Warunki klimatyczne i meteorologiczne do wykorzystania energii promieniowania słonecznego w warunkach Polski.
dr Janusz Podogrocki
Zespół Aktynometrii Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej
1. Podstawy fizyczne aktynometrii
1.1 Słońce jako źródło promieniowania
Słońce jest źródłem energii dla wszystkich procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych zachodzących na Ziemi i w atmosferze, a jego promieniowanie najważniejszym czynnikiem środowiskowym dla życia.
Ilość energii słonecznej docierającej w ciągu 1 sekundy do powierzchni 1 m2, prostopadłej
do promieni słonecznych i leżącej tuż poza atmosferą w średniej odległości Ziemi od Słońca (149.5 mln km) nazywa się stałą słoneczną. Jej wartość określono na 1367 ± 7 W m -2. Stała słoneczna zależy od odległości Słońce - Ziemia, która zmienia się w ciągu roku od 147 mln km w styczniu do 152 mln km w lipcu powodując wahania wartości stałej słonecznej ± 3.4 % . Znając wartość stałej słonecznej można obliczyć ile energii docierałoby do powierzchni Ziemi na różnych szerokościach geograficznych gdyby pominąć wpływ atmosfery. Dla obszaru Polski potencjalne sumy roczne energii słonecznej wahają się od 8400 MJ m-2 (2340 KWh m-2)dla północnych krańców do 9250 MJ m-2 (2573 KWh m-2) dla południowych.
Na granicy atmosfery nad szerokością geograficzną Warszawy suma ta wynosi 8768 MJ m-2 (2438 KWh m-2)
Słońce wysyła w przestrzeń międzyplanetarną promieniowanie elektromagnetyczne rozciągające się w zakresie długości fal lub częstotliwości od promieniowania gamma przez: rentgenowskie, ultrafiolet, widzialne, podczerwień, aż do fal radiowych. Atmosfera przepuszcza tylko część promieniowania w dwóch przedziałach długości fal: promieniowanie optyczne (obejmujące część ultrafioletu, widzialne i podczerwień) oraz fale radiowe.
Do powierzchni Ziemi nie dociera zupełnie promieniowanie ultrafioletowe poniżej 290nm (nanometrów). Ze względu na oddziaływanie biologiczne i chemiczne promieniowania ultrafioletowego dzielimy je na pasma:
10 - 200 nm – nadfiolet próżniowy
200 - 280 nm– daleki nadfiolet UV-C
280 - 315 nm– średni nadfiolet UV-B
315 - 400 nm– bliski nadfiolet UV-A
Obszar widmowy 400 nm do 780 nm obejmuje promieniowanie widzialne, a powyżej 780 nm do 375 m m (mikrometrów) określamy jako promieniowanie podczerwone lub podczerwień. Promieniowanie Ziemi i atmosfery zawarte jest w obszarze widma 4 - 120 m m .
Przy przepływie promieniowania słonecznego przez atmosferę następuje jego odbicie, absorpcja i rozproszenie.
Promieniowanie słoneczne dochodzące do powierzchni Ziemi podzielić można na dwie składowe :
promieniowanie bezpośrednie, dochodzące z tarczy słonecznej do powierzchni recepcyjnej
promieniowanie rozproszone w atmosferze, dochodzące ze wszystkich stron do powierzchni recepcyjnej
Pomiarami promieniowania słonecznego zajmuje się aktynometria, stanowiąca część meteorologii. Od 1981 roku pomiary promieniowania wykonywane są w skali WRR - 1981 (World Radiometer Reference) odniesione do Światowego Wzorca Radiacji. Obowiązuje międzynarodowy system jednostek SI: W m-2 i J m-2 .
1.2 Promieniowanie słoneczne w systemie Ziemia – atmosfera
Promieniowanie słoneczne trafiając do systemu Ziemia – atmosfera powoduje powstanie w nim wielu procesów z których najważniejszy to obieg energii i wody.
