envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa

Advertisement










f2Stale rosnące ceny energii elektrycznej oraz zalecenia stosowania OZE do jej produkcji sprawiają, że coraz więcej osób zastanawia się nad montażem instalacji fotowoltaicznej, aby wytwarzać energię zarówno na swoje potrzeby, jak i na sprzedaż. Zanim jednak przedstawimy w naszym cyklu zasady rządzące doborem i eksploatacją takiej instalacji, musimy bliżej przyjrzeć się zasilającej instalację fotowoltaiczną energii słonecznej.

Stała słoneczna a promieniowanie całkowite

Słońce świeci prawie od 5 miliardów lat i będzie nam służyło przynajmniej drugie tyle. Produkuje ono potężną energię, która jest emitowana we wszystkich kierunkach. Z powodu dużej odległości od Ziemi (ok. 150 mln km) ogromne promieniowanie słoneczne jest jednak zredukowane, co pozwala na istnienie życia na naszej planecie. Energia słoneczna dociera do Ziemi w ilości około 1367 W/m2 (rys. 1). Wielkość ta nazywana jest stałą słoneczną lub całkowitą irradiancją Słońca.
Łatwo się domyślić, że ilość energii docierającej do danej planety zależy od odległości, którą energia przebywa. Przykładowo, w odległości Merkurego od Słońca wartość stałej słonecznej to około 9937 W/m2, a w odległości Neptuna – zaledwie 1,5 W/m2. Wartość stałej słonecznej ulegawahaniom w cyklu około 11-letnim, ale na potrzeby zagadnienia wykorzystywania energii słonecznej w instalacjach fotowoltaicznych jest to całkowicie nieistotne.
Przy przechodzeniu przez atmosferę ziemską promieniowanie słoneczne ulega osłabieniu wskutek odbicia, rozproszenia i absorpcji przez cząsteczki pyłów i molekuły gazów. Ta część promieniowania, która po pokonaniu tych przeszkód dociera do powierzchni Ziemi, nazywana jest promieniowaniem bezpośrednim. Natomiast promieniowanie słoneczne odbite lub zaabsorbowane i znowu wypromieniowane przez cząsteczki pyłów i molekuły gazów to tzw. promieniowanie rozproszone. Sumę promieniowania bezpośredniego i rozproszonego nazywa się promieniowaniem całkowitym Eg (rys. 2). W optymalnych warunkach (bezchmurne niebo, przejrzyste powietrze, pora południowa) wynosi ono maksymalnie około 1000 W/m2. Pogorszenie warunków pogodowych wpływa oczywiście na osłabienie ilości docierającego do powierzchni ziemi promieniowania słonecznego. Przy dużym zachmurzeniu moc ta osiąga wartość 50 W/m2 lub mniej.

f1 f2
1. Stosunek Słońca do Ziemi, odległość i promieniowanie słoneczne [5] 2. Dzienne wartości napromienienia w przedziale całego roku [5]
f3 f4
3. Wpływ atmosfery na ilość  promieniowania słonecznego 4. Energia solarna w latach 2009 i 2010 dla Gdańska

