UživatelInvestorArchitektDeveloperOdborný konzultant
 
 

Portál Šetrné Budovy

Vyhledávání

Uživatel



Váš e-mail pro zasílání novinek:

Jméno:
e-mail.:

Kalendář

Září 2010
Po Út St Čt Pá Sob Ne

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

Anketa

Uvítali by jste na našem webu více

 

Slovník ANJ-CZ

Banner

Dostupné sluneční záření, počty slunečných dnů v ČR

Karel Náprstek

Dostupnost solárního záření je základní parametr pro správný návrh solárního systému. Závisí na mnoha parametrech, které jsou níže popsány včetně obecného postupu výpočtu intenzity solárního záření. Pro snadnější a rychlejší návrh existují pomůcky pro určení zastínění daného místa během celého roku používané in-situ nebo počítačové programy pro konkrétní návrh solárního zařízení využívající naměřená klimatická data.

Úvod

Množství energie, které dopadá na zemský povrch a lze ho využívat je ovlivňováno mnoha faktory a to především geografickou polohou (viz Obr. 1 a Obr. 2), roční dobou, oblačností (viz Obr. 3), sklonem a orientací plochy na níž záření dopadá.

Nelze tak přesně říct, kolik energie bude dopadat 26. 5. 2010 v Praze v 11h, ale teoreticky se dá dobře odhadnout, kolik energie dopadne za celý květen nebo celý rok. Z toho vyplývá, že na daném místě můžeme celkem přesně určit celkové úhrny energií za delší období, což umožňuje správné a efektivní navržení solárního systému.

 

thumb_image005
Světová mapa solárního záření zdroj: www.oksolar.com
thumb_image006
Průměrný roční úhrn globálního záření [MJ/m²] zdroj: www.chmi.cz

 

 

 

 

 

 

 

thumb_image009
Vliv oblačnosti zdroj: www.solar-group.cz

 

 

 

 

 

 

 

 

Průchod solárního záření zemskou atmosférou

Měrný tok dopadající na povrch atmosféry tzv. solární konstanta I0 = 1 360 Wm-2 je průchodem jednotlivými vrstvami dále zmenšován. V ionosféře (výška nad 60 km) jsou atmosférické plyny, převážně dusík a kyslík, ionizovány pohlcováním ultrafialového a rentgenového záření. Ve výškách okolo 30 km se nachází ozónosféra, ve které se zachytává největší množství ultrafialového záření. V těchto vrstvách se absorbují pro život nebezpečné složky slunečního záření, avšak z energetického hlediska nemají na úbytek dopadající energie na zemský povrch velký vliv.

thumb_pruchod_zareni
Energetická bilance Země zdroj: J. Cihelka: Solární tepelná technika

V troposféře, která tvoří nejbližší plynný obal zemského povrchu, je soustředěno téměř 80 % hmotnosti celé atmosféry. V atmosféře se celkem 19 % záření absorbuje a 34 % odrazí zpět do meziplanetárního prostoru, to je způsobeno především vodní párou, oxidem uhličitým, prachem a kapkami vody obsažené v mracích. Odraz je samozřejmě způsoben i samotným zemským povrchem.

image012image014

kde I0 je sluneční konstanta [W.m-2],

In intenzita záření dopadající na kolmou plochu vhledem ke slunečním paprskům při daném znečištění ovzduší [W.m-2] ,

Ič intenzita záření dopadající na kolmou plochu vhledem ke slunečním paprskům při dokonale čistém ovzduší [W.m-2].

Velikost součinitele znečištění atmosféry se během roku v daném místě mění. Závisí na teplotě během dne i roku a tím spojené množství vodní páry obsažené ve vzduchu. Se vzrůstající teplotou roste i množství vodní páry. Dále pak na výkyvech počasí a množství exhalací. Obecně lze říci, že s nadmořskou výškou hodnota součinitele znečištění klesá, naopak s nárůstem teploty zase stoupá. Přibližně lze počítat s průměrnými hodnotami

Z = 2 pro místa nad 2 000 m n. m.,

Z = 2,5 pro místa nad 1 000 m n. m.,

Z = 3 pro venkov bez průmyslových exhalací,

Z = 4 pro města.

Tyto hodnoty lze použít při návrhu solárního systému pro vytápění a ohřev TV, jelikož je při něm důležité zjistit celkovou energii dopadající na osluněnou plochu. Ta však kromě intenzity solárního záření je závislá na statisticky zjištěných hodnotách doby slunečního svitu, které se řadí do kategorie náhodných veličin způsobené oblačností. Proto je zde i při použití dlouhodobého průměru součinitele znečištění zanedbatelný vliv na spolehlivost výsledku.