Rys.1 Schematyczny diagram wzajemnego sprzężenia charakterystyk globalnego systemuklimatycznego
Jak przedstawiono na rys 1 (WMO nr 100, 1983) dopływ promieniowania do powierzchni Ziemi powoduje nierównomierne nagrzanie się jej fragmentów, wywołujące różnice temperatur i ciśnienia, które z kolei są przyczyną ruchu powietrza i wody, w wyniku czego powstaje cyrkulacja atmosferyczna oraz obieg wody przez parowanie i kondensację pary wodnej. W następstwie zaś wzajemnego oddziaływania głównych składowych systemu klimatycznego (sprzężenia zwrotne), czynniki cyrkulacyjne, związane z procesami wewnątrz – atmosferycznymi (zmienność zachmurzenia i przezroczystości napływających mas powietrza) odgrywają ważną rolę w modyfikowaniu czasowo – przestrzennego zróżnicowania ilości docierającej do powierzchni podłoża energii słonecznej.
Całkowity dopływ energii słonecznej do powierzchni Ziemi jest dość dokładnie poznany i skoro nie jest pewne, czy przez stulecia Ziemia stawała się wyraźnie cieplejsza, bądź chłodniejsza, to można założyć, że dopływ i oddawanie promieniowania musi się stale równoważyć. Bilans cieplny Ziemi można przedstawić w postaci równania:
Q* + QH + QE + QS + QM + Qf = 0
Q* - bilans radiacyjny
QH - przewodzenie i magazynowanie ciepła w podłożu
QE - turbulencyjna wymiana ciepła jawnego
QS - turbulencyjna wymiana ciepła ukrytego związana z parowaniem i kondensacją
QM - ciepło antropogeniczne związane z działalnością człowieka
QF - ciepło zużyte w procesie fotosyntezy
W bilansie tym ilościowo najważniejszą rolę odgrywa bilans radiacyjny, przedstawiający energię docierającą do Ziemi od Słońca i wypromieniowaną przez Ziemię do atmosfery.
W równaniu bilansu radiacyjnego powierzchni Ziemi :
Q* = (S + D)(1 – a) + L¯ – L
K¯ = S + D
K¯ - promieniowanie całkowite
S - promieniowanie bezpośrednie Słońca
D - promieniowanie rozproszone Słońca i nieba
a - albedo
a = K / K¯
L¯ - promieniowanie długofalowe atmosfery
L - promieniowanie długofalowe Ziemi i odbite atmosfery
K - krótkofalowe promieniowanie odbite
L* = L¯ – L
L* - promieniowanie efektywne
przy czym:
w dzień Q* = K* + L*
w nocy gdy nie ma promieniowania słonecznego Q* = L*
nas najbardziej interesuje promieniowanie całkowite i jego struktura. Ważną charakterystyką jest też usłonecznienie tzn. czas trwania bezpośredniego promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni Ziemi.
2. Pomiary promieniowania słonecznego w Polsce
W Polsce pomiary i badania dopływu promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi prowadzone są na stacjach aktynometrycznych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej.
Głównym zadaniem sieci aktynometrycznej jest dostarczenie informacji o rozkładzie czasowym i przestrzennym oraz jakości i ilości dopływającej do danej powierzchni energii słonecznej, jej przemianach i stratach poniesionych w wyniku oddawania ciepła. Uzupełnieniem sieci aktynometrycznej jest sieć heliograficzna (rys 2) rejestrująca czas świecenia Słońca (usłonecznienie).