Dostępna energia a warunki pogodowe i klimatyczne

Politechnika Gdańska na stronie internetowej Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska przez jakiś czas udostępniała kompletne dane odczytywane z własnej stacji meteorologicznej, zlokalizowanej w pobliżu budynku wydziału, w tym informacje o natężeniu promieniowania słonecznego. Wykres prezentujący przebieg natężenia promieniowania słonecznego w latach 2009 i 2010 przedstawiono na rysunku 4. Na wykresie prezentowana jest dobowa ilość energii słonecznej docierającej do miejsca pomiaru zliczona na podstawie danych odczytywanych z czujnika napromieniowania słonecznego w odstępach dziesięciominutowych. Można zatem przyjąć, że dane pomiarowe bardzo dokładne odzwierciedlają rzeczywistą ilość energii solarnej w miejscu pomiaru. Analizując wykres, warto zwrócić uwagę na bardzo zmienny przebieg ilości energii słonecznej w kolejnych dniach. Świadczy to o niebagatelnym wpływie pogody na dostępną ilość tej energii. Przykładowo, w lipcu 2009 r. zmierzono w ciągu jednego dnia niewiele ponad 1kWh energii słonecznej, a kilka dni później do czujnika dotarło ponad 8 kWh energii.
Tak duża zmienność oznacza oczywiście zmienne uzyski, czy to kolektora słonecznego, czy też panelu fotowoltaicznego. Pomimo, iż obserwujemy ogólny trend wzrostu nasłonecznienia w okresie „ciepłym”, czyli od kwietnia do września, to nie można zakładać stałych uzysków solarnych w tym okresie. Warto także zwrócić uwagę na fakt, że linie trendu (pogrubione linie na rys. 4) energii słonecznej dla lat 2009 i 2010 są do siebie zbliżone, czyli rokrocznie słońce dostarcza podobne ilości energii. W 2009 r. było to 1040 kWh, a w 2010 r. – 986 kWh.
Do obliczeń zakłada się, że średnio roczny uzysk energii solarnej (nasłonecznienie) dla obszaru Polski wynosi 1000-1150 kWh (rys. 5) [1]. Na tle innych państw Europy Polska wydaje się być tym krajem, w którym energii słonecznej jest stosunkowo mało (rys. 6) [1]. Tymczasem w Niemczech, choć dysponują praktycznie taką samą ilością energii solarnej, jej wykorzystanie jest o wiele większe niż w Polsce. Podróżując przez Niemcy, bez trudu można zauważyć duże instalacje solarne, w tym fotowoltaiczne, co w Polsce nadal jest rzadkością.

Energia słoneczna: przydatne pojęcia i dane

Promieniowanie całkowite Eg to suma promieniowania bezpośredniego docierającego do powierzchni Ziemi po pokonaniu różnych przeszkód oraz promieniowania rozproszonego, odbitego lub zaabsorbowanego i znowu wypromieniowanego przez cząsteczki pyłów i molekuły gazów. Zależy od warunków pogodowych i waha się w granicach od ok. 50 do 1000 W/m2 (patrz natężenie promieniowania).
Nasłonecznienie. Nazywane są tak wartości uzysków energii słonecznej. Jest to suma natężenia promieniowania słonecznego w danym czasie i na danej powierzchni, np. suma natężenia promieniowania słonecznego w czasie godziny, dnia czy roku na powierzchni 1 m2. Średnio roczne nasłonecznienie na obszarze Polski wynosi 1000-1150 kWh.
Natężenie promieniowania słonecznego, inaczej wartość chwilowa promieniowania słonecznego. Jest to chwilowa wartość gęstości mocy promieniowania słonecznego docierającego do 1 m2 powierzchni, podawana zazwyczaj w [W/m2] lub [kW/m2]. Natężenie promieniowania słonecznego ulega ciągłym zmianom, zazwyczaj w przedziale 100-800 W/m2. Najwyższe wartości notowane są w słoneczne bezchmurne dni i mogą osiągać 1000 W/m2.
Kąt padania promieni słonecznych. Ma istotne znaczenie dla uzysków solarnych urządzeń zasilanych energią słoneczną i jest zmienny w czasie. W Polsce średniorocznie optymalne uzyski solarne gwarantuje ustawienie odbiorników solarnych pod kątem 30-45° od poziomu.
Usłonecznienie. Definiowane jest jako liczba godzin słonecznych. Jest to czas podany w godzinach, podczas którego na powierzchnię Ziemi padają bezpośrednio promienie słoneczne. Parametr ten opisuje głównie warunki pogodowe, a nie zasoby energii słonecznej. Wykorzystywany jest w energetyce słonecznej do szacowania warunków pracy instalacji, np. do wyliczania godzin pracy pompy cyrkulacyjnej w instalacji kolektorów słonecznych. W Polsce wartość usłonecznienia jest największa dla Kołobrzegu i wynosi 1624 h/rok, najmniejsza zaś dla Zakopanego – 1467 h/rok.

