Wykorzystanie w praktyce

Modelowanie promieniowania słonecznego

mgr Małgorzata Pietras

Wrocław, 15.09.2010

Promieniowanie słoneczne � Słońce promieniuje z podobną wydajnością od ponad pięciu

miliardów lat w czym przypomina olbrzymi reaktor termojądrowy, w którym zachodzi synteza wodoru w hel.

� Ilość energii emitowanej przez Słońce szacuje się na około 1023 kW. Jednak do powierzchni kuli ziemskiej dociera niewielka jej część

Promieniowanie słoneczne � Standardowo podaje się wartość promieniowania

słonecznego na górnej granicy atmosfery, przy średniej odległości Ziemi od Słońca. Jest to tak zwana stała słoneczna (I0).

� Podawana w piśmiennictwie wielkość stałej słonecznej waha się od 1325 W/m2

� Zmienność stałej słonecznej w czasie

Promieniowanie bezpośrednie � Promieniowaniem bezpośrednim (I) nazywamy tę część

promieniowania słonecznego, która dociera do powierzchni Ziemi w postaci wiązki promieni równoległych.

� Natężenie promieniowania bezpośredniego wzrasta wraz ze wzrostem wysokości Słońca i wyniesieniem danego punktu nad poziom morza.

Ih = I � sinh

Osłabienie promieniowania słonecznego � Podczas przenikania przez atmosferę promieniowanie

słoneczne ulega osłabieniu. Jest ono wywołane pochłanianiem i rozpraszaniem części promieniowania przez cząstki gazów oraz różne domieszki i zanieczyszczenia, które znajdują się w powietrzu atmosferycznym.

Promieniowanie rozproszone • Podczas przechodzenia promieniowania słonecznego przez

warstwę atmosfery ziemskiej ulega ono rozproszeniu.

• Promieniowanie rozproszone (Id) ma niewielkie znaczenie podczas pogody bezchmurnej. Natomiast podczas dni pochmurnych, przy całkowitym zachmurzeniu nieba, energia słoneczna dociera do powierzchni Ziemi jedynie w takiej postaci.

Promieniowanie całkowite i usłonecznienie � Promieniowaniem słonecznym całkowitym (Ic) określa się

sumę promieniowania słonecznego bezpośredniego i rozproszonego. Jego natężenie określa się względem powierzchni poziomej i można je wyrazić za pomocą wzoru:

Ic = I � sinh + Id

� Usłonecznienie jest to czas dopływu bezpośredniego promieniowania do powierzchni Ziemi.

Model r.sun � Model r.sun ( Hofierka, Šuri 2002) jest integralną częścią

systemu informacji przestrzennej GIS GRASS, dostępnego

na zasadzie licencji OpenSource.

Możliwości r.sun r.sun umożliwia obliczenie m.in.. parametrów takich jak:

− Natężenie promieniowania bezpośredniego

− Natężenie promieniowania odbitego

− Natężenie promieniowania rozproszonego

− Wartości podawane jako W/m2 (mode 1) lub Wh/m2 (mode 2)

Parametry � r.sun elevin=name aspin=name slopein=name

[ linkein=name] [ lin=value] [ albedo=name] [ alb=value] [ latin=name] [ lat=value] [ coefbh=name] [coefdh=name] [ incidout=name] [ beam_rad=name] [ insol_time=name] [ diff_rad=name] [ refl_rad=name] day=value [ step=value] [ declin=value] [time=value] [dist=value]

Parametry � elevin – nazwa mapy rastrowej prawdziwych wartości

wysokości terenu używana jako wejście,

� slopein - nazwa mapy rastrowej z wartościami nachyleń utworzona z mapy wysokości,

� aspin – nazwa mapy rastrowej z wartościami ekspozycji utworzona z mapy wysokości,

Parametry

� linkein – nazwa warstwy z wartością współczynnika zmętnienia Linkego

� lin – wartość współczynnika zmętnienia Linkego (domyślnie 3.0)

� Współczynnik zmętnienia Linkiego (LTF) - Opisuje zmniejszenie promieniowania wywołane wspólnym działaniem aerozolu atmosferycznego i pary wodnej. Do jego wyliczenia zastosowana została formuła empiryczna zaproponowana przez Dougniaux (1984)

Współczynnik zmętnienia Linkiego (LTF)

Gdzie: γ – wysokość słońca w stopniach PWC – ciśnienie pary wodnej ßA – Wskaźnik Angstroma wyrażający zawartość aerozoli w atmosferze.

