Měření sluneční záření

1/64 Sluneční energie měření údaje o slunečním záření solární mapy praktický přepočet 2/64 Měření sluneční záření 1

Měření přímého slunečního ozáření 3/64 pyrheliometr (actinometr) 5.7 kolimované čidlo pro měření slunečního záření přicházejícího přímo ze slunečního kotouče (a malé části oblohy okolo) střídavé okrývání a zavírání měření pro kolmý úhel dopadu (sledování pohybu Slunce) etalon pro další přístroje Abbotův pyrheliometr (1902) Měření přímého slunečního ozáření 4/64 Pyrheliometr CHP1 (2008) 2

Měření celkového slunečního ozáření 5/64 pyranometr (solarimetr) měření hemisférického celkového (přímé + difúzní) slunečního ozáření termočlánkové čidlo založené na měření rozdílu teplot rozdíl teplot ~ slunečnímu ozáření fotovoltaické čidlo založené na měření produkovaného elektrického výkonu problematické z hlediska spektrální citlivosti, teplotní závislosti... Termočlánkové pyranometry 6/64 segmentový pyranometr (hvězdicovitý, Stern-pyranometer) měření rozdílu teplot mezi dvěma segmenty (černý, bílý) násobný termočlánek USA, Kanada 3

Termočlánkové pyranometry 7/64 terčíkový pyranometr (Moll-orzynski) měření rozdílu teplot mezi terčíkem a tělem pyranometru násobný termočlánek Evropa Kvalita pyranometrů 8/64 Terčíkový pyranometr Kipp&Zonen CM11 x český výrobce (segmentový pyranometr) 1200 [W/m 2 ] 1000 Sluneční ozáření CM11 250 [W/m 2 ] 200 Odchylky 150 800 100 600 50 0 400-50 200-100 0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00-150 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 4

Fotovoltaická čidla 9/64 Fotovoltaická čidla: citlivost na spektrum 10/64 5

Měření difúzního slunečního ozáření 11/64 pyranometry se stínicím prvkem (stínění přímé složky) stínicí prstenec nastavování cca 1 x 14 dní, při změně deklinace stínicí terčík sledování polohy Slunce, trackovací systém Měření doby trvání slunečního svitu 12/64 slunoměr (Campbell-Stokesův heliograf) skleněná koule 10 cm se chová jako čočka, soustředění slunečních paprsků pokud je přímá složka vyšší než prahová hodnota, vypaluje se stopa na záznamovém heliogramu, délka vypálené stopy = doba trvání svitu 6

Měření doby trvání slunečního svitu 13/64 elektronické typy štěrbinové s bimetalickými pásky, štěrbinové s fotodiodami štěrbinou proniká přímé záření a působí na čidlo Měření albeda 14/64 albedometr (dvojpyranometr) horní pyranometr přijímá sluneční ozáření dopadající na daný povrch dolní pyranometr je natočen čelem vůči povrchu a přijímá pouze z něj odražené záření 7

15/64 Zdroje údajů o slunečním záření Zdroje údajů o slunečním záření 16/64 PVIS Photovoltaic eographical Information System aplikace Joint Research Centre EC, původně pouze pro FV http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis Meteonorm aplikace společnosti Meteotest komplexní meteorologická reference s katalogem meteorologických údajů, http://www.meteonorm.com ČHMÚ Český hydrometeorologický ústav, http://www.chmu.cz klimatická data hodinová pro reálné změřené roky Tabulky teoretický výpočet pro typické oblasti, korekce poměrnou dobou slunečního svitu (B. Šourek) 8

PV IS - vstupy 17/64 model terénu digitální model U.S. eological Survey, Shuttle Radar Topography Mission (nadmořská výška, profil terénu) klimatické údaje satelitní data 566 evropských pozemních meteorologických stanic reálné změřené klimatické údaje - úhrny PV IS - výstupy 18/64 měsíční i hodinové údaje denní dávka slunečního ozáření na zadanou plochu venkovní teplota IS mapa teplota v době slunečního svitu na základě vlastností terénu nadmořská výška stínění reliéfem krajiny v rozlišení 1 km 2 9