Rys.2 Sieć stacji heliograficznych
Podstawę informacji aktynometrycznej stanowią charakterystyki radiacyjne:
otrzymane z bezpośrednich pomiarów
obliczone w oparciu o wyniki pomiarów aktynometrycznych
uzyskane z obliczeń w oparciu o znajomość innych elementów meteorologicznych
Parametry mierzone
promieniowanie rozproszone Słońca i nieba
promieniowanie bezpośrednie Słońca
promieniowanie całkowite
promieniowanie odbite i albedo powierzchni czynnej
integralny bilans radiacyjny powierzchni czynnej
bilans promieniowania krótkofalowego (promieniowanie pochłonięte)
bilans promieniowania długofalowego (promieniowanie efektywne)
promieniowanie spektralne (w tym UV)
usłonecznienie
Parametry obliczane na podstawie standardowych pomiarów aktynometrycznych
oświetlenie naturalne
promieniowanie aktywne w fotosyntezie (PAR)
długofalowe promieniowanie atmosfery
przezroczystość atmosfery
napromieniowanie powierzchni pionowych i nachylonych różnie usytuowanych
Parametry uzyskiwane na podstawie pomiarów meteorologicznyc
promieniowanie całkowite
promieniowanie pochłonięte (PAR)
promieniowanie efektywne
bilans radiacyjny
wiarygodność informacji aktynometrycznej
Rodzaje informacji aktynometrycznej
Chwilowe i godzinne wartości bilansu radiacyjnego i jego składników oraz ekstrema
sumy dobowe, pentadowe, dekadowe, miesięczne, roczne i wieloletnie
prawdopodobieństwo wystąpienia poszczególnych wartości i przedziałów, modele statystyczne, nomogramy, mapy rozkładów przestrzennych itp.
charakterystyki spektralne w tym PAR i UV
promieniowanie dopływające na różne nachylone powierzchnie czynne
wskaźniki aktynometryczne (np. transmisji, przezroczystości atmosfery, albedo)
określenie zasobów i stref
3. Uwarunkowania dopływu promieniowania słonecznego
do podłoża
3.1 Czynniki astronomiczne i usłonecznienie
Polska jest położona w strefie klimatu umiarkowanego między 49 a 54.5 0 szerokości geograficznej północnej. Przedział dzienny (czas od wschodu do zachodu Słońca) obejmuje ponad 51 % z 8767 godzin w średnim roku, a północne krańce mają ten okres o 24 h dłuższy niż południowe. W zimie południowe krańce Polski mają dzień dłuższy o prawie 1 godzinę od krańców północnych, natomiast w lecie jest odwrotnie. W czerwcu godziny dzienne na pół- nocy obejmują 71.5 % godzin miesiąca, w centrum Polski 69 %, a na południu 67 %.
W grudniu sytuacja zmienia się i na północy godzin dziennych jest tylko 29.5%, w centrum 31.7 %, a na południu 34.7 %.
W celu zilustrowania podziału doby, w poszczególnych miesiącach, na okresy pod względem przydatności ich dla potrzeb wykorzystania energii słonecznej, przedstawiono histogramy dla Warszawy z okresu 1961 -1990 (rys 4 ).
Patrząc od góry każdego histogramu wyodrębniono przedział nocny, w danym miesiącu, w którym nie dochodzi energia słoneczna. Poniżej, aż do podstawy histogram obejmuje godziny przedziału dziennego. Dla np. czerwca jest to ok. 500 h, z tego 216 h, to godziny w czasie których Słońce jest zakryte przez chmury i do powierzchni Ziemi dociera wyłącznie promieniowanie rozproszone nieba. Następnie zaznaczono maksymalną liczbę godzin ze Słońcem (283 h ), średnią (231 h) i minimalną (175 h). W skali roku usłonecznienie, tzn. przedział czasu w którym do powierzchni Ziemi dochodzi bezpośrednie promieniowanie słoneczne powyżej przyjętego progu 120 W m-2 obejmuje 15 do 21 % wszystkich godzin roku.
Rys.3 Przebieg roczny usłonecznienia w Warszawie w latach 1961 - 1990
Oprócz długości dnia i usłonecznienia na wielkość natężenia bezpośredniego promieniowania słonecznego wpływa też wysokość Słońca, przezroczystość atmosfery i zachmurzenie.
W tabl. 1 podano dla Warszawy wszystkie te czynniki dla 15 -ego dnia każdego miesiąca. Zostaną one szczegółowo omówione przy charakteryzowaniu przebiegu dobowego promieniowania słonecznego.
