Okazuje się, że gdyby już dziś istniały technologie pozwalające racjonalnie magazynować energię pochodzącą ze słońca ludzkość nie musiałaby korzystać z jakichkolwiek innych źródeł energii.
Co to jest energia solarna lub słoneczna ?
SŁOŃCE emituje promieniowanie elektromagnetyczne we wszystkich kierunkach. Do Ziemi dociera jedynie jego część. Na zewnątrz atmosfery ziemskiej, na płaszczyźnie prostopadłej do kierunku padania promieni słonecznych gęstość strumienia promieniowania słonecznego wynosi Gsc. = 1367 W/m2. Wartość ta nazywana jest stałą słoneczną. Na powierzchni Ziemi natężenie promieniowania słonecznego jest mniejsze od wartości stałej słonecznej. Jest to spowodowane procesami absorpcji i rozpraszania promieniowania oraz wpływem zachmurzenia.
Potencjał helioenergetyczny danego regionu ściśle oddziałuje na lokalne możliwości wykorzystania energii słonecznej. W konsekwencji kształtuje rodzaj systemów pozyskiwania energii słonecznej, ich wielkość i zastosowanie oraz wypływające z tego ewentualne oszczędności w gospodarce energetycznej.
Energia słoneczna jest bezpłatna, a do tego efektywna – także w naszej strefie geograficznej, jeśli wykorzystuje się system solarny z wysoko sprawnymi kolektorami i odpowiednimi elementami systemu. Dobrze dobrany układ może pokryć od 30 nawet do 60 % rocznego zapotrzebowania na podgrzewanie ciepłej wody, jak również przyczynić się do obniżenia kosztów otrzymania ciepła technologicznego np. podgrzewanie basenów, a w szczególnych przypadkach ogrzewania obiektów.
Jest to uwarunkowane możliwością montażu odpowiedniej ilości kolektorów neosol 250. W okresie od kwietnia do września energia słoneczna wystarcza na prawie całkowite pokrycie tych potrzeb, a w miesiącach przejściowych można ją optymalnie wykorzystać do wstępnego podgrzewania ciepłej wody użytkowej i ewentualnie do celów technologicznych w tym w szczególnych przypadkach do wspomagania ogrzewania. Redukuje to odczuwalnie zużycie ciepła technologicznego. Potencjał energetyczny słońca jest olbrzymi i tylko od człowieka zależy, czy go wykorzysta, czy też będzie używał tradycyjnych kopalnych paliw lub energetycznej energii atomowej.
Słoneczna mapa Polski
Powyższa mapa obrazuje ilość promieniowania słonecznego przypadającego rocznie na każdy metr kwadratowy powierzchni. Wynika z niej, że wartość promieniowania w Polsce wynosi od 3600 do 3800 MJ/m2/rok, tj. około od 1000 do 1055 kWh /m2 rocznie i jest to wartość większa niż w analogicznej szerokości na terenie Niemiec gdzie te wartości zmieniają się w zakresie od 3060 do 3600 MJ/m2/rok tj. około od 850 do 1000 kWh /m2 rocznie.
Ponad 70 % z przytoczonych wartości przypada na miesiące kwiecień – wrzesień, co jest uwarunkowane kątem padania promieni słonecznych, co obrazuje poniższy rysunek:
Wartość użyteczna promieniowania słonecznego jest funkcją promieniowania bezpośredniego Hb padającego na powierzchnię absorbera, promieniowania rozproszonego Hr, kąta padania promieni słonecznych, nachylenia powierzchni odbierającej promieniowanie słoneczne (absorbera – dla kolektorów słonecznych i powierzchni półprzewodnikowych ogniw dla modułów fotowoltaicznych) oraz współczynnika odbicia promieniowania słonecznego od powierzchni. Zależność ta wyrażona jest wzorem:
gdzie:
Rb – współczynnik zgodności pochylenia powierzchni;
ρ – bezwymiarowy współczynnik odbicia od powierzchni;
Θ, Θz– kąty jak na rysunku
Zdefiniowanie kątów padania promieniowania słonecznego
Wartość współczynnika odbicia od powierzchni zmienia się w przedziale od 0 (dla najsłabiej odbijających powierzchni) do 1 (silnie odbijających powierzchni) Przykładowo: ρ = 0,2 – 0,5 (ziemia nie porośnięta), ρ = 0,4 – 0,7 (skały), ρ = 0,7 – 0,9 (powierzchnia wody), ρ = 0,9 – 0,95 (śnieg).
Najważniejszym aspektem limitującym zakres możliwości wykorzystania energii słonecznej jest duża zmienność warunków solarnych w ciągu całego roku.. Potencjał energii słonecznej można więc oszacować z dość dużą dokładnością, ułatwiającą podejmowanie decyzji na etapie planowania inwestycji. W celu zilustrowania zmienności ilości energii docierającej do powierzchni ziemi. W tabeli zestawiono godzinowe sumy miesięczne z 21 letniego okresu. W tabeli tej zamieszczono również sumę roczną energii i jej odchyłkę od wartości średniej obliczonej dla prezentowanego okresu. Sumy energii w poszczególnych latach różnią się od wartości średniej nie więcej niż ±15%. Roczne wahania ilości energii w poszczególnych miesiącach charakteryzują się dużą klimatyczną regularnością.
