada w chwili, gdy pozorna droga Sło�ca na nieboskłonie przecina płaszczyzn� lokalnego południka.

4

Napromieniowanie powierzchni

poziomej

αs

$�!��� �!% �����&�!���� ����%��&"!%��

�!&�!�θz

φ δ

Promieniowanie słoneczne docieraj�ce do poziomej

powierzchni

θ�

α�

γ�

N

S E

W

Zenit

Napromieniowanie powierzchni

pochylonej

φ�φ � β�

β

'!���

$�!��� �!% �����&�!���� ����%��&"!%��

θ

5

Promieniowanie słoneczne docieraj�ce do

pochylonej powierzchni

θ�

θα�

γ�γ

β

N

SE

W

Zenit

( ) oodbddbb RtItIRtItRtItI ρ)()()()()()( +++=

2

)cos(1 β+=dR Ro =

−1

2

cos( )β

[ ]

[ ]Rbt

t

t t

t t t t

t t t( )

sin( ( )) sin( )cos( ) cos( )sin( )cos( )

sin( ( )) sin( ) cos( )cos( )cos( ( ))

cos( ( )) cos( )cos( )cos( ( )) sin( ) sin( )cos( )cos( ( )) sin( ) sin( ) sin( ( ))

sin( ( )) sin( ) cos( ( ))cos( )cos( ( ))= +

�

�

���

�

���

−

++

+ +

+

δ φ β φ β γ

δ φ δ φ ω

δ φ β ω φ β γ ω β γ ω

δ φ δ φ ω

Model izotropowy promieniowania dyfuzyjnego Liu- Jordana

Struktura promieniowania słonecznego i metody szacowania napromieniowania

powierzchni dowolnie usytuowanej

( )( ))(cos

)(cos

)(

)()(

,

t

t

tG

tGtR

zb

bp

b θ

θ==

- współczynnik korekcyjny dla promieniowania odbitego.Ro

- współczynnik korekcyjny dla promieniowania rozproszonego;Rd

- współczynnik korekcyjny dla promieniowania bezpo�redniego;Rb

- refleksyjno�� podło�a;ρρρρo

- napromieniowanie godzinne rozproszone Id

- napromieniowanie godzinne bezpo�rednie Ib

D J F M A M J J A S O N D

0

100

200

300

400

500

600

700

800

pd

pd-wsch & pd-

zach

pozioma

W/m2

pn

pn-wsch &

pn-zach

wsch

&zach

Pogl�dowy rozkład nat��enia promieniowania w roku w krajach Europy �rodkowej

Analiza dost�pno�ci promieniowania słonecznego do ró�nie usytuowanych

elementów obudowy budynku

pionowe

6

Rozkład izorad Warszawa w czerwcu i grudniu

0 20 40 60 80

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 20 40 60 80

7 MJ m-2

7 MJ m-2

18,5 MJ m-2

18,5 MJ m-2

β [0]

γ [ο]γ [ο]

β [0]

18,5

18

17,5

17

0 20 40 60 80

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 20 40 60 80

β [0]

γ [ο]γ [ο]

β [0]

22 MJ m-2

1,75

1,50

1,25 1

0,75

1

1,25

1,50

1,75

0,75

Analiza dost�pno�ci promieniowania słonecznego do ró�nie usytuowanych elementów obudowy budynku

Analiza dost�pno�ci promieniowania słonecznego do ró�nie usytuowanych elementów obudowy budynku

-150 -100 -50 0 50 100 1500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

kat azymutalny

kat

wznie

sie

nia

Diagram drogi Slonca dla Warszawy

I

II

III

IV

V

VI VII

VIII

IX

X

XI

XII

13

14

15

16

17

18

19

12

11

10

9

8

7

6

5

wsch zach

yx2

x1

pd

zach

wsch

normalnadopoziomu

O

y1

y2

x1 x2

y1

y2

x=x1+x2

y

Wyznaczenie k�towej wysoko�ci przeszkody i jej azymutu

Analiza dost�pno�ci promieniowania słonecznego do ró�nie usytuowanych elementów obudowy budynku

7

Analiza dost�pno�ci promieniowania słonecznego do ró�nie usytuowanych elementów obudowy budynku2

Zacienianie kolektorów w

instalacjach wielkogabarytowych

Energetyka słoneczna

1954

Konwersja energii promieniowania słonecznego:

fototermiczna fotowoltaiczna

budynek

Naturalna –

rozwi�zania pasywne

Wymuszona działaniem urz�dze�

– rozwi�zania instalacyjne

nie planowaneplanowane

Pomiar i model

promieniowania

0 20 40 60 80

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 20 40 60 80

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

β [0]

β [ 0]

γ [ο] γ [ο ]

1550175019502150

1750 155019502150

2350

2350255027502950

31503350

3550

3850

3850

3750 MJ m-2

3750 3550

3550

3350

3350

3150

3150

2950

2950

2750 2550

3750 MJ m- 2

( ) oodbddbb RtItIRtItRtItI ρ)()()()()()( +++=

)()()()( tQtQtQtQdt

dTVc qvwenodprdopr

wp

���� +−−=ρ

8