PV IS - postup 19/64 teoretický výpočet slunečního ozáření pro jasnou oblohu na vodorovnou plochu pro nadmořskou výšku a danou atmosféru výpočet celkového slunečního ozáření na vodorovnou rovinu pro reálnou oblačnost na vodorovnou plochu na základě indexu jasné oblohy (poměr reálná / jasná obloha; měsíční průměry z meteostanic, interpolace do rastru IS) výpočet celkového slunečního ozáření na obecnou rovinu pro reálnou oblačnost na obecnou plochu rozpočet celkové dávky na přímou a difúzní, přepočet na obecnou plochu, odrazivost terénu 15 % PV IS 20/64 zdroj: PVIS 10

Sluneční energie v České republice 21/64 zdroj: PVIS Sluneční energie v Německu 22/64 Německo a Česká republika podobné podmínky: 1000 až 1200 kwh/m 2 (s výjimkou jižního Německa) podobné solární soustavy podobné typy solárních kolektorů podobné roční tepelné zisky zdroj: PVIS 11

Sluneční energie v České republice 23/64 Sluneční potenciál Rakouska začíná tam kde potenciál ČR končí... zkušenosti z Rakouska přenášet opatrně! zdroj: PVIS Meteonorm 24/64 databáze klimatických údajů klimatické údaje z více než 8055 meteorologických stanic celkové sluneční ozáření 1981-2000 doba trvání slunečního svitu teplota vlhkost 1961-1990, 1996-2005 srážky rychlost a směr větru měsíční údaje (denní průměry, měsíční úhrny,...) 12

Meteonorm 25/64 pozemní meteorologické stanice ČR: využívá 32 pozemních stanic, 8 stanic s měřením slunečního záření Evropa: 1551 stanic, z toho 361 sluneční záření satelitní údaje Heliosat II území s hustotou stanic (> 300 km): používají se pouze satelitní údaje území s hustotou stanic (> 50 km): interpolace pozemních a satelitních údajů Meteonorm - metoda 26/64 prostorová interpolace měsíčních průměrů slunečního ozáření na vodorovnou rovinu podle typu klimatické oblasti, nadmořské výšky, topografie, aj. generátor hodinových klimatických údajů výpočet hodinových údajů celkového slunečního ozáření na vodorovnou rovinu s měsíčními průměry = desetiletým průměrům rozpočet celkového slunečního ozáření na přímou a difúzní složku pro vodorovnou rovinu výpočet celkového slunečního ozáření na obecnou plochu, zohlednění zadaného místního profilu obzoru 13

Meteonorm - výstupy 27/64 hodinové klimatické údaje pro zadané podmínky 30 formátů pro různé simulační programy TMY, TRY, DRY programy TRNSYS, DOE, T-SOL, POLYSUN Meteonorm - TMY 28/64 14

Meteonorm - TRY 29/64 Meteonorm - výstupy 30/64 15

Meteonorm možné výstupní formáty 31/64 Meteonorm webová aplikace 32/64 16

Další zdroje údajů o slunečním záření 33/64 ČHMÚ Český hydrometeorologický ústav, http://www.chmu.cz spravuje meteorologické stanice poskytuje klimatická data úhrny i hodinová pro reálné změřené roky referenční klimatický rok (RKR) hodinová data pro statisticky průměrný rok v souladu s EN ISO 15927-4 ČHMU 34/64 http://www.chmi.cz 17

Referenční klimatický rok (RKR) 35/64 typický rok pro danou souřadnici (PS) statisticky zpracovaný podle ČSN EN ISO 15927-4 dostupné hodinové údaje, 1500 Kč/lokalitu www.chmu.cz 36/64 Statistiky 18

Přímé : difúzní 37/64 160 0,7 kwh/(m 2.měs) 140 120 100 80 60 40 20 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 poměr b / 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 měsíc 0,0 Přímé : difúzní = 50 : 50 % 38/64 160 kwh/(m 2.měs) 120 80 přímé 40 difúzní 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 měsíc 19