Při výpočtu maximální tepelné zátěže potřebné u správného návrhu objektu je rozhodující výpočet intenzity solárního záření, proto je nutné odstupňovat hodnoty součinitele znečištění do průměrných měsíčních hodnot. Pro Českou republiku lze počítat s průměrnými měsíčními hodnotami dle Tabulky 2.

Tabulka 2 Průměrný měsíční součinitel znečištění atmosféry

měsíc

horské oblasti

venkov

města

průmyslové oblasti

leden

1,5

2,1

3,1

4,1

únor

1,6

2,2

3,2

4,3

březen

1,8

2,5

3,5

4,7

duben

1,9

2,9

4,0

5,3

květen

2,0

3,2

4,2

5,5

červen

2,3

3,4

4,3

5,7

červenec

2,3

3,5

4,4

5,8

srpen

2,3

3,3

4,3

5,7

září

2,1

2,9

4,0

5,3

říjen

1,8

2,6

3,6

4,9

listopad

1,6

2,3

3,3

4,5

prosinec

1,5

2,2

3,1

4,2

zdroj: J. Cihelka: Solární tepelná technika

Intenzita solárního záření

Intenzita solárního záření je základní veličinou pro všechny výpočty týkající se dopadajícího energetického účinku ze Slunce na povrch Země. Na vrchní část atmosféry dopadá sluneční konstanta I0, která se jak bylo výše popsáno, zmenšuje díky vlivům, kterým čelí při průchodu atmosférou. Při výpočtu intenzity solárního záření je nutné znát relativně mnoho parametrů, které budou objasněny v následujícím textu.

Určení polohy Slunce

Úhel dopadu slunečních paprsků g je dán vzájemnou polohou Slunce nad obzorem a osluněnou plochou. Ve většině případech má osluněná plocha stálý sklon od vodorovné roviny i orientaci ke světovým stranám, pokud není vybavena natáčecím zařízením. Poloha Slunce se mění v závislosti na čase. V každém okamžiku je poloha Slunce popsána výškou nad obzorem h a jeho azimutem a.

Clipboard02

kde image028 je sluneční deklinace ,

φ zeměpisná šířka ,

image031časový úhel v obloukových stupních měřený od 12h, jedna hodina je 15° .

Azimut a je zde počítán od jihu ve smyslu otáčení hodinových ručiček jako kladná hodnota. Deklinace δ je zeměpisná šířka, kde v daný den ve 12h je Slunce kolmo nad obzorem. Vypočítá se ze vztahu

Clipboard01

kde D je den v měsíci,

M pořadí měsíce v roce.

Pro většinu výpočtů se používá výpočet deklinací pro celý měsíc. Počítá se s deklinací pro charakteristický den v měsíci, pro který se počítají všechny parametry určující polohu Slunce včetně intenzity solárního záření. Takto vypočítaná intenzita je považována za průměrnou hodnotu dosaženou v celém daném měsíc. Podobným postupem se určuje i skutečná doba slunečního svitu.

Tabulka 3 Sluneční deklinaci a teoretická doba slunečního svitu pro charakteristické dny

den

sluneční deklinace d

teoretická doba slunečního svitu tteor [h]

22. 12.

-23°27´

7,85

22. 11. a 21. 1.

-20°

8,26

23. 10. a 20. 2.

-11°30´

10,12

23. 9. a 21. 3.

0°

12,00

23. 8. a 21. 4.

11°30´

13,90

23. 7. a 22. 5.

20°

15,70

22. 6.

23°27´

16,34

zdroj: J. Cihelka: Solární tepelná technika

Tabulka 4 Výška Slunce nad obzorem h pro místa na 50° severní šířky

měsíc

výška Slunce nad obzorem h [°] v hodině t

12

11

10

9

8

7

6

5

13

14

15

16

17

18

19

prosinec

16,55

15,35

11,88

6,44

-0,57

-8,76

-17,75

-27,22

leden, listopad

20,00

18,75

15,14

9,50

2,29

-6,07

-15,19

-24,73

únor, říjen

28,50

27,11

23,13

17,02

9,34

0,59

-8,78

-18,41

březen, září

40,00

38,38

33,83

27,03

18,75

9,58

0,00

-9,58

duben, srpen

51,50

49,57

44,28

36,74

27,88

18,41

8,78

-0,59

květen, červenec

60,00

57,72

51,73

43,56

34,33

24,73

15,19

6,07

červen

63,45

60,98

54,64

46,21

36,85

27,22

17,75

8,76

Pozn.: modře označené hodnoty v tabulce nemají logický význam, neboť jsou pod hranicí 5° nad obzorem