Tabela 1 Czynniki astronomiczne dla 15-ego dnia każdego miesiąca oraz ocena stanu atmosfery w okresie 1961 - 1990 w Warszawie
3.2 Tendencje zmian usłonecznienia
Rekordowym pod względem usłonecznienia w ostatnim stuleciu był w Polsce rok 1921, kiedy to w Kołobrzegu zanotowano 2169 h, w Bydgoszczy 2100 h, a we Wrocławiu 2237 h. Najwyższą sumę miesięczną zanotowano na Helu w lipcu 1994 r (435 h). Wówczas w Warszawie padł też rekord stulecia (381 h).
Zmienność sum rocznych usłonecznienia w Warszawie w okresie 1903 - 1998 przedstawia rys.4.
Rys.4 Usłonecznienie w Warszawie w okresie 1903 - 1998
Aby zachować ciągłość serii przerwę w rejestracji usłonecznienia w okresie II wojny światowej uzupełniono na podstawie innych stacji meteorologicznych i dostępnych obserwacji meteorologicznych prowadzonych w tym okresie w Warszawie. Sumy roczne usłonecznienia
w Warszawie wahają się od 1241 h w 1903 r do 1898 h w 1921 r, średnio 1600h. Obliczony dla Warszawy współczynnik trendu jest ujemny i wynosi - 52 min/rok. Wygładzona krzywa przebiegu za pomocą 10 - letnich konsekutywnych wskazuje, że okres 1903 - 1998 można podzielić na przedziały : 1903 - 1944, kiedy to sumy roczne usłonecznienia były wyższe od średniej wieloletniej, następnie okres 1945 - 1990, kiedy były niższe od niej i rozpoczęcie kolejnego okresu 1991 - ?, kiedy należy przypuszczać, że będą znów kształtowały się powyżej średniej wieloletniej.
4. Ocena warunków solarnych Polski
4.1 Przebieg dobowy składników bilansu radiacyjnego
Typowe dobowe przebiegi bilansu radiacyjnego i wartości jego składowych przedstawiono na rys. 5 dla bezchmurnego dnia letniego i zimowego w środkowej części Polski (Sulejów j =510 21’ N, l = 19 0 52’ E, h npm. = 188m).
Rys.5 Przebieg dobowy składników bilansu radiacyjnego w dniu bezchmurnym w Sulejowie
W nocy występuje strata promieniowania, ponieważ promieniowanie słoneczne nie uzupełnia ubytku promieniowania długofalowego. Straty te zależą od temperatury i zdolności emisyjnej powierzchni czynnej. Na stacjach meteorologicznych powierzchnię czynną stanowi trawnik z ewentualną pokrywą śnieżną w okresie zimowym.
Od wschodu Słońca do jego kulminacji obserwujemy wzrost krótkofalowych składników bilansu radiacyjnego, a następnie powolny ich spadek aż do zachodu Słońca. Na omawianym rysunku wyraźnie zaznacza się wpływ długości dnia i wysokości Słońca nad horyzontem na obserwowane wartości. W styczniu długość dnia nie przekracza 8 h, a w czerwcu dochodzi do 16.5 h, natomiast wysokość Słońca 29 stycznia osiągnęła 20.4 0 , podczas gdy 6 czerwca przekroczyła podczas kulminacji 610 nad horyzontem.
Pomimo zbliżonych w południe wartości bezpośredniego promieniowania Słońca dochodzące- go do powierzchni prostopadłej do kierunku padania promieni słonecznych (844 Wm-2 – 6. VI i 811 Wm-2 – 29.I) powierzchnia horyzontalna otrzymała w tym czasie 280 Wm-2 w styczniu i 740 Wm-2 w czerwcu.
Suma dzienna promieniowania całkowitego była ponad 4 razy wyższa 6 czerwca (30 MJ m-2) od tej z 29 stycznia (7 MJ m-2). Udział promieniowania rozproszonego w promieniowaniu całkowitym stanowił 20 % - 6.VI i 27 % - 29.I.96 r.
