Fotowoltaika od podstaw – cz. 1: Energia słoneczna

Słońce jest centralną planetą w naszym układzie słonecznym. Dzięki zachodzącym na jego powierzchni reakcjom termojądrowym, Słońce jest także źródłem energii, która dociera do powierzchni Ziemi. Mimo tego, że fotowoltaika jest nadal niedoceniana, warto wiedzieć, że energia słoneczna docierająca do powierzchni Ziemi ponad dwukrotnie przekracza maksymalną energię jaka jest możliwa do wytworzenia ze wszystkich dostępnych paliw kopalnych. Jakby tego było mało, moc energii docierającej do Ziemi, w każdej chwili jest 8000 razy większa od mocy zużywanej na całym Świecie. Czyli w każdej chwili mamy do dyspozycji 8 tysięcy razy więcej mocy dostępnej ze źródła niż jest nam potrzebna. To tak jakby obciążyć źródło energii tylko w 0,013%, a jest to moc potrzebna na pokrycie zapotrzebowania na całym Świecie. Jest to więc ogromne i darmowe źródło energii, ale aby je wykorzystać niezbędna jest odpowiednia technologia. Zaczynając od podstaw zastanówmy się skąd ta energia się bierze? Naturalnie ze Słońca, ale jak to się dzieje, że jest ona wytwarzana?

Na powierzchni Słońca zachodzą różne reakcje termojądrowe, których efektem jest promieniowanie elektromagnetyczne. Słońce jest źródłem promieniowania fal elektromagnetycznych we wszystkich zakresach, z czego 49% przypada na promieniowanie widzialne (długość fali 380-760 nm), ok. 44% na promieniowanie podczerwone (długość fali większa od 800 nm), a ok. 7% to promieniowanie w bliskim nadfiolecie (długość fali 120-300 nm). Widmo promieniowania słonecznego przypomina rozkład ciała doskonale czarnego o temperaturze 6000K, a ekstremum natężenia promieniowania przypada na długość fali o długości ok. 500 nm (odpowiada to barwie zielonożółtej).

promieniowaniesloneczne
Widmo promieniowania słonecznego. Źródło: http://www.mao.kiev.ua/lao/school_reports.html

Promieniowanie słoneczne dociera do atmosfery ziemskiej, jednak nie jest w całości przepuszczane. Powodem tego jest skład atmosfery, który ma inną przepuszczalność dla promieniowania słonecznego, a inną dla promieniowania ziemskiego. W związku z tym promieniowanie słoneczne jest częściowo rozpraszane lub pochłaniane przez atmosferę. W skład atmosfery wchodzą warstwy tlenu i ozonu, które odpowiadają za absorpcję promieniowania ultrafioletowego o wysokich częstotliwościach. Promieniowanie słoneczne dociera do powierzchni Ziemi po przejściu przez atmosferę. Możemy więc wyróżnić 4 rodzaje promieniowania słonecznego docierającego do atmosfery i powierzchni Ziemi:

  • Promieniowania absorbowane, czyli pochłaniane przez atmosferę – jest to nic innego jak zmniejszenie mocy promieniowania słonecznego przy zachowaniu kierunku rozchodzenia się fali
  • Promieniowanie odbite – jest to promieniowanie odbijane od powierzchni Ziemi i powierzchni różnych materiałów. W praktyce nie jest ono wykorzystywane w fotowoltaice ze względu na nieprzewidywalny kierunek odbicia.
  • Promieniowanie rozproszone – promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni Ziemi, ale nie bezpośrednio. Jest to promieniowanie rozproszone w atmosferze, pozwala na działanie systemu fotowoltaicznego w pochmurne dni
  • Promieniowanie bezpośrednie – jest to bezpośrednie promieniowanie pochodzące ze Słońca, które jest źródłem największej ilości energii

W systemach fotowoltaicznych wykorzystujemy głównie promieniowanie słoneczne bezpośrednie i rozproszone. Są również projektowane systemy fotowoltaiczne wykorzystujące promieniowanie odbite. Wykorzystuje się w nich powierzchnie o wysokim współczynniku albedo (zdolność odbijania promieni słonecznych przez daną powierzchnię).