Sumy miesięczne [kW·h/miesiąc/m2] i roczne [kW·h/rok/m2] oraz odchylenie od wartości średniej 945,5 w [%] w okresie od 1980 do 2000
Ilość energii dostępna w styczniu jest wielokrotnie mniejsza od ilości energii w miesiącach wiosenno – letnich.
Zmienność ilości energii słonecznej w ciągu roku utrudniają bardzo jej wykorzystanie w zastosowaniach całorocznych. W celu zapewnienia wymaganej mocy w ciągu całego roku system należy brać pod uwagę również najgorsze warunki nasłonecznienia czyli okres jesienno – zimowym. Powoduje to że system musi posiadać wystarczającą powierzchnią do zaspokojenia potrzeb energetycznych. W tak dobranym systemie ilość energii będzie z kolei wielokrotnie większa w miesiącach wiosenno – letnich.
Dlatego najlepszą efektywnością charakteryzują się systemy optymalizowane do zastosowań sezonowych – w przypadku cieplnych kolektorów słonecznych, lub systemy zintegrowane z siecią energetyczną dla siłowni fotovoltaicznych.
Wpływ nachylenia płaszczyzny odbiornika (modułu fotowoltaicznego lub/i kolektora cieplnego) na ilość produkowanej energii elektrycznej lub/i cieplnej
Istotnym parametrem przy doborze parametrów pracy konwertera energii słonecznej jest orientacja jego płaszczyzny względem słońca. Do porównania ilości energii jaką można uzyskać przy różnych orientacjach modułu można użyć specjalistycznych programów symulacyjnych np. GetSOLAR czy PVSYST. Pozwalają one na przeprowadzanie symulacji, wymiarowania, pomiarów i analizy systemów fotowoltaicznych. Symulacje dokonywane są w oparciu o meteorologiczne dane godzinne. Mogą to być dane doświadczalne lub syntetycznie wyliczone przez programy dane godzinne na podstawie miesięcznych wartości nasłonecznienia.
Symulacja została przeprowadzona przy wykorzystaniu informacji z bazy danych projektu SoDa (SoDa Global Radiation Database). Wynika z niej że roczna suma energii promieniowania słonecznego jest największa dla kąta 30°– 50°. Dla systemu autonomicznego optymalna wartość kąta nachylenia modułu zmienia się w zależności od pory roku. Jeśli płaszczyzna odbiornika (modułu fotowoltaicznego lub/i kolektora słonecznego) są zamontowane w sposób pozwalający na regulację kąta nachylenia, korzystna jest zmiana nachylenia w ciągu roku, w zakresie 20° w lecie do 70° w zimie.
Programy symulacyjne pozwalają na bardzo dokładne określanie optymalnego położenia płaszczyzny, na którą pada promieniowanie słoneczne (zarówno nachylenie jak i kąt azymutu). Wartości w tabeli określają stosunek FT (ang. Transposition Factor) natężenia promieniowania dla danej orientacji płaszczyzny do wartości natężenia promieniowania padającego na płaszczyznę poziomą.
Symulacja promieniowania słonecznego padającego na płaszczyzny nachylone pod różnymi kątami do płaszczyzny poziomej: α =10°, 30°, 50°, 70°, 90° dla danych uśrednionych
Dane zestawione w tabelach obrazują zależność ilości generowanej energii do nachylenia płaszczyzny konwertera promieniowania słonecznego. Poprzez odpowiednie zorientowanie płaszczyzny odbiornika można optymalnie wykorzystywać docierającą energię. Kąty nachylenia optymalnie zorientowanego modułu zmieniają się w ciągu roku.
Dla miesięcy zimowych (styczeń, luty grudzień) maksymalne wartości FT występują dla kąta nachylenia 60° – 70° i azymutu 0°. W miesiącach wiosennych (marzec, kwiecień, maj) maksymalne wartości FT występują dla kąta nachylenia 30° i azymutu -15° – 15°.
W miesiącach letnich (czerwiec, lipiec, sierpień) maksymalne wartości FT występują dla kąta nachylenia 10° – 20° i azymutu -15° – 15°. Obserwujemy, że dla miesięcy letnich dokładne zorientowanie modułu nie jest tak krytyczne, jak w pozostałych porach roku. Dla miesięcy jesiennych (wrzesień, październik, listopad) maksymalne wartości FT występują dla kąta nachylenia 50° i azymutu 0°.
Średnie wartości energii promieniowania słonecznego w funkcji kątów określających zorientowanie płaszczyzny w przestrzeni (azymut i nachylenie) za okres całego roku.
Równie istotnym czynnikiem wpływającym na ilość przypadającej energii w ciągu dnia, tygodnia, jak i miesiąca ma zachmurzenie ( które zostało uwzględnione przy określaniu map słonecznych i ilości padającej energii w ciągu roku ).