Přímé : difúzní v Evropě 39/64 Athény (38 ) Madrid (40 ) Řím (42 ) Marseille (43 ) Bukurešť (44 ) Bělehrad (45 ) Davos (47 ) Bratislava (48 ) Vídeň (48 ) Paříž (49 ) Brno (49 ) Praha (50 ) Brusel (50 ) Londýn (51 ) Berlin (53 ) Kodaň (55 ) Helsinki (60 ) Stockholm (60 ) 0 500 1000 1500 2000 kwh/(m 2.rok) Doba trvání slunečního svitu 40/64 doba slunečního svitu [h] 400 350 300 250 200 150 100 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 50 0 leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec 20

Jak se mění meziročně dopadlá energie? 41/64 1200 kwh/(m 2.rok) Praha Ostrava 1200-6 % až +8 % kwh/(m 2.rok) -8 % až +11 % 1000 1000 800 800 600 600 400 400 200 200 0 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Mění se i zisky solární soustavy? 42/64 dopadající sluneční energie měrné zisky solární soustavy 1200 kwh/(m 2.rok) -6 % až +8 % 600 kwh/m 2.rok -9 % až +9 % 1000 500 800 400 600 300 bytový dům 400 200 200 100 0 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 0 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 21

Lze zisky předpovědět? 43/64 měrné zisky systému [kwh/m 2.rok] 550 525 500 475 450 bytový dům měrné zisky: 450 až 540 kwh/m 2.rok pokrytí: 43 až 50 % účinnost systému 44 až 46 % pouze za předpokladu stejného odběru 425 1000 1050 1100 1150 1200 dopadající sluneční energie [kwh/m 2.rok] Optimální sklon? 44/64 jihovýchod - jihozápad 15-60 východ jih západ 22

Různý optimální sklon pro solární zařízení 45/64 fotovoltaika 35 produkce el. energie produkce do veřejné sítě bez ohledu na místní odběr bez nutnosti akumulovat? fototermika 45 produkce tepla produkce pro místní spotřebu (odběr) nutnost akumulace omezený přenos solárního tepla sítěmi maximalizace zisku optimalizace zisku Výkon slunečního záření během roku 46/64 1000 vodorovná plocha 800 [W/m 2 ] 600 400 200 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 čas [h] 23

Výkon slunečního záření během roku 47/64 1000 optimální sklon 45 800 [W/m 2 ] 600 400 200 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 čas [h] Dopadající energie během roku 48/64 10 vodorovná plocha 8 H T,den [kwh/(m 2.den)] 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 den 24

Dopadající energie během roku 49/64 10 optimální sklon 45 8 H T,den [kwh/(m 2.den)] 6 4 2 0 0 50 100 150 200 250 300 350 den Podíl přímé : difúzní v závislosti na sklonu 50/64 0,7 0,6 difúzní oblohové záření 0,5 přímé záření podíl složky [-] 0,4 0,3 0,2 0,1 difúzní odražené záření 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 úhel sklonu plochy [ ] 25

51/64 Výpočty Praktický výpočet slunečního ozáření 52/64 naměřené hodnoty celkového slunečního ozáření na vodorovnou rovinu = ( b + d ) potřeba přepočtu na jiný sklon a orientaci T = bt + dt (+ rt ) b θ b,t d β d,t rozpočet přepočet různé modely: - izotropický - anizotropické 26

Rozpočet slunečního ozáření 53/64 známe: naměřená hodnota celkového slunečního ozáření na vodorovnou rovinu teoretická hodnota celkového slunečního ozáření na stejnou rovinu mimo atmosféru o o = sc 360 n 1+ 0.033 cos sinh 365 index čistoty atmosféry (analogie propustnosti) k = T o Rozpočet slunečního ozáření 54/64 existuje korelace mezi indexem čistoty atmosféry a podílem difúzního záření z celkového na vodorovnou rovinu d k T 1.0 0.249kT d = 1.557 1.84kT 0.177 prok T < 0.35 pro 0.35 < k pro k T T > 0.75 < 0.75 d / 27

