Zmniejszające się nieuchronnie zasoby surowców energetycznych na świecie, a w rezultacie konsekwentny wzrost cen paliw, jak również stale rosnące zanieczyszczenie środowiska naturalnego zmuszają ludzkość do ciągłego poszukiwania nowych rozwiązań w dziedzinie pozyskiwania energii.

Racjonalną alternatywą pozwalającą sprostać tym wyzwaniom jest bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej przy pomocy kolektorów słonecznych oraz modułów fotowoltaicznych.

Dzięki kolektorom słonecznym energię promieniowania słonecznego możemy wykorzystać w postaci ciepła do przygotowania wody użytkowej, wspomagania ogrzewania czy też podgrzewania wody w basenach. Z kolei moduły fotowoltaiczne zwane potocznie bateriami słonecznymi umożliwią nam niezależne wytwarzanie energii elektrycznej do zasilania urządzeń w budynku.
 
Słońce
Słońce jest kulą rozżarzonej i ruchliwej plazmy o średnicy około 109 razy większej od średnicy Ziemi i masie 333 000 razy większej od masy Ziemi . Źródłem produkowanej we wnętrzu Słońca energii są przemiany termojądrowe wodoru w hel. Temperatura wnętrza Słońca nie jest dokładnie znana. Szacuje się, że są to wartości rzędu od 8 000 000 – 40 000 000 K, jednak najczęściej podaje się wartość 16 000 000 K. Słońce jest niewyczerpalnym źródłem energii pierwotnej czyli nieprzetworzonej. Niemal wszystkie nośniki energii występujące na Ziemi, za wyjątkiem geotermalnej i paliw rozszczepialnych, powstały w wyniku transformacji energii promieniowania słonecznego. Słońce emituje ze swojej powierzchni promieniowanie, które rozchodzi się w przestrzeni kosmicznej równomiernie we wszystkich kierunkach.

Promieniowanie słoneczne
Średnią moc promieniowania słonecznego docierającego do zewnętrznej warstwy atmosfery określa tzw. stała słoneczna, która wynosi dla Ziemi 1367 W/m2. Oznacza to, że do 1 m2 powierzchni ustawionej na górnej warstwie atmosfery prostopadle do kierunku biegu promieni słonecznych, dociera energia o mocy 1367 W. Z tej mocy po przejściu przez atmosferę do powierzchni Ziemi dociera już tylko ok. 1000 W/m2. Całkowite promieniowanie słoneczne przechodzące przez warstwę atmosfery jest rozpraszane, pochłaniane i odbijane przez cząsteczki pyłów i gazów i po przejściu przez atmosferę ulega rozbiciu na trzy składowe, które docierają do powierzchni kolektora:
  • Promieniowanie bezpośrednie – docierające do kolektora z bezpośrednio widocznej tarczy słonecznej
  • Promieniowanie rozproszone – docierające do kolektora po załamaniu przy przejściu przez chmury, cząstki pyłu i aerozoli zawieszonych w powietrzu
  • Promieniowanie odbite – docierające do kolektora poprzez odbicie od różnego rodzaju obiektów znajdujących się na drodze promienia bezpośredniego np. budynków, pagórków itp.

Promieniowanie słoneczne na obszarze naszego kraju charakteryzuje duży udział składowej dyfuzyjnej. Średnio w skali rocznej blisko 50% energii dociera do powierzchni Ziemi w postaci promieniowania rozproszonego (dyfuzyjnego). Udział ten wzrasta w okresie zimowym do 77 %. Pozornie słabe światło promieniowania rozproszonego może dostarczyć wystarczająco dużo energii. Ostateczna ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi będzie silnie uzależniona od szerokości geograficznej oraz pory roku. Z uwagi na pochylenie osi ziemskiej względem jej orbity
o 23,5°, w okresie od marca do września półkula północna jest silniej wyeksponowana ku Słońcu, natomiast w okresie od września do marca więcej promieni pada na półkulę południową. Wynikiem tego są różnice w długości dnia latem i zimą. Długość dnia zależy również od szerokości geograficznej, to znaczy, że im bardziej na północ tym dzień jest dłuższy (latem) lub krótszy (zimą).
 

Wielkości charakteryzujące promieniowanie słoneczne
Promieniowanie słoneczne charakteryzowane jest różnymi wielkościami, z których trzy mają zasadnicze znaczenie w energetyce słonecznej:

  • Moc promieniowania słonecznego (Gęstość strumienia promieniowania słonecznego) G [W/m2] – suma energii promieniowania w całym zakresie długości fal, docierającego do jednostki powierzchni. Wielkość ta ulega znacznym zmianom w zależności od panujących warunków atmosferycznych.
  • Nasłonecznienie (napromieniowanie) H [kWh/m2] – energia promieniowania słonecznego docierającego na jednostkę powierzchni odbiornika w ciągu określonego czasu (godziny, dnia, miesiąca, roku). Wielkość ta określa rzeczywistą ilość promieniowania przekształconego w energię solarno-termiczną i jest podawana w zestawieniu dziennym, miesięcznym i rocznym.
  • Usłonecznienie h – liczba godzin z bezpośrednio widoczną tarczą słoneczną (dotyczy określonego czasu i zależy od długości dnia, zachmurzenia, lokalizacji).

