Aktywnie po zdrowie

Dlaczego warto postawić na Słońce?

dr Witold Lenart, mgr inż. Maciej Juźwik

Słońce świeci bez przerwy od miliardów lat i nie ma symptomów, że zgaśnie. Powtarzalność procesów odbywa się zasadniczo w cyklach dobowych związanych z ruchem wirowym Ziemi oraz sezonowych, związanych z ruchem obiegowym, a więc także z cyklami życia roślin, obiegiem wody, niektórymi cyklami geochemicznymi itd.

Słońce jest potężnym źródłem promieniowania. Każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego promieniuje, lecz intensywność i jakość tego promieniowania zależy od temperatury ciała emitującego energię. Im jego temperatura jest wyższa, tym fale wzbudzane są krótsze, a energia większa.

Zewnętrzna warstwa Słońca (fotosfera) o grubości około 100 km i temperaturze około 6000°C jest źródłem promieniowania emitowanego bezpośrednio w przestrzeń kosmiczną, a więc także na Ziemię. Promieniowanie słoneczne przechodzi praktycznie nie zmienione przez przestrzeń kosmiczną dzielącą Słońce od Ziemi. Tam trafia do naszej atmosfery, której złożona budowa powoduje istotne przemiany ilościowe i jakościowe w tym promieniowaniu.

Promieniowanie słoneczne jest podstawowym źródłem energii dla wszelkiego rodzaju procesów zachodzących na kuli ziemskiej i w jej otoczeniu. Jemu zawdzięczamy rozwój życia organicznego wymagającego światła i ciepła. Jest też pierwotną przyczyną cyrkulacji powietrza i wód oceanicznych, gdyż nierównomierne nagrzanie różnych fragmentów powierzchni naszej planety wywołuje różnice temperatury i ciśnienia, a w ich konsekwencji – ruchy powietrza i wody. Obieg wody w przyrodzie w różnych jej fazach – gazowej, ciekłej i stałej wiąże się także z dopływem energii słonecznej.

Powierzchnię Ziemi dosięga zaledwie jedna dwumiliardowa (½ x 10-9) część energii wysyłanej przez Słońce. Ilość ta wystarcza jednak, aby temperaturę na powierzchni Ziemi utrzymać średnio na poziomie 14-15°C, pomimo że temperatura przestrzeni kosmicznej, w której znajduje się Układ Słoneczny, jest bliska zera absolutnego (0 K = -273°C).

Podstawową wartością związaną z dostawą energii promienistej ze Słońca na Ziemię jest tzw. stała słoneczna, czyli ilość energii słonecznej docierającej w jednostce czasu do jednostki powierzchni prostopadłej do kierunku rozchodzenia się promieniowania na górnej granicy atmosfery – gęstość strumienia promieniowania. Średnia wartość stałej słonecznej wynosi 1366,1 W/m² i zmienia się w zależności od odległości Ziemi od Słońca oraz jego aktywności. 

Przechodząc przez atmosferę, część strumienia odbija się od niej, rozprasza lub jest przez nią absorbowana. Największą wartość osiąga on na równiku i tam przyjmuje wielkość ok. 1000 W/m², gdyż promienie słoneczne padają tam prostopadle do powierzchni i przechodzą najkrótszą drogę. Natężenie promieniowania jest tym słabsze, im kąt padania promieni jest mniejszy, gdyż w tym przypadku taka sama ich wiązka rozkłada się na większą powierzchnię, a więc na każdy cm² powierzchni poziomej dostarczy mniej ciepła. Dlatego rankiem i wieczorem Słońce mniej nagrzewa powierzchnię Ziemi niż w południe.

Przy wykorzystywaniu energii promieniowania słonecznego najistotniejszymi parametrami są dzienne, miesięczne, sezonowe i roczne wartości nasłonecznienia.

Przez wartość nasłonecznienia (insolację) – H (kJ/m²) rozumiemy ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni w określonym czasie. W wielu przypadkach do wyrażania wartości nasłonecznienia w czasie godziny, dnia, miesiąca lub roku stosuje się jako jednostkę kWh/m² (1 kJ/m² = 0,00027778 kWh/m²).

Trzeba wiedzieć, że powierzchnia Ziemi i atmosfera też są źródłem promieniowania, ale słabym. Ich temperatura wynosi średnio tylko kilkanaście stopni Celsjusza. To podstawowa przyczyna tzw. efektu cieplarnianego występującego na planetach posiadających atmosferę. W nocy, gdy do powierzchni Ziemi nie dopływa promieniowanie słoneczne, a tylko zwrotne atmosfery, planeta traci ciepło.

Podsumujmy. Natężenie promieniowania krótkofalowego bezpośredniego (direct irradiance) to moc promieniowania z tarczy słonecznej padająca na jednostkę pola powierzchni (jednostka W/m²). W ciągu dnia natężenie promieniowania bezpośredniego rośnie od wschodu początkowo szybko, później powoli do południowego maksimum, po czym maleje najpierw wolno, potem szybko do zachodu. W przebiegu rocznym maksymalnego natężenia promieniowania bezpośredniego w południe należałoby spodziewać się w lecie, kiedy Słońce wznosi się najwyżej nad horyzontem, a minimalnego w zimie, tymczasem najintensywniejsze promieniowanie obserwowane jest na wiosnę na skutek największej wówczas przezroczystości powietrza. Rekordowe wartości natężenia promieniowania bezpośredniego – do 1100 W/m² – obserwowane są w okolicach zwrotników, gdzie w układach podwyższonego ciśnienia osiada suche i czyste powietrze z wyższych warstw atmosfery. Ze wzrostem wysokości nad poziomem morza natężenie
promieniowania bezpośredniego rośnie, gdyż zmniejsza się miąższość atmosfery i zwiększa jej przezroczystość. Dlatego w górach opalamy się łatwiej i prędzej niż na nizinach.