Přepočet slunečního ozáření 55/64 známe: rozpočtené hodnoty celkového slunečního ozáření na vodorovnou rovinu = b + d výpočet na obecně skloněnou a orientovanou rovinu difúzní cirkumsolární (cs) difúzní z oblohy (izo) přímé (b) difúzní ze zjasněného horizontu (hz) Složky slunečního ozáření (podrobně) 56/64 přímá vychází z geometrie slunečního záření difúzní složky: izotropická rovnoměrně z celé oblohy (polokoule) cirkumsolární (v okolí Slunce) rozptyl záření okolo paprsků procházejících atmosférou, sice uvažováno jako difúzní, avšak určitá směrová závislost zjasnění horizontu za jasné oblohy je pás nad horizontem jasnější než zbytek oblohy, vlivem tlustší vrstvy... větší rozptyl T anizotropické = bt + dt, izo + dt, cs + dt, hz + rt 28

Složky slunečního ozáření (podrobně) 57/64 Přímá složka 58/64 bt = bn cosθ } = bt bn b b = bn cosθz b bn cosθ z R = cosθ geometrický faktor R b cosθ = cosθ z přepočet mezi vodorovnou a obecnou rovinou = R bt b b 29

Difúzní složka modely difúzní oblohy 59/64 izotropická obloha difúzní i odražené je pouze izotropické anizotropická obloha kromě izotropického další zdroje difúzního Hay-Davies: cirkumsolární (ANO), zjasnění horizontu (NE) Hay-Davies-Klutcher-Reindl (HDKR): model HD + korekce na zjasnění horizontu Perez: nejsložitější, velmi detailní analýza všech 3 složek všechny uvedené modely výpočtu difúzního ozáření se objevují v simulačních programech jako použitelné varianty (ESP-r, TRNSYS, aj.) Izotropický model 60/64 sluneční ozáření ve třech složkách: přímá, izotropická difúzní (rovnoměrně z celé oblohy) a difúzně odražená od terénu T = R b b + d 1 cos β 1 cos β + ρg 2 2 + směrový činitel plochy kolektoru k obloze směrový činitel plochy kolektoru k zemi 30

Anizotropický model Hay-Davies 61/64 relativně jednoduché rozšíření izotropického zavádí index anizotropie A i : jaká část difúzního je cirkumsolární sinh b bn A i = = = o on sinh cirkumsolární je směrově závislé bn on T = 1+ cos β + 2 1 cos β 2 ( + A ) R + ( 1 A ) ρ b d i b d i g jasno: A i je vysoký, většina difúzního je cirkumsolární zataženo bez přímého záření: A i je nízký, přechází do izotropického Anizotropický model HDKR 62/64 modifikace Hay-Daviesova zavádí korekci na zjasnění horizontu = T = R + 1 cosβ + rg 2 1+ cosβ 2 β 3 1 cos 2 ( + A ) R + ( 1 A ) 1+ f sin + ρ b b b d i dt b d i 3 β g modulační činitel f = b 31

Anizotropický model Perezův 63/64 odlišný od předchozích dt F 1 F 2 a b 1 cos a = d β 2 b ( ) + β 1 F1 + F1 + F2 sin součinitel cirkumsolarity(viz dále) součinitel zjasnění horizontu (viz dále) člen zohledňující dopad kužele cirkumsolárního záření na skloněnou plochu a = max [0, cosθ] člen zohledňující dopad kužele cirkumsolárního záření na vodorovnou rovinu b = max [cos85, cosθ z ] a = b R b po většinu dne Anizotropický model Perezův 64/64 πθz F1 = max0, f11 + f12 + f13 180 F = f 2 21 + f 22 πθ + z 23 180 f jas čistota = AM d on d + bn + 5,535 10 θ d ε = 1+ 5,535 10 θ 6 3 z 6 3 z 32