 

 

Potencjał energii słonecznej w Polsce
Polska posiada dobre warunki do wykorzystywania energii słonecznej. Z uwagi na duże zróżnicowanie promieniowania w zależności od pory roku, pory dnia i od aktualnej pogody ilość energii użytecznej przypadającej na 1 m2 powierzchni poziomej określana jest w skali roku. Dopiero bilans roczny daje pełny obraz i dostarcza prawidłowych danych o nasłonecznieniu. Na obszarze naszego kraju całkowite napromieniowanie waha się w przedziale 900 – 1100 kWh/m2 rok, a średnie usłonecznienie wynosi około 1600 h/rok i bliskie jest usłonecznieniu Warszawy.

 



Moc promieniowania słonecznego
W zależności od panujących warunków pogodowych moc całkowitego promieniowania słonecznego ulega znacznym zmianom i w przybliżeniu kształtuje się na następującym poziomie:



Maksymalne wartości docierającej energii słonecznej rzędu 700 ÷ 1000 W/m2 przypadają na miesiące od wiosny do jesieni. Wartości pośrednie 200 ÷ 500 W/m2 przypadają na miesiące zimowe. Minimalne wartości 50 W/m2 przypadają w dni mocno pochmurne, deszczowe i śnieżne.



Współczynnik AM (Air Mass)
Moc promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi zależna jest od długości drogi przebytej przez atmosferę. Im dłuższa droga promieni słonecznych do Ziemi tym większe jest zjawisko ich redukcji w atmosferze. Efekt redukcji zależy od kąta padania promieni słonecznych i określany jest jako Air Mass (AM) czyli masa powietrza. Najkrótsza droga promieni słonecznych przebiega pod kątem prostym (90°) do powierzchni Ziemi i jest określana jako AM1.




Wpływ kąta nachylenia oraz orientacja względem stron świata
Efektywne wykorzystanie promieniowania słonecznego w dużym stopniu zależy od właściwego ustawienia kolektora czy modułu fotowoltaicznego. Ustawienie to określa:

  • Kąt azymutu – określa odchylenie płaszczyzny kolektora lub modułu od kierunku południowego
  • Kąt nachylenia kolektora lub modułu – jest to kąt pomiędzy płaszczyzną poziomą i płaszczyzną kolektora



W warunkach polskich kolektor lub moduł fotowoltaiczny powinien być ustawiony w kierunku południowym, jednak znaczenia samej orientacji płaszczyzny urządzeń nie trzeba przeceniać. Praktyka wykazała, że odchylenie od kierunku południowego na wschód lub zachód nawet o 45° zmniejsza ilość absorbowanej energii nie więcej niż .

W celu jak najlepszej pracy instalacji solarnej istotne jest nachylenie kolektora czy modułu pod optymalnym kątem. Urządzenia te odbiera największą ilość energii, gdy ich płaszczyzna ustawiona jest prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych. Ponieważ kąt padania promieni słonecznych zależy od pory dnia i roku, płaszczyzna kolektora czy modułu powinna być ustawiona odpowiednio do położenia słońca podczas okresu występowania największego napromieniowania. W Polsce optymalny kąt pochylenia kolektorów i modułów mieści się w przedziale 30° ÷ 40°, przy czym w zależności od przeznaczenia instalacji zaleca się:

  • dla instalacji pracujących latem: 30°
  • dla instalacji użytkowanych zimą: 60°
  • dla instalacji całorocznych:


kolektory słoneczne około 40°

moduły fotowoltaiczne około 35°

Możliwe jest również zastosowanie układów „śledzących”, podążających za Słońcem, które mogą zwiększyć wydajność instalacji solarnych, jednak na dzień dzisiejszy budowa takiego systemu jest bardzo kosztowna i niewspółmierna do uzyskiwanych efektów, dlatego układy tego typu nie są powszechnie stosowane.



Obszary zastosowań energii słonecznej

  • Produkcja energii elektrycznej
  • Ogrzewanie wody użytkowej
  • Wspomaganie ogrzewania pomieszczeń
  • Ogrzewanie wody basenowej
  • Budownictwo - gospodarka światłem naturalnym
  • Rolnictwo – suszarnie płodów rolnych
  • Klimatyzacja


» Kolektory słoneczne
» Moduły fotowoltaiczne