Tabulka 5 Azimut Slunce

měsíc

azimut Slunce a [°] v hodině t měřený od J

5

6

7

8

9

10

11

12

prosinec

-

-

-

-

-40,75

-27,95

-14,25

0,00

leden, listopad

-

-

-

-

-42,35

-29,13

-14,88

0,00

únor, říjen

-

-

-

-59,32

-46,44

-32,19

-16,55

0,00

březen, září

-

-

-78,40

-66,14

-52,55

-37,00

-19,28

0,00

duben, srpen

-

-97,45

-86,00

-73,76

-59,84

-43,19

-23,02

0,00

květen, červenec

-114,11

-103,17

-92,12

-80,23

-66,48

-49,34

-27,09

0,00

červen

-116,29

-105,58

-94,77

-83,14

-69,61

-52,43

-29,30

0,00

měsíc

azimut Slunce a v hodině t [°] měřený od J

13

14

15

16

17

18

19

20

prosinec

14,25

27,95

40,75

-

-

-

-

-

leden, listopad

14,88

29,13

42,35

-

-

-

-

-

únor, říjen

16,55

32,19

46,44

59,32

-

-

-

-

březen, září

19,28

37,00

52,55

66,14

78,40

-

-

-

duben, srpen

23,02

43,19

59,84

73,76

86,00

97,45

-

-

květen, červenec

27,09

49,34

66,48

80,23

92,12

103,17

114,11

-

červen

29,30

52,43

69,61

83,14

94,77

105,58

116,29

-

Solar Pathfinder

Je neelektrické zařízení, které zobrazuje zastíněný daného místa v průběhu celého roku. Protože funguje na principu odrazu světla lze ho používat v kteroukoli roční i denní dobu, při zatažené i jasné obloze.

thumb_image039
Solar Pathfinder - kopule zdroj: www.usgreenhome.com

Klíčovou částí Solar Pathfinder je průhledná plastová kopule umístěná na pevném podstavci se slunečním diagramem. Po kalibraci přístroje, nastavení světových stran a nivelaci, je při pohledu shora na kopuli panoramaticky zobrazen celý prostor kolem uživatele.

 

thumb_image041
Solar Pathfinder - sluneční diagram zdroj: www.solarpathfinder.com

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sluneční diagram ukazuje, v kterém měsíci a hodině bude dané místo ve stínu resp. osluněno viz Obr. 6. Snadným přemístěním a vyfotografováním výsledků lze zpětně zvolit nejvhodnější umístění pro solární systém. V současné době je tento přístroj nabízen za $299.

Dalším přístrojem, který jednoduše zobrazuje pohyb Slunce po obloze je Solar Site Selector. Funguje na podobném principu jako Solar Pathfinder. Sledování pohybu Slunce je patrné z Obr. 7 a 8. V současné době je tento přístroj nabízen za $114.

 

image044
Solar Site Selector - použití zdroj: www.solardesign.co.uk
thumb_image046
Solar Site Selector - pohled zdroj: www.solardesign.co.uk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Přímé solární záření

Tato část záření dopadá bez změněného směru a vytváří stíny, lze ji koncentrovat nebo odrážet zrcadly. Intenzita přímého solárního záření na kolmou plochu ke směru paprskům lze vyjádřit vztahem

Clipboard03

Z Grafu 1 vyplývá vliv znečištění atmosféry na velikost intenzity solárního záření na plochu kolmou ke směru dopadajících paprsků. V zimních měsících se znečištění atmosféry v poledních hodinách projevu více než u letních měsíců. Naopak u letních měsíců je větší rozdíl v ranních a večerních hodinách než okolo poledne.

image079

Graf 1 Intenzity solárních záření na kolmou plochu ke směru paprsků

Difúzní solární záření

Je záření rozptýlené odrazem o molekuly vzduchu, prachu a vodní páru při průchodu atmosférou. Je to přeměna z přímého na difúzní solární záření beze změny vlnové délky. Toto záření nevytváří stíny. Na osluněné plochy dopadá také odražené záření z jiných osluněných ploch, tato hodnota se taktéž započítává do difúzního záření. Intenzita difúzního solárního záření lze vypočítat ze vztahu

Clipboard04

Albedo je míra odrazivosti povrchů vyjadřující poměr odraženého elektromagnetického záření ku dopadajícímu. Pro běžné výpočty difúzního záření se počítá s hodnotou 0,2.

