Najistotniejszymi parametrami promieniowania słonecznego – ze względu na sposób wykorzystania tej energii w kolektorach płaskich (płaskopłytowych) – są dzienne, miesięczne, sezonowe i roczne sumy wartości natężenia promieniowania słonecznego – H (kJ/m2), wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni w określonym czasie. Sumy wartości natężenia promieniowania słonecznego w dłuższych okresach (sezon, rok) są szczególnie przydatne do analiz ekonomicznych zastosowania kolektorów słonecznych w procesach roboczych.
W wielu przypadkach do wyrażenia wartości sumy natężenia promieniowania w czasie godziny, dnia, miesiąca lub roku stosuje się jako jednostkę kWh/m2, natomiast dane z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej są podawane w MJ/m2; w starszych opracowaniach można jeszcze spotkać jednostkę – cal/cm2. Przeliczenia wzajemne (zależności) wymienionych jednostek natężenia promieniowania przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1 Zależności między jednostkami natężenia promieniowania
Innym istotnym parametrem warunkującym cechy konstrukcyjne kolektora i jego wydajność jest natężenie całkowitego promieniowania słonecznego I (wartość chwilowa), wyrażone w W/m2. W energię użyteczną może być przetworzona tylko część energii słonecznej, której natężenie promieniowania w określonym czasie przekracza właściwą dla tego urządzenia i danych warunków meteorologicznych wartość progową I’min. Wartość tę wyznaczyć można z uproszczonego równania bilansu energetycznegokolektora słonecznego o powierzchni jednostkowej:
gdzie:
E – suma energii użytecznej, Wh z jednostki powierzchni kolektora,
ηo – współczynnik konwersji optycznej promieniowania słonecznego,
H’ – wartość natężenia promieniowania słonecznego I > I’min, Wh/m2,
U – współczynnik strat cieplnych kolektora, W/m2· K,
ΔT – średnia różnica temperatur nośnika ciepła w kolektorze i otoczeniu, K,
τ – czas występowania natężenia promieniowania o wartości I > Imin, h.
Wartość progową oblicza się z równania powyżej, przy założeniu, że E = 0, stąd:
Wartości progowe I’min dla różnych typów kolektorów słonecznych pracujących przy różnych wartościach ΔT podano w tabeli 2. Z tabeli 2 wynika, że np. kolektor próżniowo-rurowy zaczyna gromadzić energię cieplną już przy stosunkowo małej wartości promieniowania słonecznego całkowitego, ok. 20 W/m2, dzięki m.in. doskonałej izolacji termicznej i minimalnym stratom ciepła, co szczególnie predestynuje go do stosowania w okresie jesienno-zimowo-wiosennym. W obliczeniach przybliżonych, które mają praktyczne znaczenie w grzewczych instalacjach słonecznych i kolektorach słonecznych, przyjmuje się minimalną wartość całkowitego natężenia promieniowania słonecznego Imin = 100 W/m2.
Tabela 2 Szacunkowe wartości progowe Imin natężenia promieniowania słonecznego dla różnych typów kolektorów słonecznych
W przypadku kolektorów płaskopłytowych, o możliwości przetwarzania energii promieniowania słonecznego w ciepło użyteczne decyduje promieniowanie całkowite, dochodzące ze wszystkich kierunków półsfery. Promieniowanie całkowite Ih, Hh zawiera trzy składowe:
1. Promieniowanie bezpośrednie Ib, Hb jest to krótkofalowe promieniowanie o kierunku rozchodzenia się promieni w linii prostej od Słońca do powierzchni czynnej kolektora. Długość fali promieniowania słonecznego bezpośredniego na powierzchni Ziemi (po przejściu przez warstwę atmosfery) w 98% zawarta jest w przedziale 0,30–2,50 μm. Obejmuje ono całe tzw. widzialne promieniowanie słoneczne długości fali 0,40–0,70 μm.
2. Promieniowanie rozproszone (dyfuzyjne) Id, Hd jest to promieniowanie długofalowe. Powstaje w wyniku załamania, odbicia i częściowego pochłaniania promieniowania bezpośredniego w atmosferze ziemskiej. Daje ono barwę niebieską nieboskłonu w wyniku rozproszenia światła słonecznego. Dodatkowo do promieniowania rozproszonego zalicza się tzw. długofalowe promieniowanie atmosfery o znacznie większej długości fali niż bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne. Jest ono emitowane przez atmosferę niezależnie od pory doby, w postaci fal długości 4–120 mm.
3. Promieniowanie odbite IhP od powierzchni Ziemi i obiektów w pobliżu absorbera kolektora słonecznego, tzw. albedo. Jest to również promieniowanie rozproszone,którego wielkość zależy od promieniowania całkowitego Ih = Id + Ib (rozproszonego i bezpośredniego) oraz współczynnika odbicia p odpowiadającego różnym powierzchniom i przedmiotom w pobliżu kolektora.
Sumaryczny wpływ wymienionych składowych promieniowania na ilość energii docierającej do powierzchni kolektora słonecznego w jednostce czasu (moc strumienia energii promieniowania słonecznego) określona jest równaniem, które uwzględnia
zależności kątowe:
gdzie:
Θ – kąt zawarty pomiędzy linią wyznaczoną przez kierunek promieniowania słonecznego bezpośredniego a normalną do powierzchni absorbera (rys. 1),
β – kąt pochylenia płaszczyzny kolektora w stosunku do poziomu
Rys.1 Geometria ruchu Słońca w stosunku do kolektora.
Θ – kąt padania, Θz – kąt zenitu,β – kąt nachylenia kolektora do poziomu, γ – kąt odchylenia od kierunku południowego, α – kąt wysokości słońca nad horyzontem, ψ – kąt azymutu
Ponieważ tylko dwie z trzech składowych Ib, Id, lh są niezależne (Ih = Ib cos Θz + Id), gdzie Θz – kąt zenitu (tj. kąt między linią wyznaczoną przez normalną do powierzchni poziomej a kierunkiem promieniowania słonecznego), często – dysponując danymi z pomiarów meteorologicznych Ih i Id – stosuje się inną postać równania:
Wartość współczynnika odbicia promieniowania słonecznego ρ zależy jedynie od rodzaju powierzchni w otoczeniu kolektora słonecznego. W zależności od rodzaju powierzchni, a także kąta β, udział tego rodzaju promieniowania w bilansie kolektora płaskopłytowego sięga 5–30%.
Tabela 3 wartość współczynnika odbicia słonecznego ρ w zależności od różnych powierzchni
Źródło:
– instsani.pl