W fotowoltaice wykorzystujemy 3 rodzaje promieniowania słonecznego, które możemy mierzyć. W celu zmierzenia promieniowania słonecznego, określa się parametr jakim jest natężenie promieniowania, którego jednostką jest W/m2. Jest to chwilowa wartość gęstości mocy padająca na powierzchnię 1m2, ustawioną prostopadle do kierunku promieniowania. Mamy do dyspozycji 3 rodzaje natężenia promieniowania słonecznego, wyróżnione ze względu na dostępne na powierzchni Ziemi promieniowanie:

  • Całkowite natężenie promieniowania (global irradiance) – moc promieniowania z całkowitego obszaru nieba padająca na jednostkę powierzchni
  • Natężenie promieniowania bezpośredniego (direct irradiance) – moc promieniowania bezpośredniego padającego na jednostkę powierzchni. Promieniowanie bezpośrednie oznacza tą część energii promieniowanie słonecznego, która dociera do Ziemi bezpośrednio, bez rozproszenia i prostopadle do powierzchni
  • Natężenie promieniowania rozproszonego (diffuse irradiance) – moc promieniowania padająca na jednostkę powierzchni z wyłączeniem promieniowania bezpośredniego

Jak wiemy Ziemia krąży po orbicie wokół Słońca, ale poza tym obraca się również wokół własnej osi. W związku z tym z punktu widzenia obserwatora na powierzchni Ziemi, Słońce może zajmować różną pozycję na niebie. W celu określenia pozycji Słońca na niebie, wyróżnia się takie wielkości jak:

  • Zenit – jest to centralny punkt bezpośrednio nad obserwatorem, promienie słoneczne padają na Ziemię prostopadle do jej powierzchni
  • Horyzont – okrąg powstały w wyniku przecięcia sfery niebieskiej na dwie części, wyznacza granicę pomiędzy sferą widzialną dla obserwatora i zasłoniętą przez powierzchnię Ziemi
  • Kąt wzniesienia α nad horyzontem – kąt pomiędzy płaszczyzną horyzontu, a linią wyznaczającą kierunek bezpośredniego promieniowania słonecznego
  • Azymut Ψ – jest to kąt pomiędzy północnym południkiem geograficznym (wskazującym kierunek północny) a danym kierunkiem poziomym i jest liczony od 0° w górę przesuwając się zgodnie z ruchem wskazówek zegara od południka wskazującego północ (w stronę wschodnią). W fotowoltaice azymut jest określany inaczej – jest to kąt pomiędzy południowym południkiem geograficznym (wskazującym południe) a danym kierunkiem i również jest liczony od 0° w górę przesuwając się zgodnie z ruchem wskazówek zegara od południka wskazującego południe (w stronę zachodnią).
  • Współczynnik masy powietrza AM – jest to parametr określający drogę optyczną jaką musi przebyć promień słoneczny przechodzący przez atmosferę. AM1 oznacza najkrótszą drogę promienia, czyli sytuację kiedy słońce znajduje się w zenicie, a AM0 dotyczy promieniowania słonecznego w kosmosie.

Współczynnik AM wyznacza się na podstawie wzoru:

AM_wzor

 

 

 

Gdzie Θ to kąt odchylenia promieni słonecznych w płaszczyźnie pionowej od kierunku kiedy Słońce znajduje się w zenicie. Poniżej znajduje się graficzna interpretacja wyznaczania współczynnika masy powietrza AM.

Graficzna interpretacja wyznaczania współczynnika masy powietrza AM
Graficzna interpretacja wyznaczania współczynnika masy powietrza AM

W większości przypadków przy projektowaniu systemów fotowoltaicznych wykorzystywany jest współczynnik AM1,5, co oznacza kąt Θ=48,2°

Powyższy wzór odnosi się jednak dla kątów Θ<83°, a jest to spowodowane zakrzywieniem atmosfery. Dla kątów Θ≥83° wzór ten jest bardziej rozbudowany, którego nie będę przytaczał, ponieważ dla naszych rozważań jest on nieistotny.

Ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi możemy określić poprzez kilka poniższych parametrów:

  • Natężenie promieniowania słonecznego (irradiance) [W/m2] – omówione wyżej
  • Napromieniowanie (irradiation) [kWh/m2] – Energia promieniowania słonecznego przypadająca na jednostkę powierzchni w jednostce czasu
  • Usłonecznienie [godziny] – czas w ciągu roku podczas którego na dane miejsce na powierzchni Ziemi padają bezpośrednio promienie słoneczne
  • Nasłonecznienie (insolation) [W/m2/rok, lub na dzień] – natężenie promieniowania słonecznego przypadające na dany okres czasu