Poměr mezi difúzním zářením je závislý na ročním období, tak na hodině během dne. Pokud uvažujeme pouze jasnou oblohu, tak při ranních a večerních hodinách může velikost difúzního záření být větší než záření přímé. Při zatažené obloze je celkové záření složeno pouze z difúzního.

Tabulka 6 Intenzita difúzního záření

měsíc

Intenzita záření ID [Wm-2] v hodině t

12h

11h (13h)

10h (14h)

9h (15h)

8h (16h)

7h (17h)

6h (18h)

5h (19h)

součinitel znečištění atmosféry Z = 3 (pro venkov bez průmyslových exhalací)

prosinec

71

68

59

39

-

-

-

-

leden, listopad

78

76

68

51

-

-

-

-

únor, říjen

90

88

83

72

51

-

-

-

březen, září

99

98

95

88

76

52

-

-

duben, srpen

105

104

101

97

89

75

49

-

květen, červenec

107

107

105

101

95

85

68

37

červen

108

108

106

102

97

88

74

48

součinitel znečištění atmosféry Z = 2 (pro místa nad 2 000 m n. m.)

prosinec

105

100

82

48

-

-

-

-

leden, listopad

118

114

99

68

-

-

-

-

únor, říjen

139

137

128

107

67

-

-

-

březen, září

142

143

144

137

114

68

-

-

duben, srpen

126

129

138

144

138

113

63

-

květen, červenec

108

113

125

139

144

132

99

45

červen

100

106

119

135

144

137

110

63

 

U méně znečištěných oblastí, s menším součinitelem znečištění atmosféry, je větší velikost difúzního záření.

Výsledné solární záření

Celkové, někdy označované jako globální, solární záření se skládá z přímého a difúzního záření. Výsledná intenzita je dána algebraickým součtem těchto dvou složek.

Clipboard05

Na Grafu 2 a 3 jsou znázorněny celkové intenzity solárního záření dopadající na nakloněnou jižně orientovanou rovinu. Výpočet byl proveden pro charakteristické dny se součinitelem znečištění Z = 3 a pro geografické místo na 50° severní šířky 300 m n. m.

grafy2
Graf 2 Intenzity solárních záření na nakloněnou plochu pro Z = 3 s jižní orientací

 

thumb_grafy3
Graf 3 Intenzity solárních záření na nakloněnou plochu pro Z = 3 s jižní orientací

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z Grafů 2 a 3 vyplývá, že velikost difúzního záření je téměř nezávislé na orientaci plochy, neboť se jedná o všesměrné záření. Vliv sklonu plochy na celkové záření je však zásadní pro správný návrh solárního systému. Detailnější porovnání bude dále lépe patrné z porovnání dopadající energie během jednotlivých měsíců.

Energie dopadající na osluněnou plochu

Teoreticky dosažitelné množství energie

Velikost celkové energie dopadající na osluněnou plochu lze vyjádřit jako plochu pod křivkou intenzity záření image112 znázorňující denní průběh celkové intenzity záření.

Clipboard06

Pro zjednodušení lze číselně sčítat hodnoty intenzit během jednotlivých hodin dne. Tato hodnota se nazývá teoretická, neboť je stanovena za předpokladu nepřetržitě jasné oblohy, což v našich klimatických podmínkách je téměř nereálné. Uvádí se tzv. teoretická doba slunečního svitu image118 viz Tabulka 3, která je určena krajními hodnotami image120a image122určující východ a západ Slunce.

 

image124

Graf 4 Teoreticky dosažitelné množství energie dopadající na různě skloněné jižně orientované plochy


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Na Grafu 4 jsou znázorněny teoreticky dosažitelné množství energie, což umožňuje určit optimální úhel jižně orientované plochy na pro jednotlivé měsíce. V praxi se však volí jen optimalizace pro letní a zimní provoz.

a = 30° až 45° pro letní provoz,

a = 60° až 90° pro zimní provoz.

To je dáno tím, že v zimních měsících je Slunce níže nad obzorem, proto pro strmější úhly dosahují intenzity dopadajících paprsků bližších hodnot k hodnotám intenzit dopadajících kolmo na osluněnou plochu.