Promieniowanie bezpośrednie zależy również od rodzaju i stopnia zachmurzenia. Chmury wysokie stosunkowo mało osłabiają jego intensywność, średnie przepuszczają promienie, dopiero gdy Słońce osiągnie wysokość 40° nad horyzontem, a niskie, w tym zwłaszcza opadowe i burzowe, hamują dopływ tego promieniowania całkowicie. Trzeba wszak pamiętać, że w takich sytuacjach odbite i pochłonięte przez szczyty chmur promieniowanie ogrzewa średnią i górną troposferę, co ma ogromne znaczenie dla procesów klimatotwórczych i pogodowych. 

Natężenie krótkofalowego promieniowania rozproszonego (diffuse irradiance) to moc promieniowania z całkowitego obszaru nieba, padająca na jednostkę pola powierzchni z wyłączeniem mocy promieniowania bezpośredniego. Promieniowaniem rozproszonym określamy promieniowanie
słoneczne dochodzące nie tylko od tarczy słonecznej, lecz od całego nieboskłonu. Gdyby nie było atmosfery, wówczas byłyby oświetlane tylko miejsca, dokąd dochodzi promieniowanie bezpośrednie. W rzeczywistości wiązka promieni podczas przechodzenia przez atmosferę podlega
rozproszeniu na skutek odbijania, załamywania i uginania. Promieniowaniu rozproszonemu zawdzięczamy oświetlenie obszarów, do których nie dochodzi promieniowanie bezpośrednie (np. wnętrz) oraz wszystkich powierzchni przy całkowitym zachmurzeniu. Nawet w słoneczny dzień do powierzchni Ziemi dociera znaczna ilość energii w postaci promieniowania rozproszonego. 

Efekt cieplny tego rodzaju promieniowania jest niewielki, gdyż jego natężenie na powierzchni Ziemi waha się średnio od 70 (przy niebie pogodnym) do 280 W/m² (przy dużym zachmurzeniu, zwłaszcza chmurami niskimi).

Natężenie promieniowania rozproszonego zmienia się w ciągu dnia: rośnie do południa w miarę wzrostu wysokości Słońca, a maleje po południu. Z kolei zmniejsza się w miarę wzrostu wysokości n.p.m., bo w rzadszym i czystym powietrzu mniej jest wszelkiego rodzaju zawiesin. Zmniejszenie przezroczystości powietrza wpływa natomiast na wzrost natężenia tego promieniowania wobec większej zawartości cząstek rozpraszających, które spowodowały zmętnienie atmosfery. Całkowite natężenie promieniowania krótkofalowego (global irradiance) to promieniowanie całkowite padające na jednostkę powierzchni (jednostka W/m²). Promieniowanie całkowite jest to zatem suma energii promieniowania bezpośredniego i rozproszonego, jaką otrzymuje 1 m² powierzchni poziomej w jednostce czasu. Pomiaru dokonujemy za pomocą pyranometru lub ogniwa wzorcowego.

Przy niebie bezchmurnym promieniowanie całkowite wykazuje najwyższe wartości w przebiegu dobowym w południe, a w przebiegu rocznym – w lecie. Częściowe zachmurzenie, nieprzysłaniające tarczy słonecznej, powoduje pewien wzrost natężenia promieniowania całkowitego, gdyż wskutek odbicia od chmur rośnie udział promieniowania rozproszonego, a dochodzi także bezpośrednie.

Promieniowanie całkowite jest wyższe nad Saharą niż poza kołami podbiegunowymi. W miarę zmniejszania się szerokości geograficznej wzrasta promieniowanie całkowite dzięki silnie powiększającemu się promieniowaniu bezpośredniemu. Promieniowanie rozproszone podlega stosunkowo niewielkim wahaniom, zależnym głównie od stopnia zachmurzenia i przezroczystości atmosfery. W wysokich szerokościach widać wyraźną przewagę promieniowania rozproszonego nad bezpośrednim, ale i w niskich jego udział w promieniowaniu całkowitym bardzo często przekracza 30 proc.

Czy wiesz, że kolektory słoneczne mają liczne odpowiedniki w przyrodzie, a więc niejako są naturalną instalacją, podczas gdy ogniwa fotowoltaiczne nie znajdują powszechnych analogii w naturze, mimo że prąd elektryczny nie jest sztucznym wytworem człowieka. Mamy przecież gatunki zwierząt produkujących napięcie elektryczne, które w sumie także pochodzi od Słońca.

Pozycję Słońca określa się, podając azymut (Ψ) oraz kąt wzniesienia, czyli wysokość (α) nad horyzontem. Azymut to kąt liczony zgodnie z ruchem wskazówek zegara od kierunku północnego. Jednak dla systemów PV podaje się kierunek względem kierunku południowego. Przypomnijmy, że zenit to punkt nieboskłonu dokładnie nad obserwatorem, gdzie Słońce pojawia się tylko w strefie międzyzwrotnikowej.

• « poprz.
• nast. »