Z powyższych rozważań wnioskować można, że powierzchnia absorbująca promieniowanie słoneczne (np. moduł fotowoltaiczny) powinna być jak najdłużej ustawiona prostopadle do kierunku promieniowania słonecznego. Wynika to z faktu, że największa część energii słonecznej dociera do nas poprzez promieniowanie bezpośrednie. Zimą Słońce znajduje się niżej niż w okresie lata, a więc powierzchnia ustawiona prostopadle do promieniowania słonecznego latem nie będzie już ustawiona prostopadle do promieniowania zimą. Dlatego zimą do powierzchni modułów fotowoltaicznych może docierać nawet o 40% mniej promieniowania bezpośredniego niż latem. W związku z tym projektuje się układy nadążne, których zadaniem jest utrzymywanie kąta prostego pomiędzy powierzchnią paneli fotowoltaicznych a kierunkiem promieniowania bezpośredniego. W większości przypadków jednak nie jest to opłacalne ze względów ekonomicznych. Przy projektowaniu systemów fotowoltaicznych bez układów nadążnych należy określić optymalny kąt ustawienia paneli , tak aby ich powierzchnia znajdowała się jak najdłużej prostopadle do kierunku bezpośredniego promieniowania słonecznego. W Polsce kąt ten mieści się w granicach 34-39° dla azymutu równego 0° i zależy od położenia geograficznego.

Warunki słoneczne w Polsce

Polska jest uważana przez niektórych za kraj słabo nasłoneczniony. Okazuje się, że pod względem napromieniowania Polska nie jest wcale gorsza od krajów takich jak Niemcy, Francja, Dania czy Holandia, w których fotowoltaika prężnie się rozwija.

Całkowite natężenie promieniowania słonecznego w Europie Źródło: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
Całkowite natężenie promieniowania słonecznego w Europie
Źródło: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

W naszym kraju przeważające znaczenie ma promieniowanie rozproszone. W strukturze promieniowania słonecznego w skali roku składowa rozproszona wynosi ok. 50%, zimą jest to nawet 70%. Z kolei jeśli chodzi o nasłonecznienie, to aż 80% przypada na miesiące od maja do października. W Polsce nie widać wyraźnych różnic jeśli chodzi o natężenie promieniowania słonecznego. Uprzywilejowane są rejony górskie ze względu na mniejszą wartość współczynnika AM. Najczęściej notowane wartości natężenia promieniowania bezpośredniego w Polsce wynoszą 600-800 W/m2, a największa odnotowana wartość wyniosła 1200 W/m2 i została zarejestrowana na Kasprowym Wierchu. Roczne nasłonecznienie w Polsce zostało przedstawione poniżej.

Roczne nasłonecznienie w Polsce Źródło: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
Roczne nasłonecznienie w Polsce
Źródło: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

Powyższy tekst jest pierwszym z serii wpisów, których głównym tematem jest: Fotowoltaika od podstaw.

Ten cykl edukacyjny ma na celu pomoc w zrozumieniu szerokiego tematu jakim jest fotowoltaika – zagadnień związanych z samymi podstawami, kwestiami technicznymi, z bezpieczeństwem, projektowaniem oraz systemem prawnym. Kolejne części tego cyklu to:

  1. Energia słoneczna
  2. Moduły i generatory fotowoltaiczne
  3. Elementy składowe instalacji fotowoltaicznych
  4. Generalne koncepcje systemów fotowoltaicznych
  5. Monitoring i pomiary w fotowoltaice
  6. Bezpieczeństwo instalacji fotowoltaicznych
  7. Magazynowanie energii w systemach fotowoltaicznych
  8. Projektowanie systemów fotowoltaicznych
  9. System prawny w Polsce
  10. Przyszłość w fotowoltaice

Zobacz również:

3 myśli na temat “Fotowoltaika od podstaw – cz. 1: Energia słoneczna

  1. Bardzo fajnie napisany tekst. Dowiedziałem się kilku ciekawostek. Chcę, żebyś wiedział, że to co robisz ma sens. Czekam na więcej

  2. Ciekawy wpis. Czy wiadomo jak to teraz jest w Polsce z dofinansowaniami na ogrzewanie czy elektryczność z energii słonecznej? Opłaca się to robić? Oczywiście zakładając że inwestycja zwróci się nie jak będę już dziadkiem ;).

    • mgr inż. Maciej Dolata

      Bardzo dziękuję. Opłaca się, inwestycja może się zwrócić nawet w 7 lat, ale przede wszystkim w postaci oszczędności na rachunku za energię elektryczną. Nie powinniśmy się spodziewać wysokich dodatkowych przychodów 🙂

Dodaj komentarz

Podpis *
Email *
Witryna internetowa