Zasada działania kolektorów słonecznych

Ważnym elementem decydującym o efektywności działania kolektora słonecznego jest intensywność nasłonecznienia. Postarajmy się bliżej określić jej wielkość dla polskich warunków i od czego ona zależy...

W górnych warstwach atmosfery ziemskiej natężenie promieniowania słonecznego (prędkość przepływu energii przez jednostkową powierzchnię ustawioną prostopadle do biegu promieni) wynosi około 1,3 kWh co odpowiada gęstości promieniowania 1300 W/m2. Jednakże część promieniowania nie dociera do powierzchni ziemi. Dzieje się tak wskutek działania atmosfery (absorpcja, rozproszenie, odbicie, ugięcie itp.). Działanie atmosfery zmniejsza natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi, do nieco więcej niż połowy wartości jaką miało przy wejściu w atmosferę. Powoduje ono także zmiany w widmowym rozkładzie energii. Efekty te zależą od lokalnego składu atmosfery, zanieczyszczeń w pobliżu ośrodków przemysłowych, wysokiej zawartości pary wodnej w powietrzu, np. w okolicy wybrzeża.

Układ warstw chmur również istotnie wpływa na ilość i jakość energii docierającej do powierzchni ziemi. Ilość docierającej energii zmienia się wraz z porą dnia, roku oraz w zależności od położenia geograficznego badanego punktu na kuli ziemskiej. Ten ostatni czynnik jest nieistotny dla warunków polskich. Można przyjąć, że dla całej Polski natężenie promieniowania słonecznego jest jednakowe. Na terenie Polski nasłonecznienie jest zbliżone do północnej Francji i Niemiec, średnia w roku gęstość energii zawiera się w przedziale od 600 do 800 W/m2. W Polsce pomiary promieniowania prowadzone są przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej.

Wartości promieniowania są mierzone i podawane w odniesieniu do płaszczyzny poziomej, natomiast kolektory słoneczne są ustawione najczęściej pod określonym kątem do poziomu tak, aby podczas pracy promienie słoneczne padały na nie pod kątem możliwie prostopadłym. Intensyfikuje to znacznie ilość energii padającej na powierzchnie kolektora. Analiza wyników pomiarów w przeciągu kilku lat przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej pozwala na przyjęcie następujących wartości nasłonecznienia w Polsce:

Należy nadmienić, że całkowite dzienne nasłonecznienie nie jest największe, jak by się wydawało, w okolicy równika lecz na szerokości geograficznej około 40° (Polska leży między 49° a 54.5°). Wynika to z faktu, że na równiku promienie słoneczne nie padają całkowicie prostopadle, a przy tym dzień na równiku jest krótszy niż na szerokości 40°. Wydłużeniu dnia w miarę wzrostu szerokości geograficznej towarzyszy malejące natężenie promieniowania słonecznego aż do szerokości 40°, a poza nią, na północ, nie wiele się zmienia. Tak dzieje się w lecie, natomiast w zimie wielkość ta maleje gwałtownie ze wzrostem szerokości geograficznej. Wynika stąd, że w Polsce w lecie mamy stosunkowo niezłe warunki nasłonecznienia.

Jeżeli już wiemy na jakie nasłonecznienie możemy liczyć, zastanówmy się, co będzie się działo z przedmiotem pozostawionym na słońcu. Nagrzeje się on, ponieważ absorbuje energię słoneczną. Zasada ta wykorzystywana jest w budowie kolektorów słonecznych.

Jeżeli ciało absorbuje energię, to zgodnie z zasadami termodynamiki wzrasta jego temperatura. Ciało usiłuje powrócić do stanu wyjściowego przez wyemitowanie nadmiaru energii. Szybkość emisji energii modelowego ciała, tzw. doskonale czarnego, zależy od jego temperatury w czwartej potędze.

Przedstawiony poniżej opis został przestawiony w piśmie "Młody Technik" nr 3/1983 r. Autorami artykułu są: Jarosław Mikielewicz, Zbigniew Bilicki.