Skutečně dosažitelné množství energie

Při jasné obloze dopadá na osluněnou plochu celková intenzita I = IP + ID, při zatažené obloze intenzita I = ID, tedy jen složka difúzního záření. Z dlouhodobých klimatických dat není potřeba znát přesné střídání oblačnosti, ale postačí tzv. skutečná doba slunečního svitu, která vyjadřuje pouze část teoretické doby slunečního svitu, kdy je jasná obloha. Poté lze vyjádřit tzv. poměrnou dobu slunečního svitu jako

Clipboard07

Pro výpočet skutečně dosažitelné energie je nutné znát skutečnou dobu slunečního svitu, závislou na ročním období a dané lokalitě. Vychází se z naměřených klimatických dat.

Tabulka 6 Skutečná doba slunečního svitu jednotlivých měsících

měsíc

Skutečná doba slunečního svitu tskut [h]

Praha

České Budějovice

Hradec Králové

Brno

leden

53

46

47

46

únor

90

82

77

88

březen

157

136

149

142

duben

187

164

185

163

květen

247

207

241

232

červen

266

226

249

258

červenec

266

238

252

270

srpen

238

219

233

230

září

190

174

188

179

říjen

117

108

115

116

listopad

53

55

48

56

prosinec

35

36

42

30

S

1 899

1 691

1 826

1 810

zdroj: J. Cihelka: Solární tepelná technika

thumb_image146
Obr. 9 Průměrný roční úhrn doby trvání slunečního svitu [h] zdroj: www.chmi.cz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Klimatická data a software

Důležitým podkladem pro správný návrh solárního systému jsou klimatická data pro danou lokalitu. Tyto data jsou dlouhodobě měřeny, statisticky vyhodnocovány a posléze implementovány do výpočetních programů. Existuje několik formátů, jak se klimatická data zapisují, jeden z příkladů je na internetové adrese [10] ve formátu EnergyPlus. Dalším formátem je Typical Meteorological Year (TMY) dostupný na internetové adrese [11]. Program Meteonorm [12] zahrnuje katalog meteorologických údajů a postupy pro výpočet solárních aplikací a systémů na libovolném místě na světě.

Dostupnost solární energie v celé Evropě je velmi podrobně zpracována na internetových stránkách Joint Research Centre [13], kde je možné vyhledat data pro konkrétní lokalitu. Jsou zde uvedeny všechny výše popsané veličiny např. intenzity solárních záření pro různé sklony osluněných ploch, součinitele znečištění, atd. včetně interaktivních map [14] umožňující výpočet optimálního sklonu kolektoru podle zvolených parametrů.

Na trhu existují programy od jednoduchých po komplexní, které umožňují výpočet solárního záření. Složitější programy jsou doplněny o možnost návrhu konkrétního solárního systému. Jsou to například TSol, PVSol, TRNSYS, GetSolar, Polysun, F-chart.

Odkazy

[1] Cihelka J. : Solární tepelná technika. Nakladatelství T. Malina, Praha 1994.

[2] Ladener H., Späte F. : Solární zařízení. Grada Publishing a.s., 2003

[3] Murtinger K., Truxa J. : Solární energie pro váš dům. ERA group s. r. o., Brno 2006.

[4] Oksolar [online]. 2009 [cit. 2009-05-20]. Dostupný z WWW: < www.oksolar.com >

[5] CHMI [online]. 2009 [cit. 2009-05-20]. Dostupný z WWW: < www.chmi.cz >

[6] SOLAR Group [online]. 2009 [cit. 2009-05-20].

Dostupný z WWW: < ww.solar-group.cz >

 

[7] Solar PathfinderTM [online]. 2009 [cit. 2009-05-30].

Dostupný z WWW: < www.solarpathfinder.com >

[8] U.S. Green Home [online]. 2009 [cit. 2009-05-30].

Dostupný z WWW: < www.usgreenhome.com >

[9] The Solar Design Company [online]. 2009 [cit. 2009-05-30].

Dostupný z WWW: < www.solardesign.co.uk >

[10] U.S. Department of Energy [online]. 2009 [cit. 2009-06-11]. Dostupný z WWW: < http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data3.cfm/region=6_europe_wmo_region_6/country=CZE/cname=Czech%20Republic >

[11] National Solar Radiation Data Base [online]. 2009 [cit. 2009-06-11].

Dostupný z WWW: < http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/1991-2005/tmy3/ >

[12] Meteonorm [online]. 2009 [cit. 2009-06-11].

Dostupný z WWW: < www.meteonorm.com >

[13] Joint Research Centre [online]. 2009 [cit. 2009-06-11].

Dostupný z WWW: < http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eur.htm >

[14] Joint Research Centre [online]. 2009 [cit. 2009-06-11]. Dostupný z WWW: < http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radmonth.php?en=&europe= >