Kolektory słoneczne – podstawowe wiadomości dotyczące promieniowania słonecznego

Usytuowanie baterii kolektorów słonecznych. Dopuszczalne odchylenia w usytuowaniu kolektorów słonecznych.

Słońce jest gigantyczną kulą energii o średnicy przekraczającą sto razy średnicę Ziemi. Odległość od Ziemi do Słońca wynosi 150 milionów kilometrów. Światło potrzebuje ośmiu minut aby przebyć tę drogę. Pomimo tak wielkiej odległości Słońce przekazuje Ziemi potężną dawkę energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego.

Słońce to gwiazda zbudowana ze zjonizowanych gazów, składającą się przede wszystkim z wodoru i helu. We wnętrzu tej kuli gazów zachodzą reakcje termojądrowe podczas których jądra atomów wodoru łączą się dając jądro helu. Reakcja ta powoduje wyzwalanie potężnych ilości energii cieplnej. Temperatura wewnątrz Słońca wynosi około 14 milionów Kelwinów, natomiast zewnętrzna strefa tej Gwiazdy ma temperaturę od 4 tysięcy do 1 miliona Kelwinów w koronie Słońca.

Część energii wyzwalana w reakcjach słonecznych gazów jest emitowana na zewnątrz w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Promieniowanie to dociera także do Ziemi. Fizyka kwantowa opisuje promieniowanie jako przepływ strumienia fotonów, mikroskopijnych cząstek pozbawionych masy, niosących energię. Teoria falowa opisuje promieniowanie elektromagnetyczne jako falę, która to fala posiada dwa najważniejsze parametry: częstotliwość f i długość l. Jak widać na rys. 1 spektrum promieniowania elektromagnetycznego jest bardzo szerokie. Promieniowanie słoneczne zawiera się pomiędzy długością fal od 200 nm do 4000 nm (1 nanometr = 10⁻⁹ m, jedna miliardowa metra). W tej długości fal zawiera się ultrafiolet, światło widzialne oraz podczerwień.

Na rysunku 2. pokazano zależność mocy promieniowania słońca od długości fali elektromagnetycznej. Największą energię posiada światło widzialne. Oto dlaczego postrzegamy słońce jako źródło światła, zakres widzialnych fal elektromagnetycznych stanowi dużą część spektrum promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi. W skład promieniowania słonecznego wchodzi również promieniowanie podczerwone. Jest to promieniowanie cieplne. Fale elektromagnetyczne o długości z zakresu podczerwieni wprawiają cząsteczki naszej skóry w wibracje co odczuwamy jako ciepło.

Kolorem żółtym oznaczono moc promieniowania, które dociera do górnych warstw atmosfery. Kolor czerwony to moc promieniowania, które dociera do powierzchni Ziemi. Przerwy między czerwonymi polami pokazują zakresy promieniowania pochłoniętego przez parę wodną i dwutlenek węgla. Niektóre długości fal w ogóle do ziemi nie docierają, są w całości pochłaniane przez gazy zawarte w atmosferze.

Teoretyczne obliczenia a także dane zebrane przez satelity wykazują, że wartość strumienia energii promieniowania słonecznego docierającego w ciągu jednej sekundy do górnych warstw atmosfery wynosi 1367 J na jeden metr kwadratowy powierzchni prostopadłej do kierunku promieniowania [1]. Wielkość ta nazywana jest stałą słoneczną. 28% z tej energii zostaje odbita od atmosfery i rozproszona w przestrzeni kosmicznej. Reszta energii przedzierając się przez warstwy atmosfery w kierunku powierzchni Ziemi napędza szereg zjawisk w przyrodzie, parowanie wód powierzchniowych, ogrzewanie powietrza atmosferycznego, fotosyntezę. Reszta promieniowania, która powoduje przyrost energii gruntów i oceanów jest to część, która mogłaby być wykorzystana jako źródło energii w gospodarce.

Szacuje się, że ta część energii promieniowania Słońca docierającej do powierzchni Ziemi w ciągu roku, która mogłaby być wykorzystana do przetworzenia na inne formy energii, energię cieplną lub elektryczną, przekracza 6000 razy (!) zużycie energii na świecie w ciągu roku.

W energetyce słonecznej posługujemy się wielkościami opisującymi charakterystyczne właściwości promieniowania. Są to gęstość (natężenie) strumienia promieniowania słonecznego docierającego do ziemi, wyrażone w jednostkach W/m². Jest to suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego w atmosferze. Promieniowanie bezpośrednie jest mocno uzależnione od zachmurzenia i może w słoneczny bezchmurny dzień przyjmować wartość 1000 W/m² natomiast podczas pochmurnej pogody zimą natężenie może spaść do 50 W/m².

Drugą charakterystyczną wielkością jest nasłonecznienie, jest to natężenia promieniowania słonecznego w danym czasie przypadające na jednostkową powierzchnię. Inaczej, jest to energii promieniowania słonecznego przypadająca na powierzchnię. Jednostką nasłonecznienia jest [J/m²] lub [kWh/m²]

Nasłonecznienie  =  Natężenie promieniowania słonecznego  *  Czas

Kolejną, trzecią wielkością charakterystyczną dla energetyki słonecznej jest usłonecznienie. Jest to liczba godzin (najczęściej w skali roku) w jakich świeci słońce – promienie słoneczne padają bezpośrednio na ziemię. Wartość ta wyznacza opłacalności inwestycji wykorzystującej energię słońca.

Podczas instalacji kolektorów słonecznych należy wziąć pod uwagę kąt nachylenia płaszczyzny kolektora do płaszczyzny poziomej oraz orientację względem stron świata. Najmniejszy kąt padania promieni słonecznych w południe (mierzony od horyzontu do tarczy słońca) wynosi 22 grudnia w północnej Polsce 15^o , największy kąt będzie na południu Polski 22 czerwca i wynosi 61^o. Na rysunku 5 pokazano zależność natężenia promieniowania słonecznego od kąta nachylenia kolektora solarnego w poszczególnych miesiącach roku.

W  Polsce kąt  nachylenia kolektora powinien być zawarty w granicach od 30° do 55°. Dla instalacji pracujących przede wszystkim w okresie letnim np. do podgrzewania wody na potrzeby domów wczasowych zaleca się niższe wartości kąta nachylenia. Inaczej w instalacjach pracujących przez cały rok, na przykład w domu jednorodzinnym, kąt nachylenia powinien być taki aby zapewnić podgrzewanie wody również w miesiącach zimowo jesiennych.

Wybierając kierunek ustawienia kolektora w stosunku do stron świata najlepsze efekty uzyskamy oczywiście jeżeli kolektor skierowany jest na południe. Dopuszczalne są odchylenia ± 45^o od tego kierunku. Należy mieć jednak na uwadze zmniejszony uzysk energetyczny kolektora solarnego.

Rys. 7. Procentowy uzysk energetyczny kolektora w zależności od jego nachylenia i orientacji względem stron świata (insani.pl)

Często usytuowanie kolektora słonecznego jest wymuszone kształtem i nachyleniem połaci dachowej a także usytuowaniem budynku. W związku z tym nie zawsze jest możliwe ustawienie kolektorów w sposób optymalny. W tej sytuacji przy obliczaniu powierzchni kolektorów należy uwzględnić współczynniki zwiększające, które uwzględniają różne kąty nachylenia kolektora oraz odchylenia jego ustawienia od kierunku południowego.

Przypisy

[1] https://poradnikprojektanta.pl/energia-sloneczna-w-polsce-naslonecznienie

[2] instsani.pl