Albedo dla powierzchni trawnika wyniosło 24 % 6.czerwca, a 56 % 29 stycznia z uwagi na zalegającą wówczas pokrywę śnieżną. Pełny bilans radiacyjny dla 6 czerwca był dodatni i osiągnął 14 MJm-2, natomiast 29 stycznia tylko w ciągu 5 godzin był dodatni, a suma dobowa była ujemna (1.2 MJm-2).
W dalszej części niniejszego opracowania pominiemy składniki bilansu radiacyjnego przynoszące straty w postaci promieniowania długofalowego, ponieważ w zastosowaniach heliotechnicznych można wykorzystać materiały umożliwiające przenikanie energii promieniowania krótkofalowego, ale ograniczające ucieczkę lub ją uniemożliwiające promieniowania długofalowego.
Jak na to wskazują wartości bezpośredniego promieniowania słonecznego uzyskane w momencie kulminacji Słońca na powierzchnię prostopadłą (811 Wm-2 – 29.I i 844 Wm-2 – 6.VI) można pozyskać znaczną ilość energii słonecznej w dniach o najsłabszym promieniowaniu słonecznym zanotowanym na płaszczyźnie poziomej przez odpowiednie ustawienie powierzchni odbiorczej (kąt nachylenia i kierunek).
Rys.6 Przebieg roczny promieniowania całkowitego
Promieniowanie całkowite jest tą pozycją bilansu radiacyjnego, która obejmuje całą energię słoneczną dochodzącą do powierzchni Ziemi w zakresie promieniowania krótkofalowego. Dla heliotechniki jest to napromieniowanie słoneczne na płaską, poziomą powierzchnię dochodzące z całej półkuli niebieskiej. Jak to już powiedziano, składa się ono z promieniowania bezpośredniego i promieniowania rozproszonego. W przypadku, gdy nad punktem pomiarowym Słońce jest zasłonięte przez chmury, wówczas wartość promieniowania bezpośredniego wynosi zero, a dociera do receptora jedynie promieniowanie rozproszone.
Dla charakterystyki przebiegu rocznego promieniowania całkowitego wykorzystano dane dla Warszawy z okresu 1961 -1990 (rys.7 ).
Rys.7 Przebieg roczny średnich i ekstremalnych sum miesięcznych
Ze względu na długość serii pomiarowej (30 - letni okres klimatologiczny) i położenie geograficzne Warszawy, dane te mogą być wykorzystane dla charakterystyki obszaru Środkowej Polski. Na rysunku tym przedstawiono przebieg roczny średnich i ekstremalnych sum miesięcznych promieniowania całkowitego, zaznaczono też przebieg promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery. Przebiegi wszystkich krzywych na tym rysunku, typowe są dla prze- biegów promieniowania tej strefy szerokości geograficznych.
Najniższe sumy miesięczne występują w grudniu, później rosną do miesięcy letnich i następnie stopniowo maleją aż do grudnia. Sumy miesięczne w grudniu wahają się od 43 do 104, ze średnią 62 MJm-2, co stanowi 1.3 % sumy rocznej. Stopniowo rosnąc osiągają najwyższe wartości w czerwcu i lipcu. Najwyższą średnią miesięczną zanotowano w czerwcu (560 MJm-2), zaś największą amplitudę ekstremalnych wartości od 395 do 686 MJm-2 w lipcu. Udział średniej sumy miesięcznej czerwca w sumie rocznej wynosi ok. 16 %. Okres od maja do sierpnia skupia ok. 58 % sumy rocznej promieniowania całkowitego, podczas gdy od listopada do lutego tylko 8 % tej sumy.
Rozważając przebieg roczny sum miesięcznych promieniowania całkowitego w stosunku do tych sum na górnej granicy atmosfery można zauważyć, że w grudniu do powierzchni Ziemi dochodzi w rejonie Warszawy ok. 21% promieniowania poza atmosferycznego, a od maja do sierpnia po ok. 44 % w każdym miesiącu. Najwyższą sumę miesięczną w okresie 1961 -1990, dochodzącą do 57 % promieniowania poza atmosferycznego zanotowano w sierpniu 1973 r.