Parametry • albedo – nazwa mapy rastrowej z wartością albedo

• alb – wartość albedo (domyślnie 2.0)

• latin - nazwa mapy rastrowej z określoną szerokością geograficzną (stopnie)

• lat – szerokość geograficzna

• coefbh – nazwa mapy rastrowej z wielkością rzeczywistego parametru promieniowania bezpośredniego

Parametry • coefdh - nazwa mapy rastrowej z wielkością rzeczywistego

parametru promieniowania rozproszonego

• incidout – nazwa mapy wyjściowej z wartościami kąta padania promieni słonecznych

• insol_time – nazwa mapy wyjściowej z długością trwania usłonecznienia

• beam_rad – nazwa mapy wyjściowej z wartością promieniowania bezpośredniego

Parametry • diff_rad - nazwa mapy wyjściowej z wartością

promieniowania rozproszonego

• refl_rad – nazwa mapy wyjściowej z wartością promieniowania odbitego od powierzchni ziemi

• day – nr dnia w roku (od 1 do 365)

• step – krok czasowy w którym liczone są dzienne sumy promieniowania (domyślnie 0.5h)

Parametry � declin – wartość deklinacji

� time – czas według lokalnego czasu słonecznego

� dist – rozdzielczość przestrzenna (domyślnie 1.0)

Wybrany obszar do analizy

Model terenu - dem

Model terenu z uwzględnieniem wysokości budynków

r.slope.aspect

r.slope.aspect

Natężenie promieniowania bezpośredniego

Natężenie promieniowania bezpośredniego

MAX i MIN natężenia promieniowania

Polecenie

Zmienność natężenia promieniowania bezpośredniego

Promieniowanie rozproszone

Zmienność natężenia promieniowania rozproszonego

r.sun [–s] Uwzględnia efekt zacienienia wynikający z

rzeźby terenu

Promieniowanie bezpośrednie

Promieniowanie rozproszone

Promieniowanie całkowite

Usłonecznienie

Zacienienie przez budynki wybrany obszar

Zacienienie przez budynki promieniowanie bezpośrednie

Zacienienie przez budynki usłonecznienie

Zmienność natężenia promieniowania bezpośredniego między budynkami

Zmienność czasu usłonecznienia między budynkami

Wpływ zieleni

Zacienienia przez budynki i zieleń

Zieleń wysoka

Zieleń niska

Zacienienie przez zieleń i budynki promieniowanie bezpośrednie

Zacienienie przez zieleń i budynki promieniowanie rozproszone

Zacienienie przez zieleń i budynki promieniowanie całkowite

Zacienienie przez zieleń i budynki usłonecznienie

Praktyczne zastosowanie modelu r.sun Opłacalność usytuowania kolektora

słonecznego:

� Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową dla domu jednorodzinnego w którym mieszka 5 osób, obliczone wg normy PN-92/B-01706, wynosi 600 litrów na dobę. Do ogrzania takiej ilości wody potrzebna jest energia:

Q = m � cw � ∆T

Opłacalność usytuowania kolektora Q – ciepło,

m - masa wody,

cw – ciepło właściwe wody (4,2kJ),

∆T – różnica temperatury wody ciepłej i zimnej (T2 - T1).

Q = 5 � 120 � 4,2 � (45-10) = 600 � 4,2 � 35 = 88200kJ/dobę = 24,5kWh/dobę

W ciągu roku jest to 24,5 � 365 = 8942,5kWh/rok

Opłacalność usytuowania kolektora ZAŁOŻENIA:

� sprawność kolektora ŋ = 0,8,

� pole powierzchni kolektora S = 5m2,

� dzienna sprawność kolektora ŋdz = 0,4 (wynika z pochylenia kolektora)

Qs= (S � H � ŋdz)/ŋ

H- natężenie promieniowania całkowitego

Budynek A

Budynek B

Opłacalność usytuowania kolektora Budynek A

H = 2,2 kWh/dobę

Qs = 5,5 kWh/dobę

Pokrycie zapotrzebowania

na ciepło do uzyskania c.w.u. = 22,5%

Budynek B

H = 0,6 kWh/dobę

Qs = 1,5 kWh/dobę

Pokrycie zapotrzebowania

na ciepło do uzyskania c.w.u.

= 6%

Dziękuje!!!