Uzyski solarne a kąt padania promieni

Niezwykle istotny dla uzysków solarnych jest również kąt padania promieni słonecznych, który – jak doskonale wiemy – zmienia się na przestrzeni roku. Ponieważ odbiorniki solarne (kolektory słoneczne lub fotowoltaiczne) najefektywniej pozyskują energię, gdy są ustawioneprostopadle do kąta padania promieni słonecznych, chcąc zmaksymalizować uzyski, należałoby stale dopasowywać kąt ich ustawienia do pory dnia i roku. I tak:

  • latem, gdy słońce wstaje na północnym wschodzie, góruje wysoko i zachodzi na północnym zachodzie, płaszczyznę odbiorników należałoby zwrócić na południe pod nieznacznym kątem, rzędu 5-20°. Większy kąt oznacza straty energii, gdyż przez długi czas po wschodzie i przed zachodem słońce znajdowałoby się poza płaszczyzną, którą powinno oświetlać;
  • wiosną i jesienią, gdy słońce wstaje na wschodzie, góruje umiarkowanie i zachodzi na zachodzie, płaszczyznę odbiornika należałoby zwrócić na południe pod umiarkowanym kątem, rzędu 45-60°;
  • zimą, gdy słońce wstaje na południowym wschodzie, góruje nisko i zachodzi na południowym zachodzie, płaszczyznę odbiornika należałoby zwrócić na południe pod dużym kątem, rzędu 60-90°.
f5 f6
5. Mapa nasłonecznienia Polski [1] 6. Mapa nasłonecznienia Europy [1]

 

Oczywiście, takie działania nie będą miały uzasadnienia w praktyce. Wprawdzie „podążając” za słońcem możemy „pobrać” trochę więcej energii niż pozostawiając panele nieruchomo, ale koszty budowy i eksploatacji takiego systemu podążającego za słońcem znacznie przekroczą spodziewane uzyski. Podsumowując – instalacje pomiarowe, doświadczalne można wyposażać w tego typu systemy, jednakże panele w instalacjach użytkowych powinny być ustawione pod jednym, optymalnym kątem. W Polsce optymalne średniorocznie uzyski solarne gwarantuje kąt 30-45° od poziomu. Pomimo właściwego ustawienia panelu należy jednak liczyć się z pewnymi ograniczeniami w absorbowaniu energii. Na rynku nie ma bowiem takiego kolektora, który byłby w stanie wykorzystać całą energię, jaka dociera do jego powierzchni. Konstruktorzy prześcigają się w rozwiązaniach technicznych zwiększających uzyski solarne, jednakże pewnych barier dostępna obecnie technologia pokonać nie może. Aby zapewnić konstrukcji odbiorników odpowiednią trwałość, producenci muszą zabezpieczać warstwę bezpośrednio absorbującą energię słoneczną – warstwą szkła lub innego przezroczystego materiału. Przyczynia się to do częściowego odbijania promieni słonecznych jeszcze przed ich dotarciem do absorbera. Materiał absorbera również częściowo odbija promienie, dodatkowo zmniejszając efektywność.

Autor: Paweł Kowalski

Kolejna część już jutro.

Cykl warsztatów instalatora OZE to projekt edukacyjny przygotowywany we współpracy redakcji Polskiego Instalatora oraz Polskiej Korporacji Techniki Sanitarnej, Grzewczej, Gazowej i Klimatyzacji – z dużymi firmami z branży OZE, mającymi bogate doświadczenie projektowe, produkcyjne, montażowe i serwisowe. Kierujemy go do potencjalnych projektantów i wykonawców takich instalacji, a być może także docelowych użytkowników. Rozpoczynamy cykl o małych instalacjach fotowoltaicznych z firmą Viessmann.


 

pi