W ciągu roku do podłoża w Warszawie dociera 3477 MJm-2 energii słonecznej w postaci promieniowania całkowitego, obejmującego po połowie bezpośrednie promieniowanie Słońca i rozproszone nieba. Udział promieniowania rozproszonego w przebiegu rocznym stanowi od 47 do 48 w miesiącach od maja do sierpnia (gdy przeważa promieniowanie bezpośrednie) do ponad 70 % w grudniu i styczniu.
Sumy roczne promieniowania całkowitego w Warszawie wahają się od 3161 MJm-2 w 1980 roku do 4013 w 1994 roku.
4.2 Próba regionalizacji i porównanie warunków solarnych krajów sąsiednich
Położenie geograficzne Polski z grzbietami górskimi na południu i Morzem Bałtyckim na północy oraz napływ często zmieniających się mas powietrza, to warunki wpływające na charakter zachmurzenia, które w konsekwencji silnie oddziałuje na przestrzenny rozkład promieniowania całkowitego w Polsce.
Określenie przydatności poszczególnych regionów Polski dla potrzeb energetyki słonecznej oparto na takich kryteriach jak: liczba godzin ze słońcem, sumy miesięczne i roczne promieniowania całkowitego, przezroczystość atmosfery (w tym wpływy antropogeniczne), albedo podłoża, długość i czas wystąpienia nieprzerwanych okresów dopływu bezpośredniego promieniowania Słońca oraz ocena warunków lokalnych.
Wydzielono 11 regionów, które uszeregowano według przydatności dla energetyki słonecznej (rys. 8 ) :
Rys.8 Regiony helioenergetyczne Polski
I – Nadmorski
II – Pomorski
III – Mazursko - Siedlecki
IV– Suwalski
V – Wielkopolski
VI– Warszawski
VII– Podlasko - Lubelski
VIII – Śląsko - Mazowiecki
IX– Świętokrzysko-Sandomierski
X – Górnośląski
XI– Podgórski
Zdecydowanie najkorzystniejsze warunki solarne obserwujemy w pasie nadmorskim, gdzie
od kwietnia do września występują najwyższe sumy promieniowania całkowitego i najwięcej godzin usłonecznienia.
Skupienie w tym okresie ponad 70 % średniej sumy rocznej promieniowania całkowitego, która np. w Kołobrzegu przekracza 3800 MJm-2 (1056 KWh m-2) świadczy o uprzywilejowaniu tego regionu.
Wyróżniającym się też regionem jest Podlasko - Lubelski ze względu na częsty napływ suchych mas powietrza z nad Ukrainy. Najmniej korzystne warunki obserwujemy w regionach Podgórskim, Suwalskim, Warszawskim i Górnośląskim.
W regionach Górnośląskim i Warszawskim na ich przydatność rzutują zanieczyszczenia powietrza pochodzenia przemysłowego, natomiast w regionie Podgórskim wpływa zachmurzenie typu orograficznego, szczególnie uwidaczniające się w czerwcu znacznie ograniczając wówczas dopływ bezpośredniego promieniowania Słońca. W regionie tym ze względu na duże zróżnicowanie wysokości npm zauważa się korzystniejsze warunki solarne na szczytach górskich, szczególnie tych powyżej 1000 m npm.
Porównanie warunków solarnych Polski z innymi krajami europejskimi przedstawiono w tabl. 2
Tabela. 2 Sumy roczne promieniowania całkowitego i usłonecznienia w wybranych miejscowościach
W takich krajach jak Szwecja, Niemcy, Francja pracują już urządzenia wykorzystujące energię słoneczną i dlatego można stwierdzić porównując sumy roczne promieniowania całkowitego i usłonecznienia, że warunki solarne Polski pozwalają na wykorzystanie ich do